核糖開關結構的開關特性與調控機制

《核糖開關結構的開關特性與調控機制》是依託武漢大學，由張文炳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：核糖開關結構的開關特性與調控機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張文炳
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

核糖開關和RNA干擾一道被稱為近十年RNA的兩個重大發現，它不僅可以進行轉錄調控而且還可以在翻譯進行基因表達調控，同時它們能特異性識別或選擇配體，是一種具有套用價值的生物感測器。儘管近期的實驗和理論研究對核糖開關的結構與動力學調控基因表達進行了比較深入的研究，仍然有一些關鍵問題沒有解決，如（1）核糖開關對小分子代謝物的分子識別機制： 核糖開關如何實現識別配體的高特異性和高敏感性？（2）核糖開關結合配體的動力學機制：核糖開關結合配體前後的構象如何變化？結合代謝物後如何調整空間結構並調控基因表達？這種調控究竟是熱力學還是動力學控制或者是一種聯合控制？本項目針對二類典型的核糖開關分子，結合我們自己建立的RNA巨觀動力學和分子動力學方法，從理論上深入地研究核糖開關結構的開關特性及調控機制。

結題摘要

核糖開關一般位於受控基因的非編碼區或者高等動物內含子區，包含適體域和基因表達單元。適體域序列具有高度保守性，負責特異性的識別並結合配體，而表達單元主要是通過構象變化在轉錄、翻譯、剪接水平上對下游基因進行調控。由於轉錄過程中構象形成和轉換的動態過程難以確定，核糖開關的調控機制以及這些因素對其生物功能的影響也並不清楚。完整的揭示核糖開關不同調控圖像和機制，可以為以後基因功能研究、生物感測器和新型生物開關的設計提供理論基礎。在本項目中我們建立了RNA與配體結合的轉錄摺疊動力學方法，並結合分子動力學研究了pbuE腺嘌呤，addA,SAM-Ⅰ、SAM-III，FMN核糖開關在不同條件下（轉錄速率、暫停、配體濃度）的轉錄摺疊及其調控機制，得到了如下的結果:發現在pbuE核糖開關的轉錄摺疊過程中，沒有出現錯誤摺疊的勢阱態；結合配體的功能結構的形成主要由配體與RNA的結合過程的動力學控制，配體濃度，轉錄速率及轉錄暫停共同調控開關行為； 發展了轉換節點近似方法，該方法能有效處理並研究長鏈mRNA的轉錄摺疊動力學問題，利用轉換節點近似同主方程相結合的方法，我們研究了yitJ和metF核糖開關在不同轉錄條件下的摺疊行為。同樣都屬於SAM-Ⅰ核糖開關，yitJ和metF核糖開關具有在轉錄水平並採用動力學調控的核糖開關的共同點，但它們的轉錄行為和調控機制並不完全一樣。yitJ核糖開關採用動力學和熱力學相混合的調控機制，而metF核糖開關是單純受動力學調控的核糖開關。對於熱力學調控的可逆ＳＡＭ－III核糖開關，其開關路徑為隧道路徑；我們預測了不同轉錄條件下FMN核糖開關的轉錄摺疊行為。基於這些研究結果，建立了帶負反饋環的FMN核糖開關動力學調控模型。結果顯示，負反饋環可以加快系統反應時間，使得系統的配體濃度處於一個穩定水平。利用巨觀動力學和分子動力學相結合的方法，研究了addA核糖開關的調控行為，表明該熱力學調控的核糖開關配體結合有助於開關實現結構轉變