原生动物基因表达质控过程中无义mRNA识别的分子机制

Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is a eukaryotic quality control pathway that recognizes and rapidly degrades transcripts containing nonsense mutations to limit accumulation of non-functional and potentially toxic truncated proteins. Multiple aspects of NMD pathway have substantial clinical significance associated to inherited disorders, specific tumor types, to regulation of normal and physiologically functional wild-type mRNAs related to development of organisms. However the mechanisms of the target mRNA discrimination and degradation by NMD pathway remain to be clarified. In this project, based on the genomic sequence of the model organism protozoan Giardia and Euplotes, we attempt to analyze the evolutionary mechanism of NMD pathway in eukaryotes. On the other hand, we conduct the studies on the functions of NMD core factors UPFs and SMGs and attempt to research on the function and it’s regulation of UPFs associated with nonsense mRNA discrimination, including temporal and spatial features of interaction between UPF1 and RNA in nucleus and cytoplasm, regulation mechanism of ATPase activity of UPF1, the regulation mechanism and the roles of UPF1 phosphorylation, and the couple relationship between NMD pathway and translation termination. The purpose is to reveal the quality control mechanism of mRNA during gene expression and it’s evolution characters in protozoan cells. It will provide important data for elucidating the mechanism of NMD, and guide the research and development of nonsense mutation target drug for clinical application.

无义介导的mRNA降解是真核生物基因表达的一个重要的质控机制，其识别和降解含有无义突变密码子的mRNA，以免截短型无功能蛋白在细胞中的积累。但NMD途径对靶向mRNA的识别和降解机制一直未得以阐明。本项目以原生动物贾第虫和游仆虫为模式材料，基于已有的基因组序列信息，利用基因组学技术和方法分析原生动物NMD途径的进化机制；针对NMD途径核心因子UPF和SMG的功能开展研究，探讨原生动物细胞中UPF因子在底物mRNA识别过程中的功能和调控机制，包括UPF1与RNA在细胞内相互作用的时空特征；UPF1的ATPase活性的调控；UPF1的磷酸化修饰的功能和调控机制；NMD途径与蛋白质翻译终止过程的耦连机制等，旨在揭示原生动物基因表达过程中无义mRNA的质控机制及其进化特征，为进一步阐明NMD途径的分子机制提供重要的数据支持，以及为基因通读靶向药物的研发和临床应用提供理论指导。

无义介导的mRNA降解途径是一种重要的真核生物mRNA质量监控途径。它可以识别并降解含有提前终止密码子的异常mRNA（PTC-mRNA）。本项目针对原生动物NMD途径对PTC-mRNA的识别和降解机制进行了研究。用生物信息学分子对接方法分析了原生动物游仆虫NMD途径因子间可能的相互作用位点，并进行分子生物学验证。克隆了贾第虫和游仆虫NMD 途径的关键因子基因，用双分子标记技术研究了这些因子间的相互关系。SMG1 作为一种PIKK 激酶超家族成员，在NMD途径起始和mRNA降解过程中发挥重要作用。我们分析了原生动物SMG1的结构与功能位点，研究了与这些位点相互作用的蛋白质因子（eRF、UPF、SMG）对SMG1 激酶活性的影响机制。分析UPF1 因子的ATP 酶活性的调控机制。利用大核人工染色体，分析了NMD途径因子在八肋游仆虫细胞核和细胞质中的空间分布格局和互作关系。建立了原生动物细胞NMD途径的启动和无义mRNA降解的机制模型。为阐明NMD途径的分子机制提供重要的数据支持。利用基因芯片技术探究SNRPA1敲减后肝癌细胞信号通路关键基因的表达动态，及其在裸鼠肿瘤发生发展中的分子机制，探讨了NMD途径相关的癌细胞发生和发展的分子机制。围绕原生动物为核心的土壤和水体微生物组结构和功能开展了探索性研究。研究了沿海拔梯度土壤原生生物群落结构组成和多样性分布模式，确定了土壤原生生物群落构建的主要驱动因子，以及确定性过程和随机过程在土壤原生生物群落构建过程中的相对作用。实现了项目的预定目标，完成了预定任务。