Dscam转录本5'端高度多样性的发现和调控机制及其功能研究

Drosophila Dscam1 and vertebrate clustered protocadherins (Pcdhs) are two classic examples of the extraordinary isoform diversity from a single genomic locus, and both have remarkable functional similarity. Dscam1 encodes 38,016 distinct isoforms via mutually exclusive splicing in D. melanogaster, while the vertebrate clustered Pcdhs utilize alternative promoters to generate isoform diversity. We previously indicated that competing RNA structures played an impotant role in mutually exclusive splicing (Nat Struct Mol Biol, 2011; Nat Commun, 2012; RNA, 2016). Recently, we unexpectedly found extraordinary 5' isoform diversity and complexity of the Chelicerata Dscam transcripts, which were achieved through a combination of alternating promoter and alternative splicing (Nat Commun, 2016, accepted). Our findings have important implications for understanding the functional similarities between Drosophila Dscam1 and vertebrate Pcdhs. Next, we will elucidate the mechanism how alternative promoters cooperate with alternative splicing to control the selection of alternative exons at the 5' variable region, and propose a novel model for the regulation of 5' isoform diversity. Additionally, we will reveal the biological roles of the Dscam 5' isoform diversity, particularly in nervous system development.

果蝇唐氏综合症细胞黏附分子（Dscam）和脊椎动物原钙粘蛋白（Pcdh）是单基因位点产生蛋白同源异构体多样性的两个经典例子。黑腹果蝇Dscam基因通过可变剪接方式可产生多达38 016种同源异构体，而脊椎动物Pcdhs通过选择性启动子实现蛋白多样性。我们前期研究揭示了竞争性RNA二级结构调控Dscam互斥剪接的机制（NSMB，2011；Nat Commun，2012；RNA，2016）。最近，我们发现螯肢动物Dscam转录本5'端出人意料的多样性和复杂性，研究表明是通过可变启动子和可变剪接相结合的机制产生的，这为理解果蝇Dscam和脊椎动物Pcdhs的功能相似性提供了重要线索（Nat Commun，已接受）。在此基础上，我们将阐明选择性启动子如何与可变剪接协同激活5'端外显子表达的具体机制，建立5'端多样性调控的新模型，探明Dscam 5'端高度多样性在神经发育等重要生理过程中的作用。

果蝇唐氏综合症细胞黏附分子（Dscam）和脊椎动物原钙粘蛋白（Pcdh）是单基因位点产生蛋白同源异构体多样性的两个经典例子。黑腹果蝇Dscam基因通过可变剪接方式可产生多达38016种同源异构体，而脊椎动物Pcdhs通过选择性启动子实现蛋白多样性。最近，我们发现螯肢动物Dscam转录本5'端出人意料的多样性和复杂性，研究表明是通过可变启动子和可变剪接相结合的机制产生的，但是其调控机制和功能还不清楚。在项目执行期间，主要围绕sDscam高度多样性的鉴定、表达调控及其功能等开展较系统的探索，获得了前沿性进展。在已有研究基础上，探明sDscam转录本5'端多样性的组织和细胞表达模式（BMC Genomics, 2018），揭示了sDscam家族之间顺式（同一细胞内）和反式（不同细胞间）的相互作用及其在自我识别中的作用和分子机制，建立sDscam转录本5'端多样性的调控功能的新模型（PNAS, 2020）；阐明了sDscamβ复杂基因座表达的调控机制和功能；开展了螯肢动物sDscam在ΔDscam1果蝇突变体功能补偿的分析研究。此外还揭示Dscam亚型表达中抵抗“first-come, first-served”剪接原则的机制（Science Advances, 2022）；揭示Dscam可变剪接偏爱性在神经系统中作用（Cell Reports, 2021）。在项目执行期间，我们还发现了一类新型RNA二级结构平衡Dscam亚型的随机选择（我们称为“平衡RNA二级结构”）。通过体内突变分析揭示了这类RNA配对的双重功能：抑制近端外显子6的选择但增强远端外显子6的选择。此外，该研究还修正了教科书中关于介导Dscam可变剪接的RNA二级结构的部分错误描述（Molecular Biology of the Gene,第七版, 489-491页）。本项目已按计划高质量地完成了研究目标，并取得了重要创新性成果。部分研究工作已在PNAS, Science Advances, Cell Reports等著名期刊发表论文12篇（均为通讯作者），其中研究论文8篇（Cell和Science子刊各1篇，PNAS 1篇，均为通讯作者），多篇论文处于审稿修改中。培养博士生6名、硕士生4名、博士后1名。