microRNA上调蛋白质翻译分子机制的生物信息学研究与实验验证

MicroRNAs can upregulate translation of mRNA from repression. The upregulation mechanism of microRNAs is still hotly debated and remains an important unresolved open question because of the unknown for the interaction mode between microRNA and relative protein. Recently, miR369-3 was found to upregulate the translation of TNFα mRNA in quiescent (G0) mammalian cell lines. Knock down and immunofluorescence experiments suggest that microRNA-protein complexes (with FXR1 and AGO2) are necessary for the translation upregulation. Our previous research suggests that AGO2/FXR1 complex can help microRNA to relocalize to polysomes in G0. MicroRNA will form double strand complex with mRNA. Upon the binding of AGO2/FXR1 complex, the double strands can significantly be openned. Then polysomes can increase the translation efficiency of mRNA. This suggests that the interaction mode can help us to reveal the molecular mechanism of microRNA up-regulation translation of mRNA..Based on these previous works, we will choose the microRNAs and target mRNA which can upregulate translaton and validate by experiment. Then we will build the regulation network of microRNA and protein with text-mining and construct the structural modeling of microRNA:mRNA and protein complex for the hub node. Then multiple trajectories molecular dynamics simulaton in explicit solvent will be used to investigate the interaction mode between protein and microRNA. Furthermore, we will use the methods of biophysics and biochemistry to validate the results of bioinformatics. Finally, we will reveal the molecular mechanism of microRNA-dependent upregulation of translation.

MicroRNA（miRNA）除了基因沉默的功能外，也具有蛋白翻译上调功能。这一发现已经成为miRNA领域新的研究热点。由于缺乏对miRNA与蛋白质结合模式的认识，分子水平的翻译上调机制还是未知的。我们在前期研究中发现AGO2-FXR1复合物可以帮助miRNA重定向到多核糖体上，而且miRNA:mRNA双链在AGO2及FXR1的作用下存在明显的打开趋势，而多核糖体使打开双链的mRNA翻译速度加快。.本课题在我们前期研究的基础上，拟从实验确定的具有翻译上调功能的miRNA及mRNA出发，通过文本挖掘构建miRNA、mRNA与蛋白质的调控网络，对其中的关键节点，构建miRNA:mRNA及蛋白质的结构模型，通过多轨迹的分子动力学模拟研究miRNA在后转录水平调控蛋白质翻译的动力学过程。并利用结晶及蛋白质突变等实验验证miRNA与蛋白之间的作用模式，最终揭示miRNA上调蛋白质翻译的分子机制。

小RNA是在动植物中发挥重要基因调控作用的23-25核苷片段，其主要功能是基因沉默。但是最近在在非洲爪蟾的卵母细胞中发现miRcxcr4具有上调mRNA翻译的现象。而且基因敲除试验以及免疫共沉淀试验揭示小RNA与FXR1、AGO2的四元复合物对于翻译上调是必须的。但是分子水平的小RNA翻译上调机制还是未知的。为了加深对于该问题的理解，本项目采用分子模型分别构建小RNA与目标mRNA的双链RNA、双链ＲＮＡ与ＡＧＯ２的三元复合物、双链ＲＮＡ与ＦＸＲ１的三元复合物、双链ＲＮＡ与ＡＧＯ２及ＦＸＲ１的四元复合物，然后采用长时间的分子动力学模拟比较研究了双链ＲＮＡ在不同体系的构象变化，发现在四元复合物中双链ＲＮＡ存在解旋以及碱基打开的现象。结合试验观察以及模拟结果，我们总结出小ＲＮＡ上调ｍＲＮＡ翻译的可能机制。首先G０期的四元复合物重定向到多核糖体上，双链RNA解旋然后双链打开，最后多核糖体提高mRNA的翻译效率。I304N突变试验也部分证实了异亮氨酸在FXR1与小ＲＮＡ识别中发挥重要的作用。这些可能的上调机制对于加深小RNA依赖的翻译上调的理解具有重要的启示。对于该课题的研究结果及探索的相关方法发表五篇标注本基金资助的SCI论文。