极端微生物Argonaute蛋白独特催化特性及功能进化的系统研究

Recently, extremophiles Argonaute proteins (Agos) were revealed that the function is different with most eucaryon which bind small interference DNA/RNA (siDNA/RNA) around 15-31nt. Majority of extremophiles Argonaute proteins possess cleavage catalysis activity for target DNA/RNA with guiding by guide siDNA/RNA. Discovering its enzymatic evolution and regulatory mechanism properties which are different from normal nucleases, recognize specific sequence only, can work on random sequence with high-efficiency point cleavage characteristic. Not only the new perspective of physiological action but also the technology of disease prevention and therapeutic process can be provided. In this project, we are going to start from extremophiles Argonaute protein system to find the binding property of end group and base in guide siDNA/RNA, even the cleavage catalysis property of types of target DNA/RNA. Revealing the divergent evolution system through sequence, 3D structure and biological function explores the relationship between functional diversity and Extreme environment adaptability. To confirm the “switch” regulatory function area of binding and cleavage property in molecular level develops a new theoretical system of gene regulation.

极端微生物的Argonaute（Ago）蛋白与大多数真核生物结合siDNA/RNA（约15-31nt）功能不同，它们大多具有与guide siDNA/RNA结合并引导对target DNA/RNA剪切的催化特性，探索其异于常规核酸酶（仅识别特定序列）针对任意序列核酸底物及高效定点切割特性的酶分子进化和调控机制，不仅为探索生物体多样化的细胞免疫防御等生理作用提供新视角，也将为疾病预防及治疗过程提供新技术。本项目拟从极端微生物Ago蛋白的系统分子进化入手，深入挖掘Ago蛋白所具有的guide siDNA/RNA末端基团及碱基识别特性、不同类型target DNA/RNA剪切活性的催化特性，揭示其系统趋异进化规律，发现其功能多样性与极端环境适应性的关系，并确定其在核酸结合特性与剪切特性功能间转换的调控机制，以发展基因调控新理论体系，为指导设计低脱靶、高保真的新型Ago蛋白奠定理论和技术基础。

原核Argonaute（Ago）蛋白具有在短链guide引导下、对配对靶标核酸进行结合或剪切特性。极端嗜热微生物（hyperthermophiles）Ago蛋白具有序列、结构及催化特性的多样性，预示着更多的奇妙生物遗传调控多样性及复杂性。与CRISPR/Cas技术相比，其剪切活性不需要特定识别序列，大大拓宽了靶标位点的选择范围。本项目对嗜热古菌Ago蛋白功能多样性及酶学机制开展系统研究，揭示了不同来源Ago蛋白的核酸选择性机制，发现了高温Ago蛋白对单碱基差异靶标序列精准识别的规律，并设计开发了新型核酸检测技术，实现了与常规PCR偶联的单管多重SNV核酸检测，为肿瘤突变基因快速筛查提供支撑；揭示高温Ago酶次级剪切机制，实现对HPV病毒、新冠病毒等临床样本的高灵敏度多重检测。通过对极端微生物Ago蛋白进行酶学研究，在此基础上发展低脱靶、高保真的新型基因检测技术，显示了其在基因编辑、基因诊断及遗传疾病治疗等分子生物学和医学领域的应用潜力。