非编码RNA在线粒体基因表达调控中的功能机制

Our recent study demonstrated that miRNAs can be selectively imported into the mitochondria where they up-regulate, rather than repress, mitochondrial gene expression to enhance muscle differentiation (Cell, 158:607-619, 2014). This work has been considered a major breakthrough in the field, which establishes a theoretical and technological framework to study regulated mitochondrial functions in development and disease (Cell 158:477-478, 2014). Taking advantage of these new advances we recently achieved, we propose to tackle some of the fundamental problems in the field. For example, a recent report suggests that the mitochondrial genome also produces various lncRNAs. We thus propose to focus on using the RNAi technology we established for the mitochondrial system to investigate how individual mitochondrial genome-encoded coding and non-coding transcripts contribute to muscle physiology, particularly the regulated production of ROS and its functional impact on muscle cell growth, differentiation, and fusion. Furthermore, we will also study the network of induced microRNAs during muscle differentiation by taking full advantage of our existing genome-wide Ago2-RNA interaction map determined by CLIP-seq. Through the series of the proposed experiments, we aim to uncover ncRNA-mediated crosstalk between nuclear and mitochondrial genomes during muscle differentiation.

因缺乏有效研究手段，线粒体基因组的表达调控还了解不多；线粒体基因组也转录产生非编码RNA，但它们的生物学功能及作用机制尚鲜为人知。我们最新的研究发现，miR-1与Ago2蛋白可转运入线粒体，参与激活线粒体基因表达并促进线粒体功能(Cell，2014)。该工作为线粒体领域的研究提供了新理论依据和研究手段，得到了国际同行的广泛认可。更重要的是，我们建立了siRNA下调线粒体基因表达的有效研究方法，可系统性地研究线粒体基因组的表达调控。本申请项目将以线粒体高度活跃的肌肉分化系统为模型，研究非编码RNA在此过程中的功能机制及调控网络；发现转运入线粒体的非编码RNA并鉴定它们在肌肉分化中的功能机制；探索由线粒体基因组衍生非编码RNA的功能机制。项目研究获得结果将揭示非编码RNA在线粒体基因组表达调控中的功能机制，拓展对细胞核与线粒体之间遗传物质相互作用的认识，并可能为线粒体相关疾病的诊治提供新靶标。

因缺乏有效研究手段， 对线粒体基因组的表达调控了解不多，我们利用小干扰RNA可以进入线粒体的优势发展了研究线粒体基因表达调控的技术手段。在该项目资助下，我们开展了“非编码RNA在线粒体基因表达调控机制的研究”，揭示了线粒体自身转录的非编码RNA和细胞质调控因子在线粒体基因表达调控中的作用机制。主要取得了以下进展：1）完成siRNA在线粒体中调控基因表达的机制研究，利用该策略发现线粒体电子传递链复合体I和复合体IV之间存在互相影响的关系；2） 关于线粒体中lncRNA的研究，我们发现lncRNA和对应的mRNA之间存在负相关性，在不同的组织中，mRNA水平越高其对应的lncRNA丰度则越低。此外还发现LRPPRC蛋白特异影响lncRNA的水平；3） 通过Puf蛋白特异识别RNA的特性，我们将Ago2蛋白导向结合在目的基因的mRNA上，发现Ago2能够特异增加目标mRNA的翻译水平。该项目的研究工作已经申请2项专利，并且获批一项，此外还有一篇论文正在Nature杂志修改中。