基于小分子探针的活细胞内特定区域的RNA测序方法

The study of RNA has been one of the research focuses in biological science. It is very important to develop more RNA isolation methods to study the constituent, distribution and function. For example, for the research of ncRNA and RNA granule, which is the very hot topic, need the method to isolate RNA within a particular area. However, there is no way for RNA isolation like that. This project wants to develop an in vivo RNA proximity-dependent isolation, enrichment and sequencing method based on chemical probe by chemical biology principle, which is very significant for the study of RNA/protein interactions and RNA distribution inside of cell. This project is inspired by the proximity-dependent techniques for proteomics, and will modify the RNA firstly by chemical probes. This modification will add the function group of amino acid to RNA that make RNA similar with protein, which can be biotinylated by the enzyme used in proximity-dependent techniques for proteomics. Based on the fusion between RNA and protein, this technique can isolate and enrich the RNA around target protein in vivo, which is very useful for the solution of the biological questions in this project. In addition, it is also helpful for the new emerging field of RNA-chromatin interactions and RNA-RNA interactions, which contributes to the intensive study of some complicated biological events.

RNA是生命科学研究的热点，为了更好的研究RNA组成、分布和功能，需要开发更多RNA富集新技术。尤其是备受关注的RNA 颗粒和ncRNA的研究，需要分离富集特定范围内RNA的方法，然而这一方法目前还处于空白。本项目基于化学生物学的思路和手段，通过分子探针的参与，建立特定区域范围内RNA分离、富集及高通量测序方法，对RNA在细胞内空间分布以及RNA在蛋白/核酸相互作用的研究有着十分重要的意义。项目研究内容和思路为，借鉴蛋白质组学中特定区域蛋白质富集方法，通过分子探针对RNA进行修饰，使其模拟蛋白质带上氨基酸残基，因此可以在生物体内被酶催化并发生生物素化得到富集。通过酶与目标蛋白的融合，可以实现活细胞中目标蛋白附近特定区域内的RNA分离和富集，除了本项目所提及生物学问题外，还将对RNA-染色体相互作用、RNA-RNA相互作用等这些新兴领域提供技术基础，有助于实现一些复杂生命活动的深入研究。

RNA的研究是当今生命科学发展最为迅速的前沿领域，它不断更新了人们对生命的认识。在RNA研究带领生命科学向纵深发展过程中，技术的发展是前提和保障。基于化学探针的RNA化学生物学研究技术，可以对传统生物学手段进行补充，在一些特殊的生物学问题上有着独特的优势。本项目设计合成了化学探针N3-kethoxal，开发了一种转录组RNA二级结构的测序技术Keth-seq。此外，当N3-kethoxal在细胞内对RNA的快速标记后，叠氮基团可以进一步与含DBCO的各种基团发生click反应，实现RNA的二次“化妆”，如荧光标记，或者与DBCO-苯酚探针反应增加RNA在邻近标记技术中被APEX2催化标记的效率。除了小分子辅助外，项目还基于代谢标记的策略，通过4-巯基尿嘧啶的加入增加邻近标记策略中APEX2标记RNA的能力。同时，本项目还对RNA表观遗传修饰进行了系统研究，开发了相应的RNA m6A单碱基分辨率检测方法、干预技术和病毒感染过程的临床研究。在本项目的资助下，在Nat Chem Biol，Nat Commun, J Am Chem Soc等期刊上发表论文16篇，并以第二完成人获得2020年湖北省自然科学奖一等奖一项。本项目的研究成果提高了RNA邻近标记技术的标记效率，有望在RNA时空分布解析中得以进一步的应用。