建立解析非编码RNA溶液结构的新方法

Non-coding RNA is a kind of important signal molecules with regulation functions. It is hard to analyze the structure of non-coding RNA through traditional structural biological approach, because of their flexibility and variety of structures. The shortage of method for structure study limits our perceive for the non-coding RNA function. Recently, we develop a solvent paramagnetic relaxation enhancement (sPRE) method for the study of protein structure, which improved the traditional PRE technology, with advantage of no need for connecting paramagnetic probe, handiness and cost effective. Preliminary experiment indicates that the sPRE can be used to analyze the structure of RNA, but several issues remain: (1) design and synthesis sphere-like probe which may not interact with RNA; (2) develop the NMR pulse sequence and sampling technology; (3) develop the theoretical computation method and structural analysis for sPRE. Here, we will solve these issues and establish a new approach for the study of non-coding RNA structure, using HIV-1 TAR RNA as the model, based on our experience of protein structure study and the molecular dynamic simulation of non-coding RNA. The implement of this project will provide a excellent tool for the structural study of non-coding RNA, and will help us investigate the biological function of non-coding RNA.

非编码RNA是一类具有调控功能的重要信号分子，由于其柔性较大、结构多变，很难用传统的结构生物学手段解析其结构。研究方法的严重缺乏制约了我们对非编码RNA功能的认知。最近，申请人发展了一种用于蛋白质结构研究的溶液顺磁弛豫增强技术（sPRE），该方法是在传统PRE方法上的改进，其优点是不需要连接顺磁探针，操作方便且成本低廉。预实验表明，sPRE方法可用于RNA结构的解析，但需解决几个问题：（1）设计合成呈球形、与RNA无相互作用的新探针；（2）改进NMR脉冲序列和采样技术；（3）发展sPRE的理论计算和结构分析方法。本项目拟通过解决这些问题，结合我们在蛋白质和非编码RNA结构研究方面大量的工作积累，以HIV-1的TAR RNA作为模型分子，建立能够广泛应用于非编码RNA结构研究的新方法。本项目的顺利实施将给非编码RNA的结构研究提供一个极佳的手段，对于揭示非编码RNA的生物学功能有重要的意义。

非编码RNA在生物体内扮演着一系列重要的调控作用，对非编码RNA结构的研究和解析将有助于揭示其功能的微观机制。然而受到研究手段的制约，目前对于非编码RNA结构的研究和解析仍然十分有限，远远落后于蛋白质的结构研究，这也极大限制了我们对其功能的认知。通过本项目的实施，我们建立和发展了溶液顺磁弛豫增强用于研究生物大分子结构和动态学的新方法，并成功准确表征了多种蛋白质和非编码RNA体系的结构特征。同时，我们还发展了整合核磁共振和冷冻电镜技术研究非编码RNA结构的新方法。发展了基于化学交联-质谱分析(CXMS)，以及在此基础上整合小角X射线散射(SAXS)、单分子荧光(smFRET)的手段研究蛋白质动态结构的新方法，并经逐步推广扩展到非编码RNA的研究中。另一方面，本项目执行期间发展了一系列新的研究方法并得到了国内外同行的认同和广泛关注，包括开发一系列溶液顺磁探针被国内外同行索取和使用，发展一系列的计算和分析方法提供给同行免费下载使用，将我们的结构研究方法嵌入到主流的结构计算软件Xplor-NIH中等，进一步扩展了新方法的应用范围和影响力。在本项目的资助下，我们共发表研究论文9篇，另有多篇论文正在撰写与投稿中，协助培养博士研究生2名，硕士研究生2名。