维生素B12核糖开关调控机制的研究

The vitamin B12 riboswitch located within the btuB mRNA in Escherichia coli, and a new vitamin B12 riboswitch in eut genes of Enterococcus faecalis, were found to regulate gene expression in response to vitamin B12. But the eut vitamin B12 riboswitch also sensed ethanolamine. This suggested that the riboswitch-mediated gene expression was linked to their structures, but also to the gene regulatory network. Despite many successful research studies in the field of the riboswitch, the regulation mechanisms and their actions in cells remain unclear: 1) What the co-transcription folding pathways and their controversial functional structures are really about? 2) Is their regulation kinetic, thermodynamics or a combination of both? What will affect their switch efficiency? 3) How do the riboswitches sense environmental change to response in time by the regulation network? In this project, we will develop the computational method of cotranscription folding of long RNA chains with pseudoknots, to predict the cotranscription folding behavior of the two riboswitches. Based on the conformations formed during the transcription process and the genes regulated by the riboswitches, We will establish the regulatory networks of the two vitamin B12 riboswitches. We will combine the ligand binding kinetics, cotranscription folding kinetics of RNAs with gene expression kinetics at the level of network, to make a deep and systematic study into the regulation mechanism of the riboswitches in bacterias.

位于大肠杆菌btuB mRNA的维生素B12核糖开关和粪肠球菌eut 基因的维生素B12核糖开关都感应维生素B12，但后者还需感应乙醇胺来调控基因表达，表明核糖开关的调控作用不仅与自身结构有关，还与所处调控网络有关。研究维生素B12核糖开关对于揭示细菌适应环境变化的作用机制至关重要，有关维生素B12核糖开关的研究取得许多进展，但仍有很多关键问题并未解决：1）该核糖开关的折叠路径及存在争议的功能结构是怎么样的？2）其调控是热力学、动力学还是联合调控？开关效率与哪些因素有关？3）它们如何通过调控网络感应环境变化从而及时做出相应的应答？本项目将发展包含假结的长链RNA转录折叠方法研究这两种核糖开关的转录折叠行为，得到完整的调控图像。根据转录过程中的结构及调控基因构造调控网络，在网络水平上将配体结合动力学，RNA转录折叠动力学和基因表达动力学相结合，系统研究维生素B12核糖开关在生命活动中的作用。

核糖开关，通过与代谢产物或其他配体小分子相结合引起构象变化来调控基因，从而实现将基因表达与周围环境建立起联系。作为一种功能性的mRNA，核糖开关的调控作用不仅与自身结构有关，还与所处调控网络有关。有关核糖开关的研究取得许多进展，但仍有很多关键问题，比如核糖开关的调控图像、功能结构、开关效率等，并不清楚。本项目进一步发展包含假结结构的长链RNA的转录折叠预测方法，并以yjdF和TPP核糖开关为例，研究核糖开关的功能结构、开关特性和调控特性，以揭示核糖开关在细菌适应环境变化方面的作用机制。我们的计算结果显示在yjdF核糖开关的转录过程中，当适体域形成以后，有两条折叠路径。当配体浓度较低时，适体域结构会被破坏，该核糖开关通过形成了一个长的假结结构，抑制翻译过程的开始。当配体浓度较高时，适体域结构结合配体，形成结合态结构，yjdF蛋白可以正常的被翻译出来，从而防止较高的配体浓度损伤细胞。其开关效率与配体浓度，配体结合与解离速率、转录过程、mRNA的降解速度等因素有关。与动力学调控的yjdF核糖开关不同，位于NMT11基因上的TPP核糖开关，体现出不同的调控特点。无论配体浓度如何，在转录过程中该TPP核糖开关不形成适体域结构，迅速的折叠成ON态结构。其开关效率与转录过程关系不大，主要受配体浓度的影响。与SMK核糖开关一样，其P0螺旋对于该核糖开关的开关功能至关重要。.利用该理论方法，我们还对HDV的致病机制进行了研究。我们的研究结果显示，HDV上游和下游序列直接影响HDV激活态的形成。除此之外，受RNA结构对生物功能实现重要性的启发，利用动态规划算法, 我们发展了评价RNA 三级结构相似度的算法，提出了评价RNA三级结果相似性的指标，开发了RNAalign软件和相关的websever。