恶性疟原虫原核样RNA聚合酶的结构与功能研究

Malaria is one of the most serious infectious diseases with over 200 million clinical cases annually. Most cases of the severe disease are caused by Plasmodium falciparum. Besides RNA polymerase I, II, III and mitochondrial polymerase, which are widespread in eukaryotes, there is an additional RNA polymerase called RPOpf in Plasmodium falciparum in its apicoplast. RPOpf comprises the subunits β, β’and β’’, which are encoded by rpoB, rpoC and rpoD on a circular DNA, respectively. In this project, we aim to learn its function structurally. First, we plan to solve the three-dimension structure of RPOpf at atomic-level resolution using cryo-electron microscopy (Cryo-EM) method; Secondly, based on the specific three-dimensional shape, we could analyze the atomic coordinates, how they are assembled and interact, surface topographs, molecular surfaces, electrostatic potentials, and etc.; Thirdly, the in vitro transcriptional assay will performed to explain the function and mechanisms of this particular type RNA polymerase. These observations will elucidate the transcriptional mechanism structurally in apicoplast and also allow the rational design of small molecules that manipulates its function and therefore have powerful therapeutic potential.

疟疾是一种由寄生虫引起的威胁生命的疾病，全球每年有超过2亿例临床病例。其中数恶性疟原虫危害最大。恶性疟原虫中除了含有真核生物转录所需的RNA聚合酶I，II，III，以及线粒体RNA聚合酶，其顶质体还包含了一种原核样RNA聚合酶（RPOpf）。RPOpf由β，β’和β’’三个亚基组成，分别由顶质体内环状DNA上面的rpoB，rpoC和rpoD基因编码。本项目拟利用结构生物学的手段去研究RPOpf的生物学功能。首先，我们计划利用冷冻透射电镜（Cryo-EM）技术在微观尺度上精确地获得的RPOpf的三维结构；其次，通过分析RPOpf的三维结构，了解其原子与分子组合方式，及其表面带电、亲疏水，以及氢键作用位点分布等理化性质；第三，依据体外转录实验来揭示这种特殊的RNA聚合酶的生物学功能以及转录机制。这些发现将会从结构上阐明顶质体内的转录机制，同时也能为寻找新的有效抗疟疾药物提供重要的思路。

恶性疟原虫顶膜复合体中有一种疟疾特有的、由环状DNA编码的原核样RNA聚合酶（RPOpf），RPOpf与细菌编码的原核类的RNA聚合酶在序列上具有高度保守性。本项目拟利用冷冻透射电镜技术去解析RPOpf的三维结构，在微观尺度上精确地获得RPOpf的形状，原子与分子组合方式，及其表面带电、亲疏水，以及氢键作用位点分布等物理性质。我们分别利用原核表达系统、昆虫表达系统以及哺乳动物表达系统对复合物进行了表达，并且优化了了表达条件。但是最终表达的复合物的量不足以后续步骤。我们同时解析了人源RNA 聚合酶III的不同状态的结构，并研究了其转录机制。我们还研究了新型冠状病毒SARS-CoV2 Omicron 株的SPIKE蛋白与受体以及抗体复合物的结构。阐述了抗体JMB2002具有广谱抗新冠病毒的分子机制。并且探讨了Omicron潜在的进化路径，这对预防和控制新冠疫情具有一定的指导作用。此外，我们还研究了促甲状腺激素释放激素激活其受体的分子机制。通过冷冻电镜解析了TRHR结合TRH，以及下游Gq蛋白复合物的结构。结合配体结合和细胞功能分析，揭示了TRH和TRHR结合口袋的精确结合模式，同时，我们还从结构的角度解释了TRHR的突变导致疾病的原因。也为靶向TRHR的药物设计提供了新机遇。