裂殖酵母多胺代谢途径中新型核糖开关的研究

Riboswitches are non-coding mRNAs that regulate the expression of biosynthetic genes by binding small molecule metabolites or ions to control gene expression. Polyamines are essential for multiple cellular functions for all forms of life. Polyamine biosynthesis pathway is closely linked to many human diseases such as cancer or neuron degenerated diseases, aging or stress response. This project proposes to identify riboswitches in the UTR of key enzyme of the polyamine biosynthesis pathway, which would bind to polyamine to control the gene expression of the key enzyme in the pathway. The new riboswitches will be a new mechanism for regulation of gene expression in fission yeast. This work will reveal the importance of polyamine biosynthesis pathway and will shed light on the understanding of the polyamine biosynthesis pathway that is closely related many human diseases. This study will pave foundation for curing these important human diseases.

核糖开关是存在于mRNA非编码区域并且具有调控基因表达功能的RNA序列，这类RNA能够特异性结合代谢小分子、离子或者感应周围环境的变化从而调控基因表达。多胺是所有生物细胞中有着重要的生物功能的小分子，多胺代谢途径直接和多种人类重大疾病如癌症、神经退行性疾病、衰老和细胞对环境胁迫的响应等密切相关。本项目试图在裂殖酵母多胺代谢途径中关键酶的mRNA非编码区域寻找具有调控关键酶基因表达的核糖开关序列，这一特殊的RNA能与多胺类配体小分子相结合，通过RNA高级结构的改变调控关键酶基因的表达。本项目将通过寻找并证实新型核糖开关的存在，深入研究裂殖酵母这一真核生物基因表达和调控的新的机理，同时这项研究将借助揭示裂殖酵母多胺代谢途径中关键酶的基因表达和调控的机理，更进一步认识多胺代谢途径的重要性，更全面地了解多胺代谢途径的生物学和生理学功能，最终为临床治疗人类多种重大疾病提供理论依据。

多胺(polyamine)包括丁二胺(putrescine)、亚精胺(spermidine)和精胺(spermine)等,在低等到高等生物中分布非常广泛,具有重要的生物功能。它们是多胺代谢途径中合成和代谢的主要 成分,直接或间接地参与细胞生长,生存,增殖和分裂等重要的细胞过程。多胺代谢途径直接和人 类多种重大疾病如癌症和神经退行性疾病等密切相关,它也与衰老和细胞对环境胁迫的响应有着直接关系。裂殖酵母多胺代谢途径中包括多种关键酶如鸟氨酸脱羧酶,S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶, 亚精胺合成酶,精胺合成酶等。有研究表明, 亚精胺主要在 RNA 水平上调控相关基因的表达。亚精胺在生理状态下带正电荷,可以中和局部生理环境中的带负电的分子,与DNA、RNA、ATP 和蛋白质等相互结合,参与细胞内的多个生理过程。亚精胺在细胞中的浓度是通过多胺代谢途径降解和运输来严格调控的。亚精胺的分子结构和化学特征引示它很可能是一个极好的潜在的可与核开关结合的效应小分子配体。我们课题的目标是重点在裂殖酵母多胺代谢途径中寻找和验证可以以亚精胺作为配体小分子的核糖开关。实验内容和结果以及数据如下：.1. 找到裂殖酵母多胺代谢途径中的关键酶SPE2非编码区中的RNA序列。.2. 通过构建报告基因的质粒检测证实SPE2RNA序列能在体内特异地应答亚精胺的诱导，而结构类似物则不能诱导报告基因的表达。.3. 利用表面等离子体共振光谱(SPR)的方法在体外证实了RNA序列和亚精胺的结合及其特异性。.4. 利用RNA化学探测方法预测RNA二级结构，选用了DMS 或 NMIA (SHAPE)，Cross-linking 和OsO4的方法，发现RNA的空间结构在亚精胺存在的条件下有改变。.5. 用生物信息学的软件在酵母的其他亚种中找到类似的结构。.6. 通过对RNA进行突变分析,检测突变体RNA对报告基因表达的影响,突变体RNA和亚精胺的结合以及突变体 RNA 化学探测进一步验证了RNA结构和功能上的重要性。.我们的实验结论是SPE2非编码RNA是裂殖酵母中能于亚精胺结合并调节其代谢通路的核糖开关。这是真核生物中发现的第二个核糖开关，是与多氨代谢途径相关的多种重大人类疾病的重要理论基础。