核糖开关结构的开关特性与调控机制

Riboswitch and RNAi are known as the two important discoveries about RNA during the past ten years. It can regulate the gene expression not only in the transcription process but also in the translation process, and meanwhile it has extraordinary ability to discern the ligands and would be an applicable biology sensor. Although there are many studies about the riboswitch recently, there are a few key problems still not understood. e.g. (1) the mechanism of riboswith dicerning the ligands with high efficiency and specificity. (2) the dynamical mechansim of ligand binding riboswitch: How do the structures of the riboswitch transit before and after the ligand binding and then regulate the gene expresion? Is the regulation goverened by therodynamics or kinetics or both of them? Using the macro-dynamic methods founded by ourselfves and MD methods, this project will theoretically study the switch properties and regulation mechanism of two type riboswitches.

核糖开关和RNA干扰一道被称为近十年RNA的两个重大发现，它不仅可以进行转录调控而且还可以在翻译进行基因表达调控，同时它们能特异性识别或选择配体，是一种具有应用价值的生物传感器。尽管近期的实验和理论研究对核糖开关的结构与动力学调控基因表达进行了比较深入的研究，仍然有一些关键问题没有解决，如（1）核糖开关对小分子代谢物的分子识别机制： 核糖开关如何实现识别配体的高特异性和高敏感性？（2）核糖开关结合配体的动力学机制：核糖开关结合配体前后的构象如何变化？结合代谢物后如何调整空间结构并调控基因表达？这种调控究竟是热力学还是动力学控制或者是一种联合控制？本项目针对二类典型的核糖开关分子，结合我们自己建立的RNA宏观动力学和分子动力学方法，从理论上深入地研究核糖开关结构的开关特性及调控机制。

核糖开关一般位于受控基因的非编码区或者高等动物内含子区，包含适体域和基因表达单元。适体域序列具有高度保守性，负责特异性的识别并结合配体，而表达单元主要是通过构象变化在转录、翻译、剪接水平上对下游基因进行调控。由于转录过程中构象形成和转换的动态过程难以确定，核糖开关的调控机制以及这些因素对其生物功能的影响也并不清楚。完整的揭示核糖开关不同调控图像和机制，可以为以后基因功能研究、生物传感器和新型生物开关的设计提供理论基础。在本项目中我们建立了RNA与配体结合的转录折叠动力学方法，并结合分子动力学研究了pbuE腺嘌呤，addA,SAM-Ⅰ、SAM-III，FMN核糖开关在不同条件下（转录速率、暂停、配体浓度）的转录折叠及其调控机制，得到了如下的结果:发现在pbuE核糖开关的转录折叠过程中，没有出现错误折叠的势阱态；结合配体的功能结构的形成主要由配体与RNA的结合过程的动力学控制，配体浓度，转录速率及转录暂停共同调控开关行为； 发展了转换节点近似方法，该方法能有效处理并研究长链mRNA的转录折叠动力学问题，利用转换节点近似同主方程相结合的方法，我们研究了yitJ和metF核糖开关在不同转录条件下的折叠行为。同样都属于SAM-Ⅰ核糖开关，yitJ和metF核糖开关具有在转录水平并采用动力学调控的核糖开关的共同点，但它们的转录行为和调控机制并不完全一样。yitJ核糖开关采用动力学和热力学相混合的调控机制，而metF核糖开关是单纯受动力学调控的核糖开关。对于热力学调控的可逆ＳＡＭ－III核糖开关，其开关路径为隧道路径；我们预测了不同转录条件下FMN核糖开关的转录折叠行为。基于这些研究结果，建立了带负反馈环的FMN核糖开关动力学调控模型。结果显示，负反馈环可以加快系统反应时间，使得系统的配体浓度处于一个稳定水平。利用宏观动力学和分子动力学相结合的方法，研究了addA核糖开关的调控行为，表明该热力学调控的核糖开关配体结合有助于开关实现结构转变