RNA动态结构及多维相互作用研究

RNA usually needs to form intricate tertiary structures and then interacts with other molecules, including RNA, DNA, and proteins, to regulate many complicated biological processes. Beside the protein-coding information carried by the primary sequence, the flexibility feature makes RNA ideal for carrying more genetic information via structural dynamics. However, the in-situ higher-order structures and spatial interaction of RNA remain unknown. To systematically study the functionality of RNA structural dynamics and multi-dimensional interactions, we will not only develop RNA structure mapping methods that are suitable for small cell numbers but also optimize icSHAPE, PARIS and RIC-seq methods to map high spatial and panoramic RNA interaction networks. With these efforts, we hope to systematically annotate the structural component buried in non-coding RNAs. In addition, by integrating all the RNA spatial information, we aim to develop a new computational system to precisely model RNA structures and spatial interactions. Moreover, we will build up a database for data visualization. Among the RNA structural dynamics during development and differentiation, we will elucidate the functionality for several non-coding RNAs, especially circular RNAs. Combined with the proposed non-coding RNA imaging technology in living cells, we hope to unravel the spatial regulatory rules of non-coding RNA in genetic information flow.

RNA在体内往往形成复杂的高级结构并通过与其他生物大分子如RNA、DNA和蛋白质相互作用，以调控复杂的生物学过程。除了一级序列所携带的编码信息外，RNA的柔性特征使得其可以通过结构的动态变化携带更多的遗传调控信息。我们目前对RNA的原位高级结构和空间相互作用规律还知之甚少。为了研究RNA动态结构和多维度相互作用的功能性，我们将开发多种微量细胞RNA结构测序新技术，并利用icSHAPE、PARIS和RIC-seq绘制高时空分辨率和全景式RNA空间作用网络，系统注释非编码RNA所携带的结构元件信息。此外，通过整合RNA空间位置信息，发展RNA结构和空间作用模拟新体系，实现RNA高级结构的准确预测和可视化呈现，并阐明发育和分化过程中若干非编码RNA，尤其是环形RNA，结构动态变化的功能性。结合拟开发的活细胞非编码RNA动态成像技术，本项目有望从空间结构的层面阐释以非编码为核心的遗传调控新规律。

RNA分子在体内往往形成复杂的高级结构并通过与其他生物大分子如RNA、DNA和蛋白质相互作用，以调控复杂的生物学过程。除了一级序列所携带的编码信息外，RNA的柔性特征使得其可以通过结构的动态变化携带更多的遗传调控信息，从而影响生命健康。我们目前对RNA动态结构和空间多维相互作用的规律及功能性还知之甚少。针对该科学难题，本集成项目近三年来发展了低起始量、高时空分辨率的RNA结构及空间相互作用研究新技术和计算新体系，围绕早期胚胎发育、免疫激活和神经细胞分化等生物学过程，系统解析了非编码RNA的体内结构及相互作用动态变化谱, 并发展了针对非编码RNA的成像新方法，阐明了发育、分化和癌变过程中非编码RNA结构动态变化的功能性，从结构层面揭示了以非编码为核心的遗传调控新规律。本集成项目取得了丰硕成果，共发表SCI论文79篇（其中IF>10论文48篇，包括Nature 1篇、Cell 2篇，ESI高被引论文9篇），申请国家发明专利14项（授权4项）。在人才培养方面，共培养四位青年骨干获得“国家杰出青年科学基金”资助。本项目取得的代表性成果有：1. 创建了RIC-seq、vRIC-seq、smartSHAPE等RNA结构和空间互作解析新技术，阐明了RNA构象调控基因表达的新机制（Nature 2020, Nat Commun 2021, Fundamental Research 2021）；2. 在环形RNA注释、定量和结构研究方面取得系列方法学突破（Nat Biotech 2021，Genome Biol 2020，Nat Methods 2020, Nat Commun 2020a、2022b，Mol Cell 2022）；3. 在SARS-CoV-2 RNA结构和致病机制研究方面取得引领性突破，系统阐明了病毒基因组RNA在病毒颗粒内和感染细胞中结构动态变化的功能性，并利用单细胞RNA-seq阐明了新冠病人的免疫特征 (Cell 2021a、2021b, Cell Res 2021)；4. 在RNA多维相互作用可视化方面取得重要进展，构建了RASP、CircAtlas、piRBase数据库 （NAR 2021、2022；Genome Biol 2020）。以上系列原创性技术的创建、RNA原位高级结构的解析和动态功能研究极大地提升了我国在非编码RNA领域的国际影响力。