基于数学建模的酵母5′非翻译区调控机制研究

The mechanism of protein translational regulation is one of the most fundamental and essential issue of life science. The 5′untranslated region (5′UTR) of mRNA plays an important role on translational regulation, but the mechanism is not clear. We have established a system, based on FACS and DNA Assembler, to test the translational level resulted from a single 5′UTR of Saccharomyces cerevisiae. In this study, we will employ this system to test translational strength of random 5′UTR sequences，and with these data, to establish a mathematic model to describe and predict the translation strength of any 5′UTR sequence. On the other hand, we will employ this system to test 910 native 5′UTRs of S.cerevisiae, ranging from 10 bp to 100 bp, and screen new regulatory elements by model prediction and informatic analysis. In this project, we will conduct both wet experiments and dry experiments to study the regulatory mechanism of 5′UTR, which is meaningful for translational regulation study, and will accelerate the progressing of diseases control and synthetic biology.

蛋白翻译调控机制是生命科学核心问题之一。mRNA上5′非翻译区（5′UTR）在翻译调控过程中扮演重要角色，但具体机制尚不明确。本项目以酿酒酵母为研究对象，以DNA组装器和流式细胞术等技术为基础，建立5′UTR高通量表征体系，一方面测定大量随机5′UTR序列的翻译水平，利用所得数据建立5′UTR随机序列-翻译强度数学模型，以揭示5′UTR碱基分布对翻译强度的影响规律；另一方面对酿酒酵母天然5′UTR进行表征，利用所构建的数学模型辅助信息学分析，并结合实验验证来挖掘新的调控元件。本项目采用实验表征、数学建模和信息学分析相结合的手段，研究5′UTR调控机制，对明确蛋白翻译调控过程具有理论意义，并对疾病防控及合成生物学发展具有促进作用。

蛋白翻译调控机制是生命科学核心问题之一。mRNA上5’非翻译区（5’ UTR）在翻译调控过程中扮演重要角色，但其具体调控机制尚不明确。本项目针对5′ UTR调控机制不清晰，调控元件难发现的科学问题，采取基于5′ UTR随机突变与数学建模相结合的研究手段，深入分析5′ UTR调控蛋白表达的机理，发现了多碱基互作调控的科学现象，构建了基于碱基互作的数学预测模型，为5′ UTR调控机制的进一步解析奠定科学基础。本课题研究中建立并优化了5′ UTR表征体系，使表征效率大幅提升，分析鉴定了大量5′ UTR突变体翻译水平，为5′ UTR调控机制研究提供了大量素材；分析了5′ UTR影响蛋白表达水平的特征，发现并提出了5′ UTR中存在多碱基相互作用的现象，并据此建立了基于偏最小二乘法和碱基相互作用的数学模型，用以揭示5′ UTR调控机理，模型精确度达到0.71；表征了部分酵母内源基因5′ UTR强度，新发现了22种存在互作的碱基组合，为进一步研究相互作用机制提供了素材；建立了5′ UTR定向进化策略，能够定向提升5′ UTR元件调控能力，为5′ UTR元件挖掘及其在基因调控中的应用奠定基础；此外，该研究成果可应用于外源基因表达中，提高目的蛋白翻译水平，以此构建酿酒酵母细胞工厂，实现了山奈酚、灯盏花乙素、根皮素等天然产物的生物合成。本课题研究取得丰富成果，发表高水平研究论文3篇，其中SCI收录3篇，累计影响因子12.97，申请专利2项；培养博士研究生1人，硕士研究生2人。本项目采用实验表征、数学建模和信息学分析相结合的手段，研究5′ UTR调控机制，继承并拓展了现有调控理论，丰富了基因表达调控知识与手段，对蛋白翻译调控机制具有新贡献，获得了一系列科研成果，达到并超越了项目预期目标。