RNA结构的多维氢检测固体核磁共振新方法

Structure determination on large RNAs is a formidable challenge in the field of structural biology. Most RNAs contain flexible segments and are difficult to form large 3D crystals, limiting the applications of traditional structural biology tools. The development of RNA structures largely lag behind that of other biomacromolecues. This project aims in the methodologies advancement of RNA structure characterization by solid-state NMR spectroscopy. A RNA fragment corresponding to the dimerization initiation site of the HIV genome will be applied as a model system to develop solid-state NMR methods. We will develop the non-crystalline RNA solid-state sample preparation approach. Selectively 2D labeling approaches joint with fast magic angle spinning solid-state NMR spectroscopy will be applied to develop the three dimensional proton-detected solid-state NMR spectroscopy and to facilitate in collecting long-range distance restraints for structure determination. This project will advance multiple solid-state NMR methods, which would support RNA structure characterization.

RNA三维结构以及结构-功能关系是目前的学术前沿和热点课题。RNA柔性大、难结晶，其结构研究严重滞后于其他生物大分子，亟需发展新的结构分析手段。此项目中，我们将以建立高效、快速、普适的RNA三维结构解析的氢检测固体核磁共振方法学为研究目标。以HIV病毒二聚引发位点RNA为模型，发展适用于固体核磁共振研究的非结晶RNA固体样品的制备方法，提高固体核磁共振研究RNA的普适性；发展基于PAIN和PAR机制的，长程距离约束采集实验技术，提高结构分析的研究效率；以及建立快速魔角旋转条件下、三维氢检测固体核磁共振实验方法。通过设计的三维固体核磁共振实验，并结合同位素标记策略和快速魔角旋转实验技术，建立RNA结构的氢检测固体核磁共振方法学体系，并完成HIV病毒二聚引发位点RNA片段的结构解析。本课题深入发展固体核磁共振研究RNA结构的实验技术，为未知RNA三维结构解析提供新的研究思路。

RNA三维结构以及结构-功能关系是目前的学术前沿和热点课题。RNA柔性大、难结晶，其结构研究严重滞后于其他生物大分子，亟需发展新的结构分析手段。此项目中，我们将以建立高效、快速、普适的RNA三维结构解析的氢检测固体核磁共振方法学为研究目标。在本项目实施过程中，我们以HIV病毒二聚引发位点RNA、核糖开关RNA、以及与渐冻症相关的（GGGGCC）5凝胶RNA为案例，发展了一系列适用于RNA研究的固体核磁共振研究原创性新方法。其中包括，发展了基于乙醇沉淀的非结晶RNA固体样品的制备方法，提高固体核磁共振研究RNA的普适性。原创性发明了一系列基于氢检测技术的多维固体核磁共振的脉冲序列，包括hCHNH，WaterREXSY，1H-15N-TEDOR（以及包含频率选择性的TEDOR）等，实现了RNA固体条件下的结构-动态表征。首先，这些脉冲序列，实现了长程距离约束采集，有效地检测了结晶RNA， 非结晶RNA，凝胶RNA中的氢键信息，并首次实现了凝胶中聚集态RNA的结构表征。此外，通过弛豫信号优化的方法，建立了快速检测的固体核磁共振技术,1H-15N-LHSQC技术，实现了RNA固体核磁共振信号2倍的增强。在RNA动态学性质领域，通过WaterREXSY实验，于国际上首次实现了固体状态下，RNA中弱稳定性碱基对的表征，实现了从0到1的突破。在此项目的支持下，部分学术成果已发表，学术论文8篇（其中国内期刊2篇），申请专利8项，已授权4项。在人才培养方面，培养博士后１名，博士研究生毕业3名，硕士毕业1名。课题研究成果，获北京市分析测试科技成果及青年人才成长评价论文一等奖。并在多个国内、国际重要学术会议进行宣讲。