细胞重编程中非编码RNA与蛋白质相互作用的动态性质研究

A lot of studies confirmed that non-coding RNAs play very important roles in cell programming, reprogramming and epigenetics, and non-coding RNAs fulfill those functions through the dynamical interaction with proteins, DNAs or other non-coding RNAs. It is still not very clear how the dynamics of non-coding RNA affect its regulation on cell reprogramming. In the application, we use the interaction of Lin28 and Let-7 miRNA as an example to develop novel methods and strategies to study the dynamics of non-coding RNA, which combine the usage of molecular dynamics simulations and single-molecule manipulation techniques. Lin28 is one of the four factors to reprogram adult human fibroblasts to induced pluripotent stem cells. It can bind specifically to the pri- or pre- forms of Let-7 miRNA, which block their processing into mature miRNAs, thereby inhibit the repression of several genes involved in the maintaining of the pluripotency of stem cells. Based on newly solved Lin28/Let-7 complex structures, we proposed a model to describe the dynamic binding process of the two molecules, and the model has been supported by our preliminary molecular dynamics simulations. In this application, we plan to perform systematic studies to test our model and the method developed can be used to study more complex processes in cell reprogramming involving non-coding RNAs.

越来越多的研究表明非编码RNA在细胞编程和重编程以及表观遗传中起着非常重要的作用，这些作用主要是通过它们与蛋白质或其他核酸之间高度动态的相互作用来实现的。目前对非编码RNA，特别是调控细胞重编程过程的非编码RNA的动态特性还不是十分了解。本项目以Lin28和Let-7 miRNA的相互作用为研究对象，探索结合分子动力学和单分子操纵研究非编码RNA动态性质的方案。Lin28是把人成纤维细胞重编程为多能干细胞的四个因子之一. 它特异地与Let-7 miRNA前前体或前体结合使其不能被加工成熟，以阻断其对其他干性因子mRNA的抑制作用。根据Lin28/Let-7的复合体结构，我们提出了二者结合过程的动态模型，并得到初步的分子动力学模拟支持. 本项目中将对二者的相互作用进行更深入的研究以系统验证模型的正确性。本项目发展的方法可以用于细胞重编程中非编码RNA参与的更复杂相互作用的动态特性的研究。

本项目以在细胞重编程中起重要作用的Lin28因子和非编码RNA Let-7为主要对象，研究蛋白质与RNA特别是非编码RNA的相互作用特性。通过分子动力学模拟，我们发现自由状态的Lin28倾向于处于一个自抑制的闭合构象，在此构象状态，不能与Let‐7 稳定相结合，只有自发跃迁到开放构象后，才能与Let‐7 稳定的相互作用；而Let‐7 与Lin28 闭合构象之间可能会产生一些弱的瞬时相互作用，这些相互作用却可以促进Lin28从闭合构象到开放构象的变化，增强其与Let‐7 的结合能力。这一结果有助于理解Lin28对Let-7调控作用的分子机制。同时，我们还利用单分子力学方法研究了Argonaute对Let-7构象的影响，发现 Argonaute的结合降低了guide strand 与target strand 相互作用的能垒，表明RISC complex与target strand的结合不是简单的互补配对，而更类似于整体的protein-RNA相互作用。我们还进一步研究了crispr-cas系统中cas1-cas2蛋白与底物的相互作用，力图阐释crispr-cas基因编辑过程的分子机制。