翻译过程中核糖体对mRNA结构动态变化的影响及可视化实现

mRNA primarily exist as a single-stranded molecule in organisms, prone to folding back on itself. It emerged to play a critical role in the regulations of gene expression, including translation efficiency, subcellular localization of mRNA as well as co-translation folding of protein etc. However, the effect of ribosome movement on the dynamic change of mRNA structure during translation is not clear yet, primarily to limit the understanding of the function of mRNA structure in translation regulation mechanism. .In this project, we propose to use computational simulation and experimental way to decipher the rules of ribosome affect mRNA structure dynamics. .Firstly, we use DMS-MaPseq data (resolve RNA structure in vivo) and ribosome profiling data to construct computational translation model, integrating with RNA structure dynamics, investigating how ribosomes’ elongation rate affects mRNA structure. .Subsequently, experimentally change the codon usage aiming to alter the ribosome occupancy before mRNA structure, analysis the causal relationship of ribosome elongation rate and mRNA structure dynamics. .Eventually, the dynamic change process of mRNA is drawn by JAVA Swing package, and also the database and website presenting mRNA dynamic change process are founded. .Our project will provide a mechanistic picture for understanding the roles of mRNA structures’ dynamic process during translation, and provide a new idea for research on the rules of the gene expression regulation.

mRNA倾向于通过自身互补配对的方式折叠成一系列稳定的结构，在翻译效率调控、蛋白质共翻译折叠等方面发挥重要的作用。然而，翻译过程中核糖体的移动对于mRNA结构动态变化的影响目前尚不清楚，限制了对mRNA结构在翻译调控中机制的认识。.本项目拟采用计算机模拟与实验相结合的方法解析核糖体对mRNA动态变化的影响。利用DMS突变测序（DMS-MaPseq）数据与核糖体印迹数据（Ribosome Profiling），建立计算机模型，模拟解析核糖体的移动对于mRNA结构变化的影响；采用实验方法改变密码子偏好性进而改变核糖体密度，解析核糖体密度与mRNA结构产生与消失之间的因果关系；利用JAVA平台Swing组件绘制翻译中mRNA结构动态变化的过程，建立展现mRNA结构动态变化的数据库及网站。.项目的实施，可以深化核糖体对mRNA结构动态变化的认识，为基因表达调控规律的研究提供新的思路。

mRNA可以通过碱基间的互补配对形成mRNA结构，从而参与更为复杂的细胞活动。核糖体是细胞内蛋白合成的“分子机器“，可以将mRNA编码的信息翻译为氨基酸。由于前者形成了mRNA结构，核糖体在翻译过程中首先需要将mRNA结构解链，从而使mRNA结构处于”折叠-打开-再折叠“的动态变化中。随着技术的发展，RNA结构组学可以在一个样本中同时获得上万条转录本的体内RNA结构。同时，另一种技术，核糖体图谱，可以获得单碱基精度的核糖体位置数据。这两种技术的出现让我们分析细胞内核糖体对mRNA结构的动态变化成为可能。.本课题首先分析了酿酒酵母体内、体外RNA结构测序数据，发现和体外RNA结构相比，体内RNA结构出现了不同程度的解链。接着，我们分析了核糖体图谱数据，提取了更多潜在影响RNA结构的特征后，建立了深度学习二分类模型。计算机模拟的结果显示，翻译起始的核糖体密度对RNA结构解链的贡献最大，较高的起始核糖体密度会导致整条mRNA上解链程度的降低；其次是RNA结构区的核糖体密度，高核糖体密度由于核糖体的占位会造成mRNA结构较高的解链程度；同时，mRNA的5’端虽然具有较高的核糖体密度，但是解链程度较低。最后，通过对收集到的转录组RNA结构探测数据进行统计、整理并实现可视化，建立了转录组RNA结构数据库，RSVdb。RSVdb不仅包含626225个具有有效RNA结构数据的转录本，还支持不同实验处理下RNA结构的在线预测。数据库目前仍在不断更新。.综上所述，本研究通过结合两种组学数据，应用了深度学习技术阐述了核糖体对mRNA结构解链程度的影响，最后通过服务器与网络技术将所收集的转录组RNA结构数据进行建库并实现可视化。本研究尝试采用多组学与新技术融合的方案解决生物学问题并取得了一定进展，深化了对翻译过程核糖体与RNA相互作用的认识，为未来研究转录组RNA结构的调控提供了新的思路与数据库支持。