冷冻电镜研究RNA质量控制系统中相关生物大分子复合体的结构与功能

RNA quality control system of a cell warranties the correct processing of an RNA transcript into its mature product for normal gene expression and regulation by recognizing and removing mistakenly processed, misfolded, damaged, or abnormally functional RNAs from the cells. Research of RNA quality control system is of great importance for understanding the mechanism of cellular pathways such as gene expression regulation, signal transduction pathway, cell differentiation and stress responses. This project plans to determine the structure of macromolecular complexes involved in RNA quality control system using cryo-electron microscopy technique and to characterize their functional mechanisms using genetics, biochemistry and bioinformatics approaches. Based on our previous discoveries of eukaryotic RNA degradation complex Exosome and RNA-damage degradation complex RYPER by cryo-electron microscopy, we are going to investigate the interactions and regulatory mechanisms of Exosome and RYPER with their cofactors, RNA substrates respectively at both structural biology and biochemistry level. From these studies, we will also characterize new protein cofactors and RNA processing or degradation pathways. Our aim is to understand the key elements determining an RNA molecule’s destiny and ultimately reveal the principle of RNA metabolism in a cell.

细胞的RNA质量控制系统通过甄别并清除细胞中错误加工、错误折叠、受损伤、或者功能不正常的RNA，来保证转录后的RNA分子被加工成正确的成熟产物并正常行使其基因表达及调控功能。对RNA质量控制系统的研究对于深入了解细胞内的基因表达调控、信号通路、分化演化、抗胁迫等过程的机制具有重要意义。本项目将利用冷冻电镜技术对细胞RNA质量控制系统中的相关生物大分子复合体进行结构解析并结合遗传学、生物化学、生物信息学等手段进行功能机制研究。基于本课题组前期对真核生物RNA降解复合体Exosome以及RNA损伤降解复合体RYPER的冷冻电镜研究成果，本项目将对Exosome和RYPER与各自的蛋白质辅助因子、RNA底物的相互作用及调控机理进行深入的结构生物学与生物化学研究，并在此基础上鉴定新的蛋白质辅助因子及RNA加工或降解通路，从而在分子水平上理解决定RNA命运的关键因素，最终理解细胞中RNA代谢的本质。

细胞的RNA质量控制系统通过甄别并清除细胞中错误加工、错误折叠、受损伤、或者功能不正常的RNA，来保证转录后的RNA分子被加工成正确的成熟产物并正常行使其基因表达及调控功能；RNA干扰是指真核细胞内由小的非编码RNA诱导产生的基因沉默现象，这一调控机制在真核生物体内高度保守，并且参与了生物体的诸多重要生理及病理过程。对RNA质量控制系统和RNA干扰过程中重要蛋白复合体的研究对于深入了解细胞内的基因表达调控、信号通路、分化演化、抗胁迫等过程的分子机制具有重要意义。本项目主要利用冷冻电镜技术解析Exosome及其辅助因子复合体Exosome-Ski7、hDicer及其与多种RNA底物相互作用状态的高分辨结构，并深入揭示复合体在发挥RNA质量控制和RNA干扰功能方面的分子机制，从而在分子水平上理解决定RNA命运的关键因素，最终理解细胞中RNA代谢的本质；同时对Exocyst复合体进行结构研究，以期揭示其整体构架及八个亚基之间的组装机制。.经过研究，我们解析了酵母Exosome及其辅助因子复合体Exosome-Ski7的RNA-free和RNA-bound两种构象的4.2埃和5.8埃的三维结构，提出Exosome复合物在不同亚细胞结构选择不同RNA底物进行降解的可能机制，在生化上为RNA直接通路的降解提供了进一步的证据，也增进了对 Exosome降解分子机制的理解；首次解析了hDicer蛋白和它的一种辅助蛋白TRBP形成复合物的高分辨率整体结构，其分辨率达到4.4 Å，发现hDicer-TRBP复合物与pre-let-7结合可以促进pre-miRNA向茎部完全互补的状态转换，确保RNA茎部结构的一致性，从而保证hDicer加工RNA的精确性，对于了解hDicer的作用机制具有重要意义，促进人们对RNA干扰机理的进一步理解，并为改善目前的RNAi技术及治疗miRNA相关疾病提供了可能；首次报道了完整组装的膜拴系Exocyst的复合体结构，并发现了复合体装配过程中一种由CorEx基序介导的逐级组装模型，同时证明了Sec3亚基与剩余亚基在质膜上的组装是由其CorEx基序介导完成，为高等细胞囊泡栓系机制研究提供了重要信息。