RNA编辑对布氏锥虫线粒体基因表达的调控作用及分子机理研究

Trypanosoma brucei (T. brucei) is a unicellular protozoan parasite greatly harmful to both human and livestock. Besides, it has also proved to be a valuable model organism. Its mitochondrial biogenesis is developmentally regulated during its life cycle, but the regulation mechanism remains unclear. Our previous work showed that the expression of nucleus-encoded mitochondrial proteins is significantly regulated by trans-splicing. In this proposal, we plan to use RNA-seq technology and bioinformatics approaches to study the functional roles of RNA editing in mitochondrial gene expression regulation in T. brucei. Based on the characterization of RNA editing in T. brucei, special mitochondrial transcriptome analysis pipeline will be established to systematically analyze the expression profiles of T. brucei mitochondrial genes in different life cycle stages. The study aims to identify differentially expressed genes, distinguish alternative RNA editing patterns and investigate the potential roles of the corresponding products. In order to reveal the molecular mechanism of alternative RNA editing, a prediction tool will be developed to recognize the specific gRNAs (guide RNA) responsible for RNA editing. Furthermore, we will investigate the collaborative regulation of RNA editing and trans-splicing to mitochondrial biogenesis based on our previous work. The study will enhance our understanding of the mitochondrial biogenesis mechanism in T. brucei, and will potentially benefit the rational drug design against African trypanosomiasis.

布氏锥虫（T. brucei）是一种对人类和家畜有严重危害的寄生原虫，同时也是一种重要的模式生物。T. brucei的整个生命周期伴随着线粒体生物发生（biogeneis）的调控，但调控机制不清楚。我们前期研究发现T. brucei中核基因编码的线粒体蛋白质受到反式剪接的显著调控作用。本项目将通过转录组测序与生物信息分析，研究RNA编辑对T. brucei线粒体基因表达的调控作用及分子机理。针对锥虫线粒体中RNA编辑的特点，本研究将建立一套锥虫线粒体转录组分析方法，研究不同生命周期阶段T. brucei线粒体基因的差异表达情况，分析各种可变编辑模式及其对基因编码产物的影响，识别可变编辑所需的特异gRNA（guide RNA），并阐释RNA编辑与反式剪接对线粒体生物发生的协同调控作用。本研究将有助于加深对T. brucei线粒体生物发生调控机制的认识，为锥虫病治疗药物的研发提供重要线索。

布氏锥虫是一种对人类和家畜有严重危害的寄生原虫，同时也是一种重要的模式生物。布氏锥虫通过媒介采采蝇在哺乳动物间传播疾病，因而具有在采采蝇和哺乳动物宿主间循环的复杂生命周期。前期研究表明，布氏锥虫的整个生命周期伴随着线粒体生物发生的调控，但调控机制尚不清楚。本项目基于转录组测序数据，对比分析了布氏锥虫线粒体蛋白随生命周期不同阶段的表达水平变化，以及RNA编辑与反式剪接的协同调控作用。研究发现，约有40%的线粒体蛋白在生命周期不同阶段发生显著差异表达，而血液阶段与前循环型相比，发生差异表达的基因数量显著增多，且在血液阶段发生下调的线粒体蛋白多于上调。布氏锥虫中线粒体蛋白随生命周期的差异表达与其能量代谢途径有关。血液阶段布氏锥虫的主要能量来源于糖酵解反应，因而该阶段线粒体活性低；前循环型锥虫主要依赖于线粒体氧化作用提供能量，该阶段线粒体功能较为活跃。根据gRNA-mRNA的结构特点以及数据库获得的大环编码蛋白基因的mRNA，将gRNA转录组比对到mRNA上，可以获得大部分RNA编辑所需的gRNA。分析布氏锥虫线粒体蛋白的剪接模式发现，随生命周期发生阶段特异性表达的基因发生可变剪接和差异剪接的概率较高，且可以将剪接模式根据其对功能的影响分为三类。结果表明，布氏锥虫中线粒体蛋白分别在不同阶段行驶着重要的功能，且RNA编辑和反式剪接在布氏锥虫基因表达调控中起着非常重要的作用。.布氏锥虫鞭毛的能动性对于这种细胞外寄生虫至关重要，其结构功能的变化与锥虫生命周期的循环以及锥虫疾病的发生发展密切相关。本项目中，我们基于现有数据库资源，收集整理了现有已知的锥虫鞭毛蛋白和其他定位的蛋白数据，综合考虑了各种可能与鞭毛蛋白定位有关的特征，并利用混合特征选择算法筛选出影响鞭毛蛋白定位的关键特征因素。利用支持向量机技术，建立了首个锥虫鞭毛蛋白预测工具TFPP，并搭建了在线预测平台，预测准确率达到90%以上，为锥虫鞭毛蛋白的识别鉴定提供了有效便捷的工具。应用我们所建立的预测模型，结合现有蛋白质数据资源，在布氏锥虫中共鉴定出959种鞭毛蛋白质，约占整个蛋白质组的10%，其中811种为新鉴定出的鞭毛蛋白,且约45%的鞭毛蛋白具有阶段特异性表达。血液阶段与前循环型相比发生差异表达的鞭毛蛋白显著多于血液中细长型与粗短型的比较，这可能与鞭毛能动性有关，寄生于哺乳动物血液中的锥虫需要依靠鞭毛的能动性来进行运动。