S-腺苷甲硫氨酸核糖开关在裂殖酵母中的研究

Riboswitches are non-coding mRNAs that regulate the expression of biosynthetic genes by binding small molecule metabolites or ions to control gene expression. SAM is a key sulfur metabolite and the main donor of methyl group for methylation. It is closely related to diseases. At present, there are 6 SAM Riboswitches in bacteria, but there are no reports of SAM Riboswitches in eukaryotes, and there are no reports of Riboswitches in the eukaryotic model fission yeast. Our preliminary study showed that a RNA sequence in fission yeast regulate downstream reporter genes expression in response to SAM concentration in the cell so we need to further obtain the corresponding biochemical evidence and structural and mutational analysis of the RNA to confirm its regulatory function as a riboswitche. The aim of this study is to confirmed the SAM riboswitch in the eukaryotic model organism fission yeast and to study its biological function in sulfur metabolism pathway to further understand the importance of sulfur metabolism in cancer, aging, Alzheimer's disease and other major human diseases, to provide a theoretical basis for the treatment of diseases.

核糖开关是存在于mRNA的非编码区域有着调控基因表达功能的RNA,这类RNA可以特异性结合小分子配体，改变RNA构象从而调控基因表达。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)是细胞内硫代谢中的关键代谢物和各类甲基化的供体，与许多重大疾病密切相关。目前细菌中已有6种SAM调控的核糖开关，但是国内外尚无真核生物中SAM核糖开关的报道，也没有真核模式生物裂殖酵母中核糖开关的报道。我们的前期研究发现了真核模式生物裂殖酵母硫代谢通路中的一个RNA序列能够在细胞内SAM浓度变化时调控下游报告基因的表达，因此本项目需要进一步取得相应的生化证据以及对RNA序列的结构预测和突变分析方面的数据来证实上述核糖开关的调控功能。本课题的目的是在真核模式生物裂殖酵母中验证和确认SAM核糖开关的存在并研究它在硫代谢通路中的生物学功能，进一步认识与癌症、衰老、老年痴呆等重大人类疾病密切相关的硫代谢的重要性，为治疗疾病提供理论依据。

在原核生物中，RNA结构对翻译起始的影响是比较容易理解的。核糖开关RNA的化学探测和可用晶体结构表明，配体依赖的对mRNA的SD序列的可进入性决定了翻译起始。相比之下，在真核生物翻译起始机制中，mRNA结构具有调控作用的机制要复杂得多，也更加多样化，而且不太可能具有共同的特征。为了进一步了解结构化RNA在真核翻译起始中的作用，还需要进一步的研究。主要研究内容：1，裂殖酵母的SAM代谢途径及相关基因5′ UTR区域的确定。2，sam1基因mRNA 5′ UTR通过增加甲硫氨酸调控报告基因表达。3，SAM与sam1 5′ UTR的体外结合。4 sam1 5′ UTR的二级结构。5，OsO4检测SAM对sam1 5′ UTR RNA三级结构的影响。6，sam1 5′ UTR RNA调控SAM依赖的基因表达机制。我们证明了sam1基因的5′UTR RNA通过SAM结合后的结构转变在翻译调控中的重要作用。报告基因翻译对响应SAM的调控依赖于sam1 5′UTR RNA在SAM结合时的三级结构转变。SAM 是甲基化主要的供体，核酸的甲基化能调节基因的表达形成更新层面的基因调控网络，SAM的代谢与衰老、癌症、老年痴呆等人类最大疾病密切相关，本项目的研究进一步挖掘了真核生物硫代谢途径中基因表达和调控的新机理，深化研究了硫代谢同下游甲基化反应的联系，为治疗与硫代谢途径相关的多种人类重大疾病提供研究基础和理论支持。