新型RNA核酶的三维折叠、催化机制研究及其在医药领域中的应用

RNA plays variety of roles in the cell. Besides conveying genetic information, some special RNA also acts as catalysis like protein enzyme, it is named ribozyme. Very recently, several new classes of small self-cleavage RNA are discovered using bioinformatic method. They are named twister, twister sister etc. We reported the structure of the twister ribozyme and the namely related but structurally distinct twister sister ribozyme. The study highly indicates the catalytic mechanism of these novel ribozymes, which reveals the possible key role of these basic biocatalysts in the evolution of life on the planet. It also gives promising direction for the therapeutic application of these new ribozymes, which are of the features of tight tertiary interaction and robust cleavage efficiency on potential oncogene mRNA. Our aim is to keep on studying the global folding of these ribozymes using x-ray crystallography, cryo-EM and single molecule FRET technique. Based on the knowledge of these new classes of RNA ribozymes, we will also design some potential drugs targeting mRNA and give preliminary test of their efficiency in the cell.

核糖核酸（RNA）不仅是一种非常重要的遗传物质，在细胞中它还具有诸多其他生物学功能。近几年，一系列全新的具有催化剪切功能的核攻击型核酶被发现。本项目将以新发现的Twister姊妹等RNA核酶为对象，研究此类新型核酶的催化机制以及药物开发前景。由于此类核酶新近才被发现，相关研究甚少，我们将以其三维构象研究为切入点，进而对其催化机理以及药用前景进行深入探讨。我们的前期结果表明，Twister姊妹核酶虽然二级序列非常相似，但是三维构象迥异，其催化机理也没有本质联系。我们计划继续运用结构生物学以及单分子荧光等方法，对这些核酶的三维结构在原子水平上进行静态捕捉结合动态研究。另外结合生化实验以及细胞实验方法，对其催化机理以及药用价值进行系统性研究。本研究的结果可以揭示基于RNA核酶分子的全新的广义酸碱催化机制，并基于其结构和催化机理设计潜在的以异常高表达mRNA为靶标的RNA靶向药物。

核酶是一种具有类似蛋白酶的催化功能的特殊RNA分子，其具有靶向切割靶标RNA的特性。近几年，随着生物信息学的快速发展，多个全新的核酶分子被发现。在我们前期对此类新型核酶的结构和催化机制的研究过程中，我们发现其中一些成员有望利用其靶向切割活性，通过改造发展新型的基因靶向敲降工具以及核酸药物。本项目着重对此类新核酶的两个成员锤头核酶变体（hammerhead variant）和手枪核酶（pistol）进行了结构和催机制研究。并且基于两个核酶对致癌基因靶标KRAS和新冠病毒基因组等RNA靶标进行了基于核酶的基因靶向敲降和潜在核酸药物研究工作。.我们成功的解析了具有假节的锤头核酶变体的晶体结构，分辨率为2.89埃。该结构通过与手枪核酶的结构对比，揭示了相同的RNA元件可以组成催化机制完全不同的核酶的RNA巧妙结构特征。利用手枪核酶，我们成功的设计了一批能特异性靶向切割原癌基因KRAS mRNA的基因靶向敲降核酶，具备比siRNA更加快速的敲降能力，可以将通常敲降KRAS基因的时间从12-24小时缩短到1-2小时，为研究KRAS基因相关的癌症发生通路提供了一个有力快速敲降工具。此外，通过改造手枪核酶，我们可以成功的将KRAS基因的G12S单点突变体进行特异性抑制，同时对正常的野生型KRAS基因不产生影响。该现象通过生化、细胞、动物模型、结构、组学分析等五个板块进行了比较全面的验证。该核酶有望作为KRAS G12S突变造成的癌症的潜在小核酸药物进行深度开发。.依托该项目，我们成功的获得国家自然科学基金NSFC-RSE国际交流合作基金的支持，用于基于核酶的靶向新冠核酸药物的开发。我们成功设计了一批可以靶向新冠基因组S蛋白和N蛋白的核酶，并且在生化水平上验证了其有效性。该部分工作为今后靶向冠状病毒的广谱核酸药物的开发提供了新的思路。.基于该项目中的上述工作，我们申报基因沉默技术开发、小核酸药物开发相关专利三项。相关结构投递到PDB文库，学术论文投递到bioRxiv开放获取资料库。