蓝细菌Synechocystis sp.PCC 6803非编码反义RNA ThfR的功能及其调控机制研究

A non-coding RNA (ncRNA) is an RNA molecule that is not translated into a protein, often referred to as sRNA in prokaryotes, which plays very important regulatory roles throughout the whole life cycle of cells. Photosynthesis is a process used by plants and other organisms to convert light energy into chemical energy, the carbohydrate molecules, which are synthesized from carbon dioxide and water. Photosynthesis maintains atmospheric oxygen levels and supplies all of the organic compounds and most of the energy necessary for life on Earth, and was considered the most important chemical reaction on the planet. In the current proposal, by using the model cyanobacteria Synechocystis sp.PCC 6803, which has been used extensively for studies concerned with photosynthesis, we proposed to study the mechanism of action of ThfR, the newly discovered sRNA in our lab, with its target gene - the thylakoid formation 1 (thf1), on the basis of our earlier study of Thf1 (Mol Microbiol 2016). The interaction, regulatory mechanism as well as the structural basis of ThfR and its target thf1 will be elucidated, with the in-depth study of the overexpressor and surppressor mutant strains, through a series of methodologies including molecular genetics, physiology and biochemistry. Together with the discovery and studies of other ncRNAs related to photosynthesis, it is hoped to be able to reveal the ncRNA regulatory network of the world’s most important reaction.

Non-coding RNA（ncRNA）是指不编码蛋白质的RNA，在原核细胞中通常称为sRNA。sRNA在细胞生命过程中起着十分重要的作用。在前期对于类囊体膜形成蛋白Thf1功能系统研究（Mol Microbiol 2016）的基础上，项目提出以光合作用模式生物蓝细菌Synechocystis sp. PCC 6803为材料，以我们新发现的ncRNA ThfR为研究对象，通过构建相应的过表达和敲降突变株，利用分子遗传、生理和生化等实验手段，研究ThfR与其靶标thf1的相互作用、调控机制及其结构基础，进一步研究对其相应蛋白Thf1功能的影响；通过建立的大肠杆菌表达平台模拟ThfR与thf1的表达，进一步研究ThfR的合成及其与thf1的相互作用机理。以期通过与其它光合作用相关ncRNA的研究结合，揭示光合作用这一地球上最重要反应的ncRNA调控网络，阐明其调控机制。

在蓝细菌的光合系统功能调控中，由蛋白质编码区编码的反义RNAs（asRNAs）发挥重要作用，近年来吸引了越来越多的关注。由sll1414（thf1）编码的类囊体膜形成蛋白1（Thf1）是一种光自养生物的保守蛋白质。国内外同行对Thf1进行了大量的功能研究，但是关于Thf1蛋白表达调控机制，以及Thf1在蓝细菌高光响应中如何实现其生理功能等重要科学问题，都有待于进一步的深入研究。我们前期研究发现，Synechocystis sp. PCC 6803中，thf1互补链上的asRNA ThfR可能在调控Thf1高光响应中起到重要作用。鉴于以上研究背景和我们已有的工作基础，我们以Synechocystis sp. PCC 6803为材料，构建ThfR 过表达和敲低突变体，通过转录组学、分子生物学和生物化学等实验手段，对上述科学问题进行了探讨。. 首先，本研究在Synechocystis sp. PCC 6803的thf1基因反向互补链上鉴定出asRNA（命名为ThfR）并获得了全长序列，并进一步研究表明thf1基因受到ThfR的正调控。值得注意的是，分析ThfR序列特征，发现ThfR的正调控机制可能是通过保护RNase E裂解位点的RAUUW（AU box）元件维持靶基因mRNA稳定，该正调控机制在蓝细菌中可能存在普适性。该研究首次揭示了顺式转录反义RNA ThfR正调控靶基因thf1，并提出通过保护RNase E识别元件实现正调控的普适性机制；为蓝细菌高光胁迫下，通过asRNA维持正常光合作用功能的机制研究提供了新的思路和见解，有助于深入阐释蓝细菌光合调控途径，为优化光能利用和提升光合效率奠定基础。. 资助项目执行期间共发表SCI学术论文18篇。培养硕/博士研究生4/4人。基于研究成果，主持人王强教授作为承办单位主办2021全国光合作用与绿色发展学术研讨会并应邀出席相关学术会议做学术报告。