CUG重复序列RNA的结构动态研究以及靶向RNA的小分子药物筛选

Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is an untreatable neurological disorder affecting about one in 8000 individuals. This disease is caused by aberrant expansion of CUG repeats RNA transcribed from 3’-untranslated region of the DMPK gene. The expanded CUG repeats manifest their toxicity mainly through recruitment of human muscleblind-like protein 1 (MBNL1) which regulate alternative pre-mRNA splicing. The sequestration of MBNL1 proteins results in myotonia, muscle degeneration, cardiac conduction defects, and other defects. Therefore, CUG repeats RNA appears to be an excellent drug target for this disease. As the first step towards solving high-resolution structure of the flexible complex formed by CUG repeats RNA and MBNL1 protein, we will use a new technique which combines Rosetta structural modeling approach and multiple experimental structure restraints in order to build a high-quality starting structure for MD simulations, and then reconstruct dynamics of the complex through MD simulations. Next we will obtain structure ensembles of CUG repeats RNA under different states. Finally virtual drug screening against structural ensemble will be performed, followed by fluorescence-based high-throughput screening, resulting in potential RNA-targeted small molecule drugs.

I型强直性肌营养不良症(DM1)是一种目前无法治疗的遗传病，其分子机制是DMPK基因3’端非翻译区发生长度变异，导致转录出含有很多CUG重复序列的RNA。这种RNA紧密结合MBNL1蛋白使其无法发挥生理功能而致病。本课题以CUG重复序列RNA为药物靶点，通过基于构象集合的虚拟药物筛选和基于荧光检测的药物筛选相结合的方法，来获取能抑制RNA结合MBNL1的潜在小分子药物。实现这个目标需要解析出高度动态的CUG重复序列RNA 的构象集合以及RNA-MBNL1复合物的高分辨率结构。本课题将发展一种新型的实验计算相结合的方法，以多种类型的核磁实验数据为主，结合Rosetta结构建模以及分子动力学模拟来达成这一目标。本课题一方面可以筛选出强直性肌营养不良症的潜在小分子药物，另一方面还能够给动态的生物大分子体系的高精度建模带来新的突破。

CUG重复序列扩增是一种常见的三核苷酸长度变异，会导致I型强直性肌营养不良症（DM1），该病目前没有治疗方法。DM1的分子机制是DMPK基因3’端非翻译区发生长度变异，导致转录出含有很多CUG重复序列的RNA。这种RNA紧密结合MBNL1蛋白使其无法发挥生理功能而致病。本项目通过核磁共振、荧光显微镜、BLI、ITC等生物物理手段系统研究了MBNL1蛋白和CUG重复序列RNA之间的相互作用，取得了如下成果：（1）发现了MBNL1不同长度的截短体与CUG重复序列RNA之间能发生强烈的分相现象。通过核磁共振等手段发现RNA中的GC-step是与MBNL1结合的位点，而该位点周边的动态特性与相分离的程度有密切关系。（2）发展了用19F NMR研究重复序列RNA及其与蛋白形成的复合物的结构和动态特性的新方法，并利用这些方法发现了这类重复序列RNA存在多种不同时间尺度下的构象动态，包括在很慢的时间尺度下的多种二级结构滑移模式。（3）利用核磁弛豫弥散实验和分子动力学模拟系统性地探究了RNA发生碱基配对滑移的动力学和热力学性质。该工作揭示了RNA发生局部碱基滑移的具体机制（Nat Commun, 2022, in press）。