人的SMN复合物识别snRNA调控snRNP装配的结构生物学研究

In nucleus, spliceosome is responsible for the splicing of introns and the removal of the introns in eykaryotic mRNA. The core component of the spliceosome is snRNP, which consists of snRNA and its associated protein factors. The snRNP is processed in cytoplasm, which requires the assembly of Sm heptameric ring complex at the Sm binding site within the snRNA. The survival of motor neuron (SMN) complex facilitates the assembly of Sm on snRNA and the formation of snRNP. Several sub complexes exist in SMN complex, including Gemin3-Gemin4-Gemin5 and Gemin6-Gemin7-Gemin8-UNRIP. The interaction network between each sub-complex, as well as the roles the sub-complexes play, are largely unknown. The proposed research plan will utilize the biochemical, biophysical technique, as well as X-ray crystallography to investigate the protein-protein interactions in the two sub-complexes and how the proteins in SMN complex coordinate to bind snRNA and Sm complex to complete the assembly process.

在真核生物体内，剪切体在细胞核内负责真核信使RNA的内含子的剪切和外显子的拼接。剪切体的核心是小核核糖核蛋白(snRNP)。snRNP在细胞质中由小核RNA(snRNA)及与之相结合的蛋白质组成。snRNP在细胞质中处理，关键一步需要Sm七元复合物组装在snRNA的特定位点上。运动神经元生存蛋白SMN为中心的复合物帮助Sm复合物正确组装在snRNA上形成snRNP。SMN复合物内部有多个亚复合物，包括Gemin3-Gemin4-Gemin5和Gemin6-Gemin7-Gemin8-UNRIP。亚复合物内部相互作用，以及这两个亚复合物在SMN复合物装配Sm复合物在snRNA上中的作用还不清楚。本研究计划综合生物化学，生物物理学以及X射线晶体衍射技术研究两个亚复合物内部蛋白质相互作用，进一步理解SMN复合物中的蛋白质是如何协同结合snRNA和Sm蛋白质复合物来完成snRNP装配过程的。

SMN复合物是细胞质中具有重要功能的复合物，其协助snRNA配成为snRNP，并使得snRNP能够重新回到细胞核形成具有功能的剪切体复合物。Gemin5是SMN复合物中重要组分，且为唯一识别snRNA的组分。我们通过ITC实验发现Gemin5通过其氨基端WD40结构域特异识别snRNA的5‘端m7G帽子以及内部Sm位点。我们克隆表达纯化了Gemin5稳定的氨基端片段，解析了多个Gemin5结构，包括其氨基端WD40结构域单体结构，Gemin5与AAUUUUUG RNA复合物结构，以及Gemin5与m7GpppG帽子类似物复合物结构。通过结构分析结合突变实验，鉴定了Gemin5和U4 snRNA的相互作用界面，并发现了Gemin5识别snRNA的关键氨基酸、Gemin5识别AAUUUUUG位点的序列特异性，Gemin5识别m7GpppG的甲基依赖性等重要研究结果。我们的结果将为了解SMN复合物功能缺陷导致神经退行性疾病的机理以及不久之后的小分子药物开发及疾病治疗提供结构基础。项目相关实验数据，如结构数据已经存入蛋白质数据银行。项目共发表高水平标注论文7篇，包括Cell Research 1篇，eLife 1篇，Genes Development 1篇，Journal of Biological Chemistry 1篇，Biochemical Journal 1篇，Febs Journal 1篇，Genomics Proteomics Bioinformatics 综述1篇。其中2篇为第一标注(Genes Dev.2016; JBC 2018).