科研進展

                                                Nature Communications | 晁彥杰課題組開發iRIL-seq新技術并解析了腸道病原菌RNA互作圖譜與非編碼RNA功能

                                                發表日期: 2023-12-08
                                                  12月7日,中國科學院上海免疫與感染研究所晁彥杰研究員在國際學術期刊Nature Communications發表了題為In vivo RNA interactome profiling reveals 3'UTR-processed small RNA targeting a central regulatory hub的研究論文。該研究開發了一項全新的RNA互作組高通量研究技術(iRIL-seq),使用該技術能在微生物活細胞內快速鑒定RNA-RNA分子間相互作用,在轉錄后水平發現新的基因調控機制。該研究首次繪制了沙門氏菌不同生長時期的RNA互作網絡圖譜,發現了許多新型非編碼RNA和重要的mRNA調控中樞。
                                                  細胞內RNA-RNA互作是非編碼RNA發揮功能的核心機制之一。在原核微生物細胞中,非編碼小RNA通過十分簡短且不完美的堿基互補配對識別靶標mRNA,其分子互作難以使用常規方法進行準確預測與鑒定。原核非編碼小RNA具有重要的調控功能,在轉錄后水平控制眾多靶基因的翻譯表達,在細菌感染致病、抗生素耐藥、營養代謝、壓力應激、群體感應與生物膜合成等許多生物學過程中發揮著關鍵作用,因此解析RNA-RNA互作網絡對于研究微生物生理生化與非編碼RNA功能機制有重要意義。然而,現有的RNA-RNA互作組研究技術實驗體系復雜、步驟繁多、周期長且失敗率高,需要固定細胞后在體外進行RNA末端酶切、修復與連接等上百步操作,RNA互作鑒定的準確性和分辨度不足。 
                                                  該研究開發了一種全新的體內RNA鄰近連接技術iRIL-seq(intracellular RNA interaction by ligation and sequencing)。該技術通過在微生物活細胞中誘導表達T4 RNA連接酶,促使RNA-RNA互作分子之間發生鄰近連接;借助非編碼小RNA結合Hfq伴侶蛋白的特點,使用免疫共沉淀富集Hfq和與之結合的眾多非編碼小RNA及其互作分子;最終通過高通量測序鑒定所有捕獲的RNA分子與序列特征,主要實驗流程可在1天內完成。該技術既實現了對微生物RNA-RNA分子互作網絡的全景式解析,也能在單核苷酸水平鑒定RNA-RNA堿基互作位點信息,具有高度的靈敏性和特異性,為解析不同微生物中的RNA互作圖譜提供了一種簡單、快捷、準確的通用性技術,也為研究真核細胞中的RNA分子互作提供了新的思路。
                                                圖1:微生物活細胞RNA鄰近連接技術iRIL-seq實驗流程
                                                  利用iRIL-seq技術,該工作首次繪制了腸道模式病原菌—沙門菌多個生長時期的動態RNA互作網絡圖譜,鑒定了2000多個RNA-RNA互作關系,首次提出了mRNA調控中樞的概念,證明編碼外膜桶蛋白OmpD的mRNA是目前規模最大的調控中樞,至少受到12個不同非編碼小RNA的調控。進一步對這些小RNA進行實驗鑒定,發現了一個經mRNA 3’UTR剪切加工產生的新型小RNA FadZ。FadZ及其親本fadBA mRNA的表達受到上游轉錄因子FadR、CRP和長鏈脂肪酸信號的調控。在長鏈脂肪酸條件下,FadZ sRNA與其靶基因ompD均由轉錄因子CRP激活,共同構成I型不連貫前饋回路(I1-FFL),拓展了細菌應對宿主長鏈脂肪酸代謝壓力的轉錄后調控機制。
                                                圖2:iRIL-seq鑒定的ompD mRNA調控中樞和新型小RNA FadZ的功能機制
                                                  晁彥杰研究員為該論文的通訊作者,復旦大學上海醫學院王川副教授為共同通訊作者;中國科學院上海免疫與感染研究所博士后劉方為論文第一作者,聯合培養研究生陳梓瀅為論文共同第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院國際合作局、上海市科技重大專項、中國博士后基金會等項目支持。
                                                  文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-43632-1
                                                  課題組介紹:
                                                  微生物RNA系統生物學研究組(負責人:晁彥杰研究員)以人體重要病原菌和共生菌為研究對象(如腸道沙門菌、肺炎克雷伯菌等),利用獨特的高通量測序技術和功能基因組實驗方法,鑒定新型的非編碼小RNA、RNA結合蛋白并解析其功能與機制,加深對微生物感染致病、耐藥持留、宿主互作和共生機制的認識。課題組主持承擔多項國家級人才與科研項目,在Nature, Mol Cell, Nature Comm, EMBO J, EMBO Mol Medicine, Trends in Microbiol, Emerging Microb & Infections等國際期刊發表30多篇高水平論文,引用超過6000次。

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