bZIP超家族转录因子祖先重建及演化机制研究

Basic leucine zipper (bZIP) superfamily represents a very important class of transcription factors for eukaryotes. Elucidating the evolutionary routes and mechanisms for bZIP superfamily is a challenging topic in biochemistry and molecular biology. In this project, we will reconstruct the sequences for the common ancestor and critical evolutionary nodes of bZIP superfamily. Then, we will thoroughly study the structural and functional features of these proteins, which will allow us to trace the evolutionary routes of bZIP families. Finally, we will use the One-Pot-seq technique, invented by our group, to characterize the evolutionary space of bZIP transcriptional factors. The accompolishment of this project will answer the following three fundamental scientific questions: i) How are the structure and functions of the common ancestor for bZIP superfamily? ii) By what routes and mechanisms, the common ancestor evoloved distinct nucleic acid-binding specificity? iii) Whether bZIP superfamily has sufficiently explroed the evolutionary space, and whether it is possible to evolve a bZIP transcritonal factor with new function? The results will be helpful to understand the evolutionary mechanisms for transcriptional factors, and are expected to bring novel biological parts used in synthetic biology. Therefore, this project is of great significance not only in basic science but also in application.

碱性亮氨酸拉链（bZIP）超家族是真核生物非常重要的一类转录因子。阐明其演化路径和机制是生物化学与分子生物学领域的重要课题。本课题拟重建bZIP超家族的共同祖先和其他关键进化节点的蛋白序列，然后深入分析这些蛋白的结构与功能特征，从而追溯bZIP各家族的演化历程。最后，采用本课题组发明的One-Pot-seq技术，针对bZIP的特异性核酸结合位点进行饱和突变，对随机核酸序列进行体外筛选，全面刻画bZIP转录因子的进化空间。本课题的完成将初步回答以下三个基本科学问题：1）bZIP超家族共同祖先在结构和功能方面有何特点？2）共同祖先通过何种途径/机制演化出不同的核酸结合特异性？3）bZIP超家族是否已经充分探索了可能的进化空间，是否还有潜力进化出新功能的转录因子？本研究所得结果不仅有助于理解转录因子的演化机制，也有望获得合成生物学的新元件，因此具有重要基础生物学意义和较大的潜在应用价值。

转录调控机制研究是生命科学和生物技术领域的核心和热点。碱性亮氨酸拉链（bZIP）超家族是真核生物中的重要转录因子，与后生动物、两侧对称动物和脊椎动物的起源等重大进化事件密切相关。首先，本研究综合利用生物信息学方法和计算化学方法，鉴定出了影响bZIP超家族核酸识别特异性的5个关键位点，其中一个位点参与蛋白-蛋白相互作用（PPI）。本研究还发现bZIP 蛋白二聚体间的PPI能够影响其核酸识别能力；而在该家族蛋白进化过程中，PPI互作形式的变化可能促使复合物识别新的motif。其次，本研究设计并建立了高通量测定转录调控复合物的One-Pot-seq方法。利用该方法，本研究对高容量顺式调控元件DNA与c-Fos/c-Jun转录因子随机突变库间的相互作用进行了筛选，并发现野生型转录复合物最为稳定。这显示核酸结合结构域氨基酸与调控元件DNA序列的碱基之间的能量耦合，实现了热力学上的稳定，导致了其进化保守性。此外本研究还发现bZIP转录因子家族中，蛋白质互作区域的进化空间远大于核酸结合区域。因此，蛋白质互作结构域的突变是bZIP家族转录因子进化的热点区域，是产生转录调控特异性的关键因素。最后，本研究探讨了bZIP家族Nrf2和其他转录因子的生物学功能，特别是在人类疾病中的作用。本研究总结了Nrf2在癌症，代谢类疾病和神经退行性疾病中的双面作用，指出在疾病治疗中对Nrf2的调控需要更加全面慎重的评价。本研究还通过多种遗传学和生物信息学方法探讨了其他转录因子在人类疾病中的作用，并鉴定了转录因子与疾病间的关联。本课题的研究填补了bZIP组合调控机制研究领域的空白，为理解bZIP蛋白互作影响核酸识别特异性提供了基本理论模型，对转录调控回路的人工构建以及针对转录因子的药物设计都有深远的指导意义，对指导医疗实践亦具有潜在价值。

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