细菌小RNA调控的分子机制定量研究

Non-coding RNAs are widespread in prokaryotes and eukaryotes.It become a hot research field to study their biological functions in these recent years. By introducing concepts and methods of statistical physics, we will quantitatively study molecular mechanisms of bacterial small RNA gene regulation both experimentally and theoretically. By constructing a variety of mutants for a small RNA and its target gene, we will study: 1)the relationship between RNA sequence, structure and regulatory functions; 2) how does the kinetic process of the small RNA pairing with its target mRNA affect its regulatory functions; 3) the roles of RNA chaperone Hfq in different small RNA regulatory systems. From quantitative gene expression measurements and theoretical modeling, we will build a statistical physics model for the small RNA gene regulation, and thus get a deeper understanding of the laws of the RNA-based gene regulation. Based on these quantitative information, we will use small RNA as a component to build an unique gene regulatory circuit. We will study the dynamics and effects of noise in this small RNA gene circuit both experimentally and theoretically.

非编码RNA广泛存在于原核和真核生物中，它们的功能是目前生物学研究热点问题。本项目将引入统计物理学的概念和方法，实验和理论结合定量研究细菌小RNA基因调控的分子机制。通过构建小RNA及其靶基因的各种突变，研究：1）RNA的序列、结构和调控功能之间的关系；2）小RNA与靶基因mRNA互补配对的动力学过程对调控功能的影响；3）RNA分子伴侣蛋白Hfq在不同的小RNA调控机制中的作用。定量基因表达调控数据的测量，结合理论建模得到小RNA基因调控的统计物理模型，进而对基于RNA的基因调控的规律有更深的理解。在此基础上，利用小RNA构建独特的基因调控回路。理论和实验结合研究小RNA基因回路的动力学以及各种噪声的影响。

非编码RNA以及RNA调控单元广泛存在于原核和真核生物中，它们的功能以及作用机制是目前生物学研究的热点问题。本项目引入统计物理学的概念和方法，实验和理论相结合定量研究了RNA相关的细菌基因调控以及细菌生理问题。通过构建不同的突变体，定量测量细菌基因表达以及细菌生长的变化，提出了相关的基因调控机制以及细菌整体调控模型。研究成果包括：（1）实验研究了RNA序列、结构与细菌小RNA调控功能的关系，发现不仅是小RNA与其靶基因mRNA相互作用的热力学对调控功能有影响，它们互补配对的动力学过程在生物学功能上也扮演重要作用，提出了细菌小RNA基因调控的统计物理模型；（2）实验研究了Rho因子无关的转录终止子终止效率与位置及附近序列的相关性。基于原核生物转录翻译耦合机制对实验进行了解释，并提出用转录翻译延伸过程的随机性带来的转录翻译耦合的随机性来解释终止效率与终止子位置的关系；（3）理论研究由组成型或两态启动子驱动的操纵子在转录和翻译水平调节基因表达比例时基因表达的噪声和关联，得到了内噪声和内噪声关联的解析表达式，从基因表达的噪声和关联的角度研究了原核生物功能相关基因表达水平调控的策略；（4）基于细菌自我复制的机制，建立了一个不依赖于分子细节的细菌蛋白资源分配的最优化模型，并进行了实验验证。这些结果从统计物理的视角给出了相关生物学问题新的理解。

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