RNA溫度計

这是一篇优良条目,点击此处获取更多信息。
本页使用了标题或全文手工转换
维基百科,自由的百科全书
一種RNA溫度計FourU的RNA模體SD序列高亮表示

RNA溫度計(RNA thermometer),亦稱RNA溫度傳感器(RNA thermosensor)是一類對溫度敏感的非編碼RNA,能隨溫度變化調控基因表达。RNA溫度計主要調控與熱休克和冷休克反應有關的基因,但與致病性飢餓狀態等過程相關的基因調控也有關係[1]

RNA溫度計一般通過二級結構的改變對溫度變化做出反應。結構的改變會使RNA上核糖體結合位點等重要區域暴露或遮蔽,進而改變對應編碼基因轉譯速率。

RNA溫度計與核糖開關一樣,都是支持RNA世界假說的有力證據。RNA世界假說認爲RNA為早期生命的唯一組成成分,但隨生物進化,RNA攜帶遺傳信息的功能由DNA取代,RNA的生物催化活性由蛋白質取代,形成了今日的DNA-RNA-蛋白質系統[2][3]

RNA溫度計的實例有FourU溫度計英语FourU[4]Hsp90順式作用元件英语Hsp90 cis-regulatory element[5]ROSE元件英语Repression of heat shock gene expression (ROSE) element[6]以及Hsp17溫度計英语Hsp17 thermometer[7]

發現

溫度敏感的RNA元件於1989年首次發現[8]。不過,早在1986年,研究人員就發現λ噬菌體cIIImRNA轉錄開始位點上游的突變會影響cIII蛋白質的轉譯速率[9]。cIII蛋白質與λ噬菌體對溶原性循環英语lysogenic cycle裂解循環英语Lytic cycle的選擇有關,高濃度的cIII蛋白能促進溶原化[9]。進一步的研究表明cIII mRNA上游區域一定存在兩種二級結構之一。實驗表明,這兩種結構可以完全互換,其活性都依賴鎂離子濃度和溫度[8][10]。現在已知該結構就是RNA溫度計。該結構的作用即促進噬菌體在高溫壓力下轉入裂解循環,以保證噬菌體能快速複製,脫離原宿主細胞[1]

RNA溫度計這一名詞是在1999年提出的[11],最初, 該名詞用於描述大腸桿菌中發現的RNA元件rpoH[12]。2007年,研究人員通過生物信息學手段發現了一些可能爲新的RNA溫度計的序列[13]。使用傳統的序列-鹼基搜尋方法找尋RNA溫度計效率很低,因爲RNA溫度計的二級結構比一級結構(核酸序列)保守得多[13]

分佈

目前的觀點認爲,大部分RNA溫度計都位於編碼熱休克蛋白(HSP)的mRNA的5'端非轉譯區(UTR)。但有研究人員提出,在基因組數據中找尋非保守的短RNA序列本身就很難,加上採樣可能出偏差,因而得出了上述(不準確的)結論[14][15]

儘管絕大部分RNA溫度計都是在原核生物中發現的,但科學家亦於包括人在內的哺乳動物體內發現了可能爲RNA溫度計的非編碼RNA[16],即熱休克RNA-1(HSR1)。在人體內,這種RNA分子在溫度超過37攝氏度(即人的正常體溫英语ormal human body temperature)時能活化熱休克轉錄因子-1英语HSF1(HSF1)基因的表現,進而激活保護性蛋白的表現,達到防止細胞過熱的目的[16]

結構

ROSE元件英语Repression of heat shock gene expression (ROSE) element結構的3D示意圖[17]

RNA溫度計結構上很簡單,短RNA序列就能構成。目前已知最短的RNA溫度計發現於某種集胞藻體內(Synechocystis sp. PCC6803),只有44個核苷酸殘基(44nt)長,為編碼熱休克蛋白hsp17英语HSP17的mRNA[18][19]。大部分RNA溫度計的長度都介於60-110nt之間[20]。RNA溫度計通常都含有髮卡結構(莖環結構)。RNA溫度計的髮卡結構因爲有少量的錯配鹼基對,穩定性較差,因此在溫度升高後很容易去摺疊[21]

對RNA溫度計ROSE元件英语Repression of heat shock gene expression (ROSE) element的具體結構分析表明,G-G、U-U、UC-U等錯配的鹼基對之間以非標準的鹼基配對連結,有利於RNA雙螺旋結構的維持(如左圖所示)。另外,這些非常規的鹼基配對穩定性較差,溫度升高後,很容易就解開,使SD序列暴露[17]

一些RNA溫度計的結構遠比一個單一的髮卡結構複雜,比如,研究人員推測CspA mRNA5'端非轉譯區英语CspA mRNA 5' UTR含有一個假結與多個髮卡結構[22][23]

人工合成的RNA溫度計通常都設計成只含有一個簡單莖環結構[24]。然而,這樣的短RNA溫度計的二級結構對突變很敏感,即使是一個鹼基對的變化(點突變)也可能造成其莖環結構在體內(in vivo)失活[25]

機理

(RNA溫度計中)原本穩定的髮卡結構(左圖)在溫度升高後會解旋(右圖),使SD序列(以高亮標出)暴露,RNA溫度計得以與核糖體的30S亞基結合[1]

RNA溫度計一般位於mRNA5'端非轉譯區,即編碼基因的上游[1]。位於此處使得RNA溫度計能遮蔽核糖體結合位點(RBS),阻止mRNA轉譯爲蛋白質[14]。隨溫度增加,莖環結構會解旋,使核糖體結合位點或SD序列暴露,使得mRNA能與核糖體30S亞基(小亞基)結合。緊接着,轉譯機器會完成組裝[1]起始密碼子一般位於SD序列下游8個核苷酸殘基處[14]。從起始密碼子開始,轉譯正式開始,核糖體隨後能轉譯出一整條多肽鏈,到終止密碼子爲止[26]。除了這種順式作用機理外,在飢餓反應相關的RposS mRNA 5'非轉譯區英语RpoS mRNA 5'UTR中還發現了一個使用反式作用機理的特例。[1]

RNA溫度計的一個特例是腸道沙門氏菌Salmonella enterica)體內發現的FourU[4]。當處於大約45攝氏度的環境中時,SD序列所在區域的「莖」結構鹼基配對會解開,使mRNA能與核糖體結合,啓動轉譯[25]。已證明FourU的穩定性與Mg2+的濃度有關[27]。目前,研究得最透徹的RNA溫度計位於大腸桿菌E. coli)的rpoH基因中[28]。該RNA溫度計能在高溫環境下通過一種特殊的熱休克σ因子σ32上調熱休克蛋白的表現水平[11]

一般來說,RNA溫度計都與熱誘導蛋白質的表現有關,不過,RNA溫度計也能調控冷休克蛋白質的表現[22]。比如,嗜热栖热菌英语Thermus thermophilusThermus thermophilus)中兩種7kDa的蛋白質的表現就受RNA溫度計的調控[29],另外,在肠杆菌目中也發現了類似的調控機制[23]

病原體可利用對37攝氏度的溫度敏感的RNA溫度計激活感染相關基因的表現[14]。比如,在李斯特菌細胞內,一種調控與毒性相關的基因轉錄的關鍵蛋白由prfA基因編碼。研究人員設計了以下實驗證明RNA溫度計對prfA表現的上調英语Downregulation and upregulation:將PrfA溫度調控非轉譯區英语PrfA thermoregulator UTR與綠色螢光蛋白基因融合,再將其置於大腸桿菌的T7啓動子調控之下。於37攝氏度下,可以觀察到綠色螢光蛋白的表現,而在30攝氏度下無法觀察到[30]

對RNA世界學說的影響

RNA世界學說認為在早期生命中,RNA既是遺傳信息的載體,又具有生物催化活性。另外,還有RNA扮演基因表現調控和感受器的角色[31]。該學說認為,現在的DNA-RNA-蛋白質系統是由上述原始的RNA生物進化而來,因為DNA-RNA-蛋白質系統相對原始的RNA生物具有優勢,使用DNA-RNA-蛋白質系統的生物在自然選擇中勝過了RNA生命,成為現代生命的形式。DNA-RNA-蛋白質系統中,RNA攜帶遺傳信息的功能由DNA取代,其生物活性則由蛋白質取代。但仍然保留有部分具有催化活性的RNA,即核酶[2]

RNA溫度計以及核糖開關因爲其廣泛分佈於各物種之中,都被認爲是RNA生命向現代的DNA-RNA-蛋白質系統過渡時產生的進化遺蹟[32]。一般認爲,在早期的RNA世界中,RNA溫度計的作用是對其他的RNA分子進行溫度依賴性的調控[2][33]。在現代生物中,RNA溫度計可以說是一個RNA世界的良好分子化石[2]

其他實例

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S. RNA thermometers. FEMS Microbiol. Rev. January 2006, 30 (1): 3–16 [2011-04-23]. PMID 16438677. doi:10.1111/j.1574-6976.2005.004.x. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Atkins, John F.; Gesteland, Raymond F.; Cech, Thomas. The RNA world: the nature of modern RNA suggests a prebiotic RNA world. Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2006. ISBN 0-87969-739-3. 
  3. ^ 胡火珍、稅青林等. 醫學細胞生物學(第7版). 北京: 科學出版社. 2015: 8–9. ISBN 978-7-03-042238-5. 
  4. ^ 4.0 4.1 Waldminghaus T, Heidrich N, Brantl S, Narberhaus F. FourU: a novel type of RNA thermometer in Salmonella. Mol. Microbiol. July 2007, 65 (2): 413–24 [2010-07-16]. PMID 17630972. doi:10.1111/j.1365-2958.2007.05794.x. [永久失效連結]
  5. ^ 5.0 5.1 Ahmed, R; Duncan RF. Translational regulation of Hsp90 mRNA. AUG-proximal 5'-untranslated region elements essential for preferential heat shock translation. J Biol Chem. 2004, 279 (48): 49919–49930. PMID 15347681. doi:10.1074/jbc.M404681200. 
  6. ^ 6.0 6.1 Nocker, A; Hausherr T; Balsiger S; Krstulovic NP; Hennecke H; Narberhaus F. A mRNA-based thermosensor controls expression of rhizobial heat shock genes. Nucleic Acids Res. 2001, 29 (23): 4800–4807. PMC 96696可免费查阅. PMID 11726689. doi:10.1093/nar/29.23.4800. 
  7. ^ Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor.. Nucleic Acids Res. 2011, 39 (7): 2855–68. PMC 3074152可免费查阅. PMID 21131278. doi:10.1093/nar/gkq1252. 
  8. ^ 8.0 8.1 Altuvia, S; Kornitzer, D; Teff, D; Oppenheim, AB. Alternative mRNA structures of the cIII gene of bacteriophage lambda determine the rate of its translation initiation. Journal of Molecular Biology. 1989-11-20, 210 (2): 265–80. PMID 2532257. doi:10.1016/0022-2836(89)90329-X. 
  9. ^ 9.0 9.1 Altuvia, S; Oppenheim, AB. Translational regulatory signals within the coding region of the bacteriophage lambda cIII gene. Journal of Bacteriology. Jul 1986, 167 (1): 415–9. PMC 212897可免费查阅. PMID 2941413. 
  10. ^ Altuvia, S; Kornitzer, D; Kobi, S; Oppenheim, AB. Functional and structural elements of the mRNA of the cIII gene of bacteriophage lambda. Journal of Molecular Biology. 1991-04-20, 218 (4): 723–33. PMID 1827163. doi:10.1016/0022-2836(91)90261-4. 
  11. ^ 11.0 11.1 Storz, G. An RNA thermometer. Genes & Development. 1999-03-15, 13 (6): 633–6. PMID 10090718. doi:10.1101/gad.13.6.633. 
  12. ^ Morita, MT; Tanaka, Y; Kodama, TS; Kyogoku, Y; Yanagi, H; Yura, T. Translational induction of heat shock transcription factor sigma32: evidence for a built-in RNA thermosensor. Genes & Development. 1999-03-15, 13 (6): 655–65. PMC 316556可免费查阅. PMID 10090722. doi:10.1101/gad.13.6.655. 
  13. ^ 13.0 13.1 Waldminghaus, T; Gaubig, LC; Narberhaus, F. Genome-wide bioinformatic prediction and experimental evaluation of potential RNA thermometers. Molecular genetics and genomics : MGG. Nov 2007, 278 (5): 555–64. PMID 17647020. doi:10.1007/s00438-007-0272-7. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 14.3 Narberhaus F. Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs. RNA Biol. 2010, 7 (1): 84–9 [2011-04-23]. PMID 20009504. doi:10.4161/rna.7.1.10501. 
  15. ^ Johansson J. RNA thermosensors in bacterial pathogens. Contrib Microbiol. Contributions to Microbiology. 2009, 16: 150–60. ISBN 978-3-8055-9132-4. PMID 19494584. doi:10.1159/000219378. 
  16. ^ 16.0 16.1 Shamovsky I, Ivannikov M, Kandel ES, Gershon D, Nudler E. RNA-mediated response to heat shock in mammalian cells. Nature. March 2006, 440 (7083): 556–60. Bibcode:2006Natur.440..556S. PMID 16554823. doi:10.1038/nature04518. 
  17. ^ 17.0 17.1 Chowdhury, S; Maris, C; Allain, FH; Narberhaus, F. Molecular basis for temperature sensing by an RNA thermometer. The EMBO Journal. 2006-06-07, 25 (11): 2487–97. PMC 1478195可免费查阅. PMID 16710302. doi:10.1038/sj.emboj.7601128. 
  18. ^ Kortmann, J; Sczodrok, S; Rinnenthal, J; Schwalbe, H; Narberhaus, F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor.. Nucleic Acids Research. Apr 2011, 39 (7): 2855–68. PMC 3074152可免费查阅. PMID 21131278. doi:10.1093/nar/gkq1252. 
  19. ^ Kortmann J, Sczodrok S, Rinnenthal J, Schwalbe H, Narberhaus F. Translation on demand by a simple RNA-based thermosensor. Nucleic Acids Res. April 2011, 39 (7): 2855–68 [2011-04-23]. PMC 3074152可免费查阅. PMID 21131278. doi:10.1093/nar/gkq1252. 
  20. ^ Waldminghaus T, Fippinger A, Alfsmann J, Narberhaus F. RNA thermometers are common in alpha- and gamma-proteobacteria. Biol. Chem. December 2005, 386 (12): 1279–86. PMID 16336122. doi:10.1515/BC.2005.145. 
  21. ^ Narberhaus, F. Translational control of bacterial heat shock and virulence genes by temperature-sensing mRNAs.. RNA biology. Jan–Feb 2010, 7 (1): 84–9. PMID 20009504. doi:10.4161/rna.7.1.10501. 
  22. ^ 22.0 22.1 Breaker RR. RNA switches out in the cold. Mol. Cell. January 2010, 37 (1): 1–2 [2010-07-23]. PMID 20129048. doi:10.1016/j.molcel.2009.12.032. (原始内容存档于2017-11-02). 
  23. ^ 23.0 23.1 Giuliodori AM, Di Pietro F, Marzi S, et al. The cspA mRNA is a thermosensor that modulates translation of the cold-shock protein CspA. Mol. Cell. January 2010, 37 (1): 21–33. PMID 20129052. doi:10.1016/j.molcel.2009.11.033. 
  24. ^ Neupert, J; Karcher, D; Bock, R. Design of simple synthetic RNA thermometers for temperature-controlled gene expression in Escherichia coli. Nucleic Acids Research. Nov 2008, 36 (19): e124. PMC 2577334可免费查阅. PMID 18753148. doi:10.1093/nar/gkn545. 
  25. ^ 25.0 25.1 Nikolova EN, Al-Hashimi HM. Thermodynamics of RNA melting, one base pair at a time. RNA. September 2010, 16 (9): 1687–91. PMC 2924531可免费查阅. PMID 20660079. doi:10.1261/rna.2235010. 
  26. ^ Jocelyn E. Krebs; et al. Genes XI. JONES&BARTLETT LEARNING(高等教育出版社版). 2014: 37. ISBN 978-7-04-039649-2. 
  27. ^ Rinnenthal, J; Klinkert, B; Narberhaus, F; Schwalbe, H. Modulation of the stability of the Salmonella fourU-type RNA thermometer. Nucleic Acids Research. 2011-07-04, 39 (18): 8258–70. PMC 3185406可免费查阅. PMID 21727085. doi:10.1093/nar/gkr314. 
  28. ^ Shah P, Gilchrist MA. Spirin, Alexander S. , 编. Is thermosensing property of RNA thermometers unique?. PLoS ONE. 2010, 5 (7): e11308. PMC 2896394可免费查阅. PMID 20625392. doi:10.1371/journal.pone.0011308. 
  29. ^ Mega R, Manzoku M, Shinkai A, Nakagawa N, Kuramitsu S, Masui R. Very rapid induction of a cold shock protein by temperature downshift in Thermus thermophilus. Biochem. Biophys. Res. Commun. August 2010, 399 (3): 336–40. PMID 20655297. doi:10.1016/j.bbrc.2010.07.065. 
  30. ^ Johansson J, Mandin P, Renzoni A, Chiaruttini C, Springer M, Cossart P. An RNA thermosensor controls expression of virulence genes in Listeria monocytogenes. Cell. September 2002, 110 (5): 551–61 [2011-04-23]. PMID 12230973. doi:10.1016/S0092-8674(02)00905-4. (原始内容存档于2017-11-02). 
  31. ^ Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. February 1986, 319 (6055): 618–618. Bibcode:1986Natur.319..618G. doi:10.1038/319618a0. 
  32. ^ Serganov, A; Patel, DJ. Ribozymes, riboswitches and beyond: regulation of gene expression without proteins. Nature Reviews Genetics. Oct 2007, 8 (10): 776–90. PMID 17846637. doi:10.1038/nrg2172. 
  33. ^ Bocobza, SE; Aharoni, A. Switching the light on plant riboswitches. Trends in Plant Science. Oct 2008, 13 (10): 526–33. PMID 18778966. doi:10.1016/j.tplants.2008.07.004. 
  34. ^ Gaubig, LC; Waldminghaus, T; Narberhaus, F. Multiple layers of control govern expression of the Escherichia coli ibpAB heat-shock operon. Microbiology (Reading, England). Jan 2011, 157 (Pt 1): 66–76. PMID 20864473. doi:10.1099/mic.0.043802-0. 
  35. ^ Balsiger, S; Ragaz C; Baron C; Narberhaus F. Replicon-specific regulation of small heat shock genes in Agrobacterium tumefaciens. J Bacteriol. 2004, 186 (20): 6824–6829. PMC 522190可免费查阅. PMID 15466035. doi:10.1128/JB.186.20.6824-6829.2004.