核糖开关与基因表达调控

核糖开关(riboswitch)是近几年基因表达调控研究的一个热点.核糖开关位于mRNA的非翻译区(untranslated regions, UTR),能够直接感受胞内外信号并引起自身二级结构的变化,在转录或后转录（翻译和mRNA稳定性）水平实现对下游相关基因的表达调控,该过程不依赖于包括蛋白质在内的其它任何因子的作用. 根据现已发现的核糖开关所能识别的信号因子类型,可以将其分为4类,即小分子代谢物、金属离子、环境因素及空载tRNA敏感的核糖开关;其中,小分子代谢物敏感的核糖开关是发现和研究最多且最深入的一类. 随着研究的深入,将会有更多的核糖开关被发现,这不仅有助于理解生物进化与环境适应性,而且在生物学基础研究,新型药物的开发以及工业生产领域都将发挥重要作用.     

核糖开关的结构和调控机理

一种新发现的RNA分子——核糖开关,通过感知代谢物浓度的变化调控目标基因的表达。它可以调整自身的结构直接结合代谢物小分子,而不需要蛋白因子的参与。在原核生物中发现了大量的核糖开关,在真核生物如植物和真菌中也发现了核糖开关。核糖开关由适体域和表达平台两个功能域组成,能在不同水平调控基因的表达,如转录终止、翻译起始、mRNA剪辑和加工。核糖开关不需要蛋白因子的参与,因此人们认为它可能是古代RNA世界的遗留物。核糖开关作为RNA传感器可以设计成一种基因控制元件,在未来的基因治疗方面可能具有很大的应用前景。     

新型基因表达调控元件——人工核糖开关的构建及筛选

核糖开关作为一种新发现的RNA元件,可以高效、准确、快速地执行基因调控任务,且免疫原性低,有可能在将来以顺式模块的方式应用于未来的基因治疗。近年来已经成功构建了多种人造核糖开关,构建方法主要是利用人工适体元件与基因表达调控元件组装,或者是在天然核糖开关基础上进行改造。文中全面综述了涉及人工核糖开关设计及筛选的技术,讨论了可以用于哺乳细胞、响应非天然配体信号、调控特征为热力学和动力学控制的核糖开关的设计新策略,并对核糖开关的筛选构建策略及其在基因治疗及新型药物开发领域的应用前景进行了展望。尽管目前将核糖开关设计成为功能强大的新型基因调控系统还面临很大的困难,但通过构效关系的研究、计算机辅助设计、体外筛选及细胞内筛选技术、高通量优化筛选等技术的综合应用,核糖开关一定可以成为有力的基因调控工具,如能成功应用则可大大促进基因治疗临床化的进程。     

核糖开关的研究及应用

核糖开关是一类自然界中天然存在的适配子,通过结合小分子代谢物调控基因的表达。它位于特定的mRNA非编码区,可以不依赖任何蛋白质因子而直接结合代谢物并发生构象变化,在转录和翻译水平上参与调控生物的基本代谢途径。目前已知核糖开关不仅广泛存在于细菌的代谢相关基因中,还存在于某些真菌和植物中。对核糖开关的深入研究将为基因功能研究、生物传感器研发以及新型抗菌药物开发等提供新的途径。     

小分子靶标的核糖开关生物传感器研究进展

小分子化合物种类繁多,在众多生化过程中发挥关键作用,具有重要的检测意义与价值,其快速灵敏可视化检测技术的开发是当前的研究热点。基于核糖开关的生物传感器因具有识别特性高、操作简便、成本低等优势,为小分子检测提供了一条新途径。对核糖开关的来源、构成、调控机制、体内外筛选,特别是对基于小分子靶标的核糖开关生物传感器分类进行了介绍,并从核糖开关的筛选、裁剪、理性设计、核糖开关无细胞传感器的应用等几个方向提出了展望,以期为小分子靶标的核糖开关生物传感器的发展和应用提供理论依据。     

茶碱激活型RNA分子开关的构建及在枯草芽胞杆菌中调节外源基因表达的性能

枯草芽胞杆菌Bacillussubtilis在工业生物技术以及合成生物学领域作为一种重要的微生物可广泛用作代谢工程、重组蛋白表达以及新型基因电路的底盘。在B. subtilis中构建基于非编码RNA的高精准调节元件,能够实现不依赖蛋白质因子的基因表达调控,丰富B.subtilis基因表达通用工具。通过基因工程手段,设计了基于茶碱适体域的核糖开关E和适体核酶AZ调节元件,并与不同的B.subtilis内源组成型启动子适配,构建出茶碱激活型基因表达控制元件。测定这两种调节元件与6种组成型启动子组合匹配下报告基因GFP的荧光强度,鉴定并分析各调控元件的工作性能。并进一步以红色荧光蛋白mCherry和普鲁兰酶两种不同的异源蛋白验证核糖开关或适体核酶与启动子的最优组合。结果表明,同一种RNA调节元件与不同启动子组合呈现不同水平的调控效率。在核糖开关与启动子的组合中,启动子PsigW和核糖开关E组合(sigWE)对GFP表达的诱导率最高,达到16.8。在适体核酶与启动子的组合中,AZ与启动子P43、PrpoB组合(P43AZ和rpoBAZ)的诱导率最高,分别达到了6.1和6.2。进一步验证结果显示,sigWE调控mCherry的诱导率最高(9.2),而P43E调控普鲁兰酶的诱导率最高(32.8),产酶水平达到了81U/mL。核糖开关和适体核酶对GFP、mCherry、普鲁兰酶均能实现调控,但是不同元件组合的调控性能有所差异,对不同基因的调控效果也不尽相同。     

mRNA稳定机制在低氧反应基因表达调控中的作用

几乎所有生物的信使RNA稳定性都影响基因表达。而mRNA的稳定性除了由其本身的序列和识别该序列的结合蛋白共同决定外,还受特异性的顺式作用元件和mRNA结合蛋白的影响。真核细胞中有3个独特的顺式作用元件：富AU元件（ARE）、茎环结构和富嘧啶结构,在mRNA稳定性调节中发挥重要作用。本文着重论述mRNA稳定机制在低氧诱导的一系列基因表达调控中的作用。     

阿片受体基因表达调控的最新进展

20世纪90年代早期,科研人员成功克隆了μ、δ和κ3种经典的阿片受体基因,近两三年来又克隆出了孤儿(orphan)受体。目前的研究证实,这些阿片受体基因的调控主要分为转录调节和转录后调节。在转录水平上,最近的研究揭示了众多的转录因子、维生素A酸以及胞质分裂在阿片受体基因表达调控上的作用。转录后调控包括了对基因转录副本的选择性拼接,mRNA稳定性的改变以及翻译效率的影响。     

Thermodynamic and kinetic characterization of ligand binding to the purine riboswitch aptamer domain

Riboswitches are cis-acting genetic regulatory elements found commonly in bacterial mRNAs that consist of a metabolite-responsive aptamer domain coupled to a regulatory switch. Purine riboswitches respond to intracellular concentrations of either adenine or guanine/hypoxanthine to control gene expression. The aptamer domain of the purine riboswitch contains a pyrimidine residue (Y74) that forms a Watson-Crick base-pairing interaction with the bound purine nucleobase ligand that discriminates between adenine and guanine. We sought to understand the structural basis of this specificity and the mechanism of ligand recognition by the purine riboswitch. Here, we present the 2,6-diaminopurine-bound structure of a C74U mutant of the xpt-pbuX guanine riboswitch, along with a detailed thermodynamic and kinetic analysis of nucleobase recognition by both the native and mutant riboswitches. These studies demonstrate clearly that the pyrimidine at position 74 is the sole determinant of purine riboswitch specificity. In addition, the mutant riboswitch binds adenine and adenine derivatives well compared with the guanine-responsive riboswitch. Under our experimental conditions, 2,6-diaminopurine binds the RNA with DeltaH=-40.3 kcal mol(-1), DeltaS=-97.6 cal mol(-1)K(-1), and DeltaG=-10.73 kcal mol(-1). A kinetic determination of the slow rate (0.15 x 10(5)M(-1)s(-1) and 2.1 x 10(5)mM(-1)s(-1) for 2-aminopurine binding the adenine-responsive mutant riboswitch and 7-deazaguanine-binding guanine riboswitch, respectively) of association under varying experimental conditions allowed us to propose a mechanism for ligand recognition by the purine riboswitch. A conformationally dynamic unliganded state for the binding pocket is stabilized first by the Watson-Crick base pairing between the ligand and Y74, and by the subsequent ordering of the J2/3 loop, enclosing the ligand within the three-way junction.     

Rational design of artificial riboswitches based on ligand-dependent modulation of internal ribosome entry in wheat germ extract and their applications as label-free biosensors

Riboswitches are RNA elements in mRNA that control gene expression in cis in response to their specific ligands. Because artificial riboswitches make it possible to regulate any gene with an arbitrary molecule, they are expected to function as biosensors, in which the output is easily detectable protein expression. I report herein a fully rational design strategy for artificially constructing novel riboswitches that work in a eukaryotic cell-free translation system (wheat germ extract). In these riboswitches, translation mediated by an internal ribosome entry site (IRES) is promoted only in the presence of a specific ligand (ON), while it is inhibited in the absence of the ligand (OFF). The first rationally designed riboswitch, which is regulated by theophylline, showed a high switching efficiency and dependency on theophylline. In addition, based on the design of the theophylline-dependent riboswitch, other three kinds of riboswitches controlled by FMN, tetracycline, and sulforhodamine B, were constructed only by calculating the ΔG value of one stem-loop structure. The rational design strategy described herein is therefore useful for easily producing various ligand-dependent riboswitches, which are available as biosensors for detecting their ligands.