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。     

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。     

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.     

一个用于黄单胞菌核开关筛选鉴定的GUS报告载体的构建

核开关(riboswitch)是存在于信使RNA(messenger RNA, mRNA)分子的5′非翻译区(5′-untranslated region, 5′UTR)的一段具有调控功能的RNA片段,它通过与特定的代谢物分子直接结合来调控所在mRNA自身的表达。核开关广泛存在于细菌中,在调控细菌的基础代谢以及致病等生理过程中发挥非常重要的作用。尽管目前在大肠杆菌(Escherichia coli)等模式细菌中已经鉴定了许多核开关,然而,至今在重要的植物病原细菌黄单胞菌属(Xanthomonas)细菌中只鉴定了1个核开关。为了实现在全基因组水平上对黄单胞菌的核开关进行高通量筛选鉴定,本研究设计和构建了1个β-葡萄糖苷酸酶(β-glucuronidase, GUS)报告载体pL3-SD⁺gusA。该载体既适用于在黄单胞菌属细菌中对候选的核开关进行验证,也可以通过构建基因组DNA表达文库而实现对黄单胞菌核开关的高通量筛选鉴定。     

前列腺素核受体系统信号转导及基因表达调控

脂肪酸和前列腺素等脂代谢的产物不仅通过膜受体起作用,也可以通过与核受体结合来调节基因表达.前列腺素I₂(PGI₂)既可以与G蛋白偶联的细胞表面IP受体起作用,也可以通过核受体过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARs）发挥生物学功能.前列腺素E₂(PGE₂)的受体（EPs）不仅仅在质膜上有,最近在核膜上也发现了EPs受体.前列腺素核受体介导的信号转导途径与膜受体介导的信号途径不同,对于基因转录的调控机制也不同.     

核开关结构、机制及应用新进展

核开关(riboswitch)是Breaker等在2002年发现的一种全新的转录后调节机制．它可以通过小分子与mRNA结合来直接调控基因的表达,不需要任何蛋白质的参与．与常见的经由蛋白质的调控方式相比,riboswitch响应更迅速,对细胞内代谢物的变化更敏感．它的发现为RNA研究展示了新的领域． 目前在这个领域,既有基础研究,如riboswitch晶体结构解析、作用机制和动力学研究,又有前沿应用研究,如基于riboswitch的生物传感器和药物设计．Topp等通过设计riboswitch成功地改变了大肠杆菌的趋化性,这为合成生物学和人工生物网络的设计提供了新思路．目前对于riboswitch结构、机制及动力学的研究为基于riboswitch的合理药物设计奠定了基础,有望针对这一新的机制开发新一代抗菌药物．     

昼夜节律钟调控代谢的研究进展

生理和行为的昼夜节律性调控对健康生活是必需的。越来越多的流行病学和遗传学证据显示昼夜节律的破坏与代谢紊乱性疾病相关联。在分子水平上,昼夜节律受到时钟蛋白组成的转录一翻译负反馈环的调控。时钟蛋白通过以下两种途径调节代谢：首先,时钟蛋白作为转录因子直接调节一些代谢关键步骤的限速酶和代谢相关核受体的表达,其次作为代谢相关核受体的辅调节因子来激活或抑制其转录活性。虽然时钟蛋白对代谢途径的调节导致代谢物水平呈昼夜节律振荡,但是产生的代谢物反过来又可以影响昼夜节律钟基因的表达,进而影响昼夜节律钟。深入研究昼夜节律钟与代谢的交互调节可能为治疗某些代谢紊乱性疾病提供新的治疗方案。     

代谢物生物传感器:微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具

代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元件,如转录因子、核糖开关等,有着不同的响应机理,后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等,取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例,主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择,同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。     

L-精氨酸合成及高产菌选育与发酵研究进展

精氨酸是合成蛋白质的重要原料,是一些代谢途径的中间代谢物.它在人和动物体内具有重要的生理生化功能,在食品与医药工业应用十分广泛.对精氨酸高产菌株选育、发酵工艺优化、真核生物中的合成途径、代谢调控机制等方面最新研究进展做了综述.     

白藜芦醇代谢物的研究进展

白藜芦醇是一些植物在受到生物和非生物胁迫时产生的一种植物抗毒素.它在植物体内会迅速被代谢而生产紫檀芪、云杉新苷、viniferins等代谢物.这些代谢物与白藜芦醇一样具有抗菌、消炎、抗血小板凝集、防止细胞癌变等一系列的生物活性,且有些代谢物的选择性、稳定性远远大于白藜芦醇.本文对白藜芦醇代谢物中几种主要代谢物的合成途径、生物活性、代谢调控、检测方法等进行了综述.     

Coenzyme B12 riboswitches are widespread genetic control elements in prokaryotes

Recent studies have begun to reveal that numerous fundamental metabolic pathways in bacteria are regulated by riboswitches residing within certain messenger RNAs. These riboswitches selectively bind metabolites and modulate gene expression in response to changing ligand concentrations. Previously, we provided evidence that the btuB mRNAs of Escherichia coli and Salmonella typhimurium each carry a coenzyme B12-dependent riboswitch that causes repressed translation of the encoded cobalamin-transport protein at elevated coenzyme concentrations. Herein, we use a phylogenetic analysis to define a consensus sequence and secondary structure model for the ligand- binding domain of this riboswitch class. RNA structures that conform to this model are widespread in both Gram-positive and Gram-negative organisms. In addition, we find that the 5'-untranslated region (5'-UTR) of the cobalamin biosynthesis (cob) operon of S.typhimurium carries an RNA motif that matches this consensus sequence. Biochemical and genetic characterization of this motif confirms that the RNA directly binds coenzyme B12, and that it likely serves as a genetic control element for regulating expression of the 25-gene operon for cobalamin production in this pathogen.     

Atomistic basis for the on–off signaling mechanism in SAM-II riboswitch

Many bacterial genes are controlled by metabolite sensing motifs known as riboswitches, normally located in the 5′ un-translated region of their mRNAs. Small molecular metabolites bind to the aptamer domain of riboswitches with amazing specificity, modulating gene regulation in a feedback loop as a result of induced conformational changes in the expression platform. Here, we report the results of molecular dynamics simulation studies of the S-adenosylmethionine (SAM)-II riboswitch that is involved in regulating translation in sulfur metabolic pathways in bacteria. We show that the ensemble of conformations of the unbound form of the SAM-II riboswitch is a loose pseudoknot structure that periodically visits conformations similar to the bound form, and the pseudoknot structure is only fully formed upon binding the metabolite, SAM. The rate of forming contacts in the unbound form that are similar to that in the bound form is fast. Ligand binding to SAM-II alters the curvature and base-pairing of the expression platform that could affect the interaction of the latter with the ribosome.     

Discovery and characterization of a fourth class of guanidine riboswitches

Riboswitches are RNAs that specifically sense a small molecule and regulate genes accordingly. The recent discovery of guanidine-binding riboswitches revealed the biological significance of this compound, and uncovered genes related to its biology. For example, certain sugE genes encode guanidine exporters and are activated by the riboswitches to reduce toxic levels of guanidine in the cell. In order to study guanidine biology and riboswitches, we applied a bioinformatics strategy for discovering additional guanidine riboswitches by searching for new candidate motifs associated with sugE genes. Based on in vitro and in vivo experiments, we determined that one of our six best candidates is a new structural class of guanidine riboswitches. The expression of a genetic reporter was induced 80-fold in response to addition of 5 mM guanidine in Staphylococcus aureus. This new class, called the guanidine-IV riboswitch, reveals additional guanidine-associated protein domains that are extremely rarely or never associated with previously established guanidine riboswitches. Among these protein domains are two transporter families that are structurally distinct from SugE, and could represent novel types of guanidine exporters. These results establish a new metabolite-binding RNA, further validate a bioinformatics method for finding riboswitches and suggest substrate specificities for as-yet uncharacterized transporter proteins.