核糖开关的结构和配体结合规律

核糖开关是一种RNA固有的基因表达调控系统。近年来,核糖开关的应用受到科研工作者的广泛关注,其结构与功能的研究也越来越受到重视。核糖开关具有哪些结构特征和调控机制,它是如何识别目的配体,又怎样与目的配体紧密结合,全面了解这些机制将为探索新型核糖开关,设计人工高效核糖开关提供重要思路。本文对核糖开关结构特征和调节机制、适体筛选、配体结合规律进行简要介绍。     

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。     

适体核酶型人工核糖开关的设计

适体核酶型核糖开关是近年出现的一种人工基因调控开关。最常见的适体核酶由锤头状核酶和适体组成,结构清晰,易于设计。作为一种顺式作用元件,适体核酶型核糖开关在特异性配体的作用下,无需蛋白质辅助,即可通过调节自身裂解反应,调控mRNA的翻译,可应用于多种细胞的基因调控。目前适体核酶型核糖开关的设计,主要是通过合理组装核酶与适体元件,整合到mRNA后再进行功能筛选。该基因调控开关调节幅度大、响应迅速、调控方式简洁,有可能应用于体内传感器、基因治疗、生物处理器等多个领域。     

glmS核糖开关研究进展

glmS核酶是存在于革兰氏阳性细菌中,对葡糖胺-6-磷酸(GlcN6P)的合成起反馈抑制作用的核糖开关。同时,glmS核糖开关是一种位于glmS基因5′非翻译区的自剪切核酶。glmS核糖开关/核酶通过结合GlcN6P后自剪切抑制下游基因glmS的表达。对glmS核糖开关结构和功能的研究将有助于开发新的抗生素作用靶点。本文对glmS核糖开关的结构和功能进行阐述并介绍glmS核糖开关近年来的研究进展和应用。     

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。     

基于核糖开关的新型基因表达调控系统的应用

核糖开关是能对细胞环境的改变做出反应的顺式作用元件,通过改变自身的构象实现对基因表达的调控。基于核糖开关调控方式简洁,无需蛋白质参与,响应迅速,且自身片段小,结构简单,易于设计和改造等特性使其在生物医学领域体现出诸多应用优势。对核糖开关的结构,调节机理以及这种新型基因表达调控系统在基因治疗、抗生素新靶点的开发、病毒疫苗的安全控制、新型核糖选择器和生物体内传感器的应用进行了综述,旨为启示我国核糖开关的新型应用。     

环二鸟苷单磷酸核糖开关的结构与功能

环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)是细菌中广泛存在的一类核苷类第二信使分子,能够调控细菌的生物被膜形成、运动性、黏附、毒力以及胞外多糖的产生等众多生理活动。核糖开关是m RNA 5′-非翻译区(5′-Untranslational region,5′-UTR)的一段RNA序列,包含可以识别并结合配体的保守序列——适配体区(Aptamer domain,AD),以及结构多变、可以调控下游编码基因的表达平台区(Expression platform,EP)。当代谢物分子浓度比较高时,其与适配体区结合,引起下游的表达平台区发生构象变化,进而实现对下游基因的调节。目前已发现c-di-GMP-Ⅰ和c-di-GMP-Ⅱ两类c-di-GMP的核糖开关。它们通过特异性地结合c-di-GMP,调控种类繁多的下游基因的表达。c-di-GMP-I核糖开关分布广泛,尤其在厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)的细菌中最为丰富。c-di-GMP-Ⅱ核糖开关具备变构核酶的功能,结合c-di-GMP后在其非典型剪切位点处发生结构变化,调节下游基因表达。文中围绕c-di-GMP核糖开关的发现、功能、分类以及下游调控基因的功能进行综述与分析。     

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。     

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。     

等温滴定量热法研究核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的相互作用

核糖开关(riboswitch)是位于m RNA非编码区域的RNA元件,可与小分子配体结合导致结构转变,进而调控下游基因的表达。核糖开关aac能够特异性结合氨基糖苷类抗生素,从而调控氨基糖苷类抗生素抗性基因的表达。目前,核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素相互作用的位点和机制尚不清楚。作者利用等温滴定量热法对核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的结合亲和力及结合热力学性质进行了研究,并初步探讨了点突变对相互作用的影响。结果发现,西索米星、庆大霉素、G418、奈替霉素和巴龙霉素能够特异性结合核糖开关aac,而阿米卡星、卡那霉素A、链霉素、链丝菌素、新霉胺、新霉素及核糖霉素与核糖开关aac无特异性相互作用;核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素的结合热力学性质表明二者通过氢键和范德华力发生相互作用。西索米星滴定核糖开关aac突变体的结果表明,U68和A18位点很可能与氨基糖苷类抗生素形成氢键,A13和A44位点对于相互作用也有影响。这些结果对进一步研究核糖开关aac与氨基糖苷类抗生素相互作用的位点和机制具有重要的参考价值。     

“Toehold Switches; a foothold for Synthetic Biology”

Toehold switches are de novo designed riboregulators that contain two RNA components interacting through linear-linear RNA interactions, regulating the gene expression. These are highly versatile, exhibit excellent orthogonality, wide dynamic range, and are highly programmable, so can be used for various applications in synthetic biology. In this review, we summarized and discussed the design characteristics and benefits of toehold switch riboregulators over conventional riboregulators. We also discussed applications and recent advancements of toehold switch riboregulators in various fields like gene editing, DNA nanotechnology, translational repression, and diagnostics (detection of microRNAs and some pathogens). Toehold switches, therefore, furnished advancement in synthetic biology applications in various fields with their prominent features.     

综述与专论：蛋白质即时检测新技术

蛋白质是细胞各类代谢和调控等生命功能的执行者,也是致病因子、药物等对机体作用的重要靶分子。研究蛋白质表达是理解生命现象、疾病进程和药物作用的基础。临床上常规检测方法需要大型仪器支持,但随着医学事业的发展,即时检测(POCT,也称现场检测、床旁检测)成为重要的发展趋势。POCT可以改善患者和医生之间的互动方式,建立一种积极的医疗模式。除诊断、治疗疾病外,对从事应急工作的人员来说,POCT在现场和远程检测方面都有优势,因此研发既准确灵敏又简便快捷的蛋白质即时检测方法至关重要。     

Paper-based point-of-care test with xeno nucleic acid probes

Bridging the unmet need of efficient point-of-care testing (POCT) in biomedical engineering research and practice with the emerging development in artificial synthetic xeno nucleic acids (XNAs), this review summarized the recent development in paper-based POCT using XNAs as sensing probes. Alongside the signal transducing mode and immobilization methods of XNA probes, a detailed evaluation of probe performance was disclosed. With these new aspects, both researchers in synthetic chemistry / biomedical engineering and physicians in clinical practice could gain new insights in designing, manufacturing and choosing suitable reagents and techniques for POCT.     

蛋白质即时检测新技术

蛋白质是细胞各类代谢和调控等生命功能的执行者,也是致病因子、药物等对机体作用的重要靶分子.研究蛋白质表达是理解生命现象、疾病进程和药物作用的基础.临床上常规检测方法需要大型仪器支持,但随着医学事业的发展,即时检测(POCT,也称现场检测、床旁检测)成为重要的发展趋势.POCT可以改善患者和医生之间的互动方式,建立一种积...     

分子即时检测(POCT)技术及其在新发传染病中的应用*

分子即时检测(point-of-care testing,POCT)技术具有灵敏度高、分析速度快、体积小、检测成本低廉等特点,在分子诊断领域受到广泛关注。近年来,分子POCT技术的发展与应用在应对新发、突发传染病,保护人类生命健康方面具有重大意义。介绍近五年来新兴的分子POCT技术,总结新兴分子POCT技术的最新研究进展及应用前景,分析POCT技术的优势与面临的挑战,探讨提高其检测灵敏度和选择性的技术策略。     

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．     

High-throughput screening of cell-free riboswitches by fluorescence-activated droplet sorting

Cell-free systems that display complex functions without using living cells are emerging as new platforms to test our understanding of biological systems as well as for practical applications such as biosensors and biomanufacturing. Those that use cell-free protein synthesis (CFPS) systems to enable genetically programmed protein synthesis have relied on genetic regulatory components found or engineered in living cells. However, biological constraints such as cell permeability, metabolic stability, and toxicity of signaling molecules prevent development of cell-free devices using living cells even if cell-free systems are not subject to such constraints. Efforts to engineer regulatory components directly in CFPS systems thus far have been based on low-throughput experimental approaches, limiting the availability of basic components to build cell-free systems with diverse functions. Here, we report a high-throughput screening method to engineer cell-free riboswitches that respond to small molecules. Droplet-sorting of riboswitch variants in a CFPS system rapidly identified cell-free riboswitches that respond to compounds that are not amenable to bacterial screening methods. Finally, we used a histamine riboswitch to demonstrate chemical communication between cell-sized droplets.     

Detection of micro-RNA by a combination of nucleic acid sequence-based amplification and a novel chemiluminescent pyrophosphate assay

Micro-RNA has attracted much attention as a biomarker for disease progression and malignancy. A compact, simple, rapid, and highly sensitive method is required to perform simple genetic analyses, such as point-of-care testing (POCT), at the clinic or bedside. Nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) is a specific amplification method for a single-stranded RNA fragment that is useful for the highly sensitive detection of miRNAs. In this work, we developed a novel miRNA analytical system for POCT by combining the NASBA and chemiluminescence methods. Because the NASBA reaction is conducted at a constant temperature (41°C) and detection by chemiluminescence reaction does not require a light source, these methods could be combined to amplify 100 ng/assay miRNA. This combined miRNA detection method could be useful for the future development of compact POCT systems.