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RNA溫度計

一月 03, 2023

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]。

一種RNA溫度計FourU的RNA模體，SD序列高亮表示

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的轉譯速率。

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）和裂解循環（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 thermophilus）（Thermus 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

主条目：RNA世界

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

  • Hsp90順式作用元件（英语：Hsp90 cis-regulatory element）能在果蠅體內調控Hsp90的表現水平，在高溫下提高熱休克蛋白的轉譯速率[5]。
  • 預測大腸桿菌的ibpAB操縱子中含有兩個協調作用的RNA溫度計：ROSE元件（英语：Repression of heat shock gene expression (ROSE) element）和IbpB溫度計（英语：IbpB thermometer）[34]。
  • ROSE1和ROSEAT2分別發現於大豆慢生根瘤菌（英语：Bradyrhizobium japonicum）（Bradyrhizobium japonicum）以及根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中。它們都位於HpsAmRNA的5'UTR內，能在正常生理溫度條件下抑制熱休克蛋白的表現[6][35]。

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一月 03, 2023
rna溫度計, thermometer, 亦稱rna溫度傳感器, 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, 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, 一種fouru的rna模體, sd序列高亮表示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的轉譯速率, 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. 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 一種RNA溫度計FourU的RNA模體 SD序列高亮表示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的轉譯速率 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 目录 1 發現 2 分佈 3 結構 4 機理 5 對RNA世界學說的影響 6 其他實例 7 参考文献發現 编辑溫度敏感的RNA元件於1989年首次發現 8 不過 早在1986年 研究人員就發現l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l噬菌體對溶原性循環 英语 lysogenic cycle 和裂解循環 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 编辑目前的觀點認爲 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 编辑 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 编辑 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s因子s32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 thermophilus Thermus 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 编辑主条目 RNA世界 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 编辑Hsp90順式作用元件 英语 Hsp90 cis regulatory element 能在果蠅體內調控Hsp90的表現水平 在高溫下提高熱休克蛋白的轉譯速率 5 預測大腸桿菌的ibpAB操縱子中含有兩個協調作用的RNA溫度計 ROSE元件 英语 Repression of heat shock gene expression ROSE element 和IbpB溫度計 英语 IbpB thermometer 34 ROSE1和ROSEAT2分別發現於大豆慢生根瘤菌 英语 Bradyrhizobium japonicum Bradyrhizobium japonicum 以及根癌农杆菌 Agrobacterium tumefaciens 中 它們都位於HpsAmRNA的5 UTR內 能在正常生理溫度條件下抑制熱休克蛋白的表現 6 35 参考文献 编辑 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 Narberhaus F Waldminghaus T Chowdhury S RNA thermometers FEMS 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145 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 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 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 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 PMID 18753148 doi 10 1093 nar gkn545 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 PMID 20660079 doi 10 1261 rna 2235010 Jocelyn E Krebs et al Genes XI JONES 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