施 磊，杨会勇，林俊生，刁 勇

(华侨大学 分子药物学研究所，福建 泉州 362021)

核糖开关调控基因表达的热力学与动力学机制

施 磊，杨会勇，林俊生，刁 勇

(华侨大学 分子药物学研究所，福建 泉州 362021)

核糖开关是一种新型基因表达调控元件，一般存在于mRNA的非编码区内。当核糖开关与特定配体分子结合后，其构象发生相应变化，然后启动或阻断mRNA的转录、翻译、拼接等过程，行使基因调控的功能。近期研究发现，核糖开关对基因表达的调控不仅仅与配体分子的数量有关，还与mRNA转录速度有关，即存在热力学与动力学调控两种机制。对核糖开关介导的基因表达调控机制的深入了解，将促进其在生物技术及新药研究等领域的应用。

核糖开关;热力学;动力学;基因表达;调控

大多数生物都具有根据内部和外部信号的变化而改变其基因表达模式的能力。传统理论认为感应并调控基因表达的作用全部由蛋白质所执行，而最新研究表明，非编码RNA也可以发挥重要的基因表达调控作用［1］。这些RNA具有原认为是蛋白质独有的功能，如催化、配体识别等。随着可特异性结合有机分子配体的RNA适体的发现［2］，在mRNA上存在的可调控基因表达的适体类序列引起了人们的关注［3］，并被命名为核糖开关。在调控基因表达方面，核糖开关与蛋白质相比毫不逊色，并具有特异性高、敏感性高、表达调节响应快等特点［4］。核糖开关广泛存在于原核生物，在真菌及植物中也有发现。核糖开关在感应特定代谢产物的变化后，通过调控 mRNA 的转录［5］、翻译［6］、稳定性［7］、或pre-mRNA的剪切［8］，发挥基因表达调节作用。

1 核糖开关的结构特点

核糖开关均由两部分结构域组成(图1):其一是负责与配体结合的适体结构域(aptamer domain)，其二是负责表达调控的表达平台(expression platform)［4］。适体结构域序列高度保守，折叠后形成的结构能保证其与配体特异性结合。适体结构域的结构特征是区分各种类型核糖开关的依据。相对于适体结构域，表达平台的特异性就不非常明显。当配体与适体结构域结合后，会引起下游表达平台的RNA构象变化，从而阻碍或促进mRNA的转录或翻译等［9-11］。转录终止是核糖开关控制原核生物基因表达的常用机制，配体与核糖开关结合与否，导致终止子的形成或破坏，并分别引起转录的终止或延伸(图2):当适体结构域没有结合配体时，表达平台形成稳定的抗终止子结构，转录顺利进行;当与配体结合后，抗终止子与下游序列通过构象变化，形成终止子结构，从而导致转录终止。

图1 核糖开关的结构

图2 转录终止型核糖开关基因表达调控示意图

2 核糖开关的热力学调控机制

以适体/配体间解离常数(KD)为指标的热力学参数是核糖开关基因调控机制的重要因素，为促进配体与核糖开关的结合，配体的浓度必须超过其KD值。事实上，只要是有足量的配体存在，适体/配体复合物即可形成，并进行基因调控。一些核糖开关核酸适体的KD值在皮摩尔数量级，因此可以感应极低浓度的代谢产物变化。核糖开关的适体结构域根据细胞内靶配体浓度的高低变化改变自身构象，表达平台的构象也相应动态调整，决定下游序列是否继续转录或翻译。核糖开关的适体结构域必须能够特异性地识别细胞内浓度处于正常水平的靶配体 对其它结构近似的代谢产物的正确区分，是有效避免调控错误的关键。采用配体指数富集系统进化技术(SELEX)，经过10～15轮反复筛选可得到任何指定配体的人工适体［4］，但与已发现的核糖开关的适体结构域比较，这些人工适体的结构较小、与配体的结合力较弱且特异性较低，说明上亿年的进化演变已经赋予核糖开关的适体序列以最佳的热力学调控特征。

任何仅含有一个适体结构域的核糖开关，其基因表达调控幅度如变化9倍，配体的浓度则需要变化81倍［12］，因此要求细胞必须能够耐受某些代谢产物巨大的变化幅度。为了提高核糖开关基因调控的灵敏度，生物体还进化出“串联”核糖开关结构，配体的浓度变化40倍即可实现基因表达的9倍变化［13］。将多个适体整合在同一个核糖开关内，是提高核糖开关热力学调控特性更加精妙的策略。核糖开关内两个适体可以协同作用，任一适体与配体结合都可以相应提高配体与另一个适体的亲和力。配体浓度变化9倍，基因表达变化就可以达到9倍［14］。串联核糖开关结构使得RNA可以感应代谢产物更小的浓度变化，敏感度完全可与蛋白因子媲美。

3 核糖开关的动力学调控机制

Wickiser等［15］发现黄素单核苷酸(FMN)核糖开关/配体间KD值大小与体内可发挥调控作用的FMN浓度高低不一致，并首次提出核糖开关对基因的表达调控还存在动力学机制。当FMN与核糖开关结合的速度慢于RNA聚合酶介导的mRNA延伸速度时，即使细胞内FMN浓度高于KD值，mRNA仍然会继续延伸而不发生终止。mRNA的模板DNA序列中存在暂停位点，可导致RNA聚合酶短暂地终止转录过程。这些转录暂停为核糖开关结合其特定的配体提供了额外的时间，从而有效地控制基因的表达［15］。如果在转录暂停期间，配体还不能与核糖开关结合并形成稳定的特定构象，mRNA则继续延伸形成编码序列。

核糖开关与配体结合以及构象转换的速度也是决定其调控机制是动力学还是热力学过程的重要因素。如腺嘌呤核糖开关需要15 s左右才能形成稳定的核糖开关/配体复合物，在这段时间内RNA聚合酶足以从适体结构域合成mRNA至表达平台［16］。如果细胞内存在有利于提高RNA聚合酶效率的因素，如适当的核苷三磷酸、镁离子以及相关的转录因子，则表现为动力学控制。另外，如果核糖开关构象转换的速度慢于与配体结合的速度，也表现为动力学控制。而当核糖开关与配体结合后形成了较稳定的构象后，则表现为热力学控制。

4 展望

与基因表达的蛋白调控系统比较，核糖开关不需要蛋白因子参与，免疫原性小;元件大小在数百碱基之内，构成非常简单;响应配体时间一般在数分钟之内，反应迅速;核糖开关位于mRNA之上，发挥顺式调节作用，可实现紧密调节。以上诸多优点，使得核糖开关自发现之日起就引起了广泛关注，日益深入的研究结果显示其可以在代谢物检测、新药研但所有这些应用前景的实现，必需基于对核糖开关作用机制的深入详尽研究。

特别值得提及的是核糖开关还可以作为新药研究的重要靶点。首先，已发现的核糖开关绝大多数存在于细菌内，如以细菌核糖开关为靶点开发抗生素，则有可能克服对人体细胞交叉毒性。其次，已发现的核糖开关往往是调控细胞生存所必需的蛋白质，以其为靶点的抗生素应为杀菌性药物。第三，核糖开关在进化过程中的相对保守性，也可能赋予针对该靶点的抗生素以广谱性。Blount等［18］以枯草杆菌内赖氨酸核糖开关为靶点成功开发了可抑制枯草杆菌生长的新型抗生素，说明了核糖开关靶点的可行性。

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Thermodynamic or kinetic control of riboswitch-mediated gene expression

SHI Lei，YANG Huiyong，LIN Junsheng，DIAO Yong
(Institute of Molecular Materia Medica，Huaqiao University，Quanzhou，362021，China)

Q78

A

1005-1678(2012)04-0509-03

2012-02-18

国际科技合作项目(2011DFG33320)

施 磊，男，硕士研究生，生物化学与分子生物学专业，E-mail:shllionshl@163.com; 林俊生，男，通信作者，教授，E-mail:ljunshengl@yahoo.com。