,SD序列高亮表示]]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。
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。
RNA溫度計的實例有、、以及。
發現
溫度敏感的RNA元件於1989年首次發現。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。cIII蛋白質與λ噬菌體對和的選擇有關,高濃度的cIII蛋白能促進溶原化。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,最初, 該名詞用於描述大腸桿菌中發現的RNA元件rpoH。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。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。
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,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)時能活化(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]]
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,為編碼熱休克蛋白的mRNA。大部分RNA溫度計的長度都介於60-110nt之間。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。
對RNA溫度計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。
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。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。
機理
結合。除了這種順式作用機理外,在飢餓反應相關的中還發現了一個使用反式作用機理的特例。。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。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,另外,在肠杆菌目中也發現了類似的調控機制。
對RNA世界學說的影響
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。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。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。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。
ROSE1和ROSEAT2分別發現於(Bradyrhizobium japonicum)以及根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中。它們都位於HpsA*mRNA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。
参考文献
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