分子生物学第十一章

RiboswitchRegulationofGeneExpressionRiboswitchesarepresentinuntranslatedregionsofmRNAs.Theirpurposeistoregulategeneexpressioninresponsetobindingsmallmoleculemetabolites.Riboswitchesaredefinedbytwomaincriteria:Direct(protein-free)bindingofmetabolitetoRNAMetabolite-dependentregulationofgenesThismoviedemonstratesthemoleculareventscommontomostbacterialriboswitches.Resourcesarelistedattheendofthemovie.PartI:GeneRegulationbyaTypicalRiboswitchBacterialriboswitchesarepresentinthe5´untranslatedregionofmRNAs.Transcriptionisregulatedbythegenepromoterandtranscriptioninitiationfactors…RNApolymeraseinitiatestranscription.TheRNAfoldsintramolecularlyinlocalregionsofcomplementarity,presumably,whiletranscriptionisproceeding.Alonguntranslatedleaderisproducedfirst.NascentRNARNApolymeraseDNAtemplateRNApolymeraseCase1:Cellularconcentrationofmetaboliteistoolowtooccupytheriboswitchbindingsite.Transcriptionand…3421RNApolymeraseUUUUUAUGRNApolymeraseCase1:Cellularconcentrationofmetaboliteistoolowtooccupytheriboswitchbindingsite.TranscriptionandintramolecularRNAfoldingcontinue.34213421UUUUUAUGCase1:Cellularconcentrationofmetaboliteistoolowtooccupytheriboswitchbindingsite.Translationisinitiated.RibosomeTypicallythenewmRNAcodesforabiosyntheticortransportproteinthatraisestheintracellularlevelofthemetabolite.Generegulation(nextcase)isaccomplishedbyvariationsintheinteractionsoftheregionshighlightedinorange.TranscriptionandintramolecularRNAfoldingcontinue.3421Case2:Cellularconcentrationofmetabolite(X)ishigh.Intramolecularfoldingcanleadtoanalternateconformation.RNApolymeraseproducesthelonguntranslatedleaderregion.Thealternateriboswitchconformationisstablewhenmetaboliteisbound.XXXXXRNApolymeraseXNascentRNADNAtemplateCase2:Cellularconcentrationofmetabolite(X)ishigh.Intramolecularfoldingcanleadtoanalternateconformation.RNApolymeraseproducesthelonguntranslatedleaderregion.Thealternateriboswitchconformationisstablewhenmetaboliteisbound.XXXXXXTranscriptioncontinues.UUUUURNApolymerase3421Case2:Cellularconcentrationofmetabolite(X)ishigh.XXXXXTranscriptioncontinues.RNApolymeraseNow,RNAfoldingleadstoformationofanintrinsicterminator.UUUUUXX34213421Case2:Cellularconcentrationofmetabolite(X)ishigh.XXXXXTranscriptioncontinues.RNApolymeraseNow,RNAfoldingleadstoformationofanintrinsicterminator.UUUUUXThetranscriptisnevercompletedandthemetabolitebiosyntheticortransportproteinisnotproduced.3421ReviewCase1:Metaboliteislimited.Case2:Metaboliteisabundant.UUUUUXUUUUUAUGORFTranscriptioniscompleted.Biosyntheticand/ortransportproteinsareexpressed.Transcriptionisterminated.Proteinsaredownregulated.XXXX34213421PartII:TheExpandingUniverseofRiboswitches…an‘expressionplatform’forgeneregulation.Ametabolite-binding‘aptamer’domainand…RiboswitchFunctionsUUUUUX3421Riboswitchesweredefinedearlierbytwomaincriteria:Direct(protein-free)bindingofmetabolitetoRNAMetabolite-dependentregulationofgenesThesetwoactivitiesareaccomplishedbytwofunctionallyseparatedomainsontheRNA:…an‘expressionplatform’forgeneregulation.Ametabolite-binding‘aptamer’domainand…RiboswitchFunctionsUUUUUX3421Direct(protein-free)bindingofmetabolitetoRNAMetabolite-dependentregulationofgenesThesetwoactivitiesareaccomplishedbytwofunctionallyseparatedomainsontheRNA:BecauseofthemodularnatureofRNAstructures,differenttypesofexpressionplatformcanbelinkedtotheconservedaptamerdomain.Thisleadstovariationsinriboswitchmechanism…RiboswitchMechanismsThismovieshowedthemostcommoncaseforbacterialriboswitches:Ligandbindingleadstotranscriptionterminationandreducedgeneexpression.UUUUUX5´ORFXRiboswitchMechanismsRiboswitchesalsoregulatetranslationandanti-termination…Ligandbindingleadstotranscriptionterminationandreducedgeneexpression.UUUUUX5´ORFLigandbindingsequesterstheShine-Dalgarnosequenceandreducesgeneexpression.Ligandbindingleadstoantiterminatorformationandincreasedgeneexpression.UUUUUX5´AUGORFXXX5´AUGORFAGGAGGXRiboswitchMechanismsTheyalsoaffectRNAintegrity,andperhapssplicingandstability.LigandbindingleadstomRNAcleavagebyanewnaturalribozyme.X5´Ligandbindingcouldcontrolsplicingineukayotes.Possibly,ligandbindingtothe3´untranslatedregioncouldaffectmRNAstability.AUGORFX5´AUGORFAGGUACGGAAAAAX5´AUGORFXRiboswitchLigandsFigureshowsthechemicalstructuresofriboswitchligandsandschematicsofconservedsecondarystructureinriboswitches.Thereare8confirmedriboswitcheswithuniquemetaboliteligands.ManymoreconservedRNAmotifsarecurrentlyunderinvestigation.RiboswitchGeneRegulationRiboswitchesareanimportantmechanismofgeneregulation.Forexample,nearly2%ofthegenesofthemodelorganismBacillussubtilisappeartobecontrolledbyriboswitches.MetaboliteRecognitiontRNARiboswitch11-merTRAPcomplexCoenzymeB12AveragemetaboliteRelativesizesofsomemoleculesrecognizedforgeneregulation(metabolitesandtRNAs)andsomeagentsthatrecognizethem(riboswitchesandTRAPcomplex).Riboswitchesareaneconomicalwaytoseesmallmolecules核糖开关

是一类位于mRNA3’或5’-UTR上的能够结合小分子代谢物以调控基因的转录和翻译的mRNA元件它与小分子代谢物的结合不依赖于任何蛋白质，从而使构象发生改变，在转录或翻译水平调控基因的表达。到目前为至已经发现了不少于12种核糖开关：维生素B12核糖开关硫胺素焦磷酸（TPP）核糖开关FMN（黄素单核苷酸）核糖开关SAM（S-甲腺甲硫氨酸）核糖开关赖氨酸核糖开关鸟嘌呤核糖开关腺嘌呤核糖开关GlmS核糖开关（调控葡糖胺-6-磷酸合成）甘氨酸核糖开关mgtA核糖开关（mgtA为沙门氏菌Mg2+转运载体）SAH核糖开关(调控S-腺苷同型半胱氨酸)preQ1核糖开关(调控Q核苷前体7-甲氨基-7去氮鸟嘌呤（7-aminomethyl-7-deazaguanine）合成)核糖开关如果按作用类型可分为

抑制型（即底物存在时抑制基因表达）激活型（当底物存在时基因开始表达）

其中已知的绝大部分核糖开关都是抑制型，只有腺嘌呤核糖开关是激活型。如按存在位置核糖开关可分为:

3’UTR核糖开关5’UTR核糖开关到目前为止只有TPP核糖开关在不同物种中存在的位置不一样，TPP核糖开关在高等植物中位于3’UTR，而在细菌、真菌和绿藻中则位于5’UTR。其它的核糖开关均位于5’UTR。核糖开关的结构特点：

核糖开关主要由适体结构域（aptamerdomain,AD）和表达结构域(expressiondomain,EPD)组成；AD序列保守，不需要蛋白质的参与，直接与小分子（即适体，aptamer）代谢物结合，AD在核糖开关中主要起RNA传感器的作用。EPD序列不保守，是核糖开关的表达模块，它的主要功能是在AD与适体结合后，引起AD构象变化后迅速作出反应，导致EPD构象变化，通过变构效应调控基因表达。核糖开关的一般作用机制

不同的核糖开关有不同的作用机制。目前普遍认为核糖开关主要在转录和翻译两个水平上对基因表达进行调控，分为抑制和激活两类。适体与AD特异性结合，使EPD构象发生变化，形成有选择性的茎环结构，导致mRNA转录提前结束或者抑制翻译的起始。转录水平的调控：

在mRNA末端存在“抗抗终止子”、“抗终止子”、“终止子”。当AD未与适体结合时，抗终止子与终止子结合，使转录顺利进行；当AD与适体结合后，导致mRNA构象发生变化，抗抗终止子与抗终止子结合，从而终止子形成发夹结构，转录终止。翻译水平的调控：

在起始密码上游，存在“抗抗SD”，“抗SD”，“SD”序列。当AD未与适体结合时，抗抗SD与抗SD结合，使翻译顺利进行；当AD与适体结合后，使抗SD与SD结合，导致翻译不能进行。腺嘌呤核糖开关的作用机制

腺嘌呤核糖开关的AD主要由三个螺旋（P1，P2，P3）组成，他们的形状好像一个倒置的“h”，P1与P3同轴，P1在下，P3在上，P2在P3的左侧，腺嘌呤结合位点在三个螺旋的结合处，其中P2和P3存在着两个的G-C碱基对（G37与C61，G38与C60），它们在AD空间构象发生改变时，起着十分重要的作用。

Lemay等认为AD存在两种构象，即“U”和“F”；当腺嘌呤不存在时，P3上的两个的G-C碱基对与P2之间的氢键发生断裂，导致P2与P3一端分开，P1、P2、P3之间较为分散，此时的构象称之为“U”；当腺嘌呤存在时，P2与P3之间又形成了氢键并结合在一起，从而P1、P2和P3折叠在一起，准备与腺嘌呤结合，即为“F”。TPP核糖开关的作用机制

TPP核糖开关主要由五个螺旋（P1，P2，P3，P4，P5）组成一个倒置的“h”型;其中P1，P2，P3同轴，P3在上，P2居中，P1在下。P4，P5同轴，P5在上，P4在下。P1，P2，P3与TPP的嘧啶部分连接，P4，P5与TPP的焦磷酸盐部分连接。

TPP的嘧啶环的连接部位在P3与P2结合部J3/2；在J3/2