結構生物化學/核酸/RNA/核糖開關
核糖開關是最近發現的 RNA 結構域，它們充當基因表達調節器。它是 mRNA 鏈的一部分，能夠結合小分子並改變基因活性。擁有核糖開關的 mRNA 能夠根據是否在其上附著分子來調節自身的活性。它們位於信使 RNA 的 5' 端非翻譯區。這些功能結構存在於細菌中，並且也已經在實驗室中進行過工程設計[1]。核糖開關很重要，因為大多數人認為蛋白質主要負責基因控制的複雜性、特異性和效率。大多數核糖開關存在於細菌中，儘管也有一些在植物和真菌中被發現[2]。
它首次由 Ronald Breaker 的實驗室在 2002 年描述，當時他們利用大腸桿菌 btuB mRNA 的線上探測顯示它可以結合代謝物/底物並抑制該鏈產物的翻譯（AdoCbl）——無需蛋白質[3]。
核糖開關的最初含義是信使 RNA 可以感知代謝物的微小分子。雖然這在今天仍然是使用方式，但其他人已經改變了含義以包括其他型別的 RNA，從而進一步擴充套件了含義。包含核糖開關的 mRNA 可以調節自身的活性。這在生物學領域打開了大門，因為它表明分子可以進化為自己的主人，或者自我調節。這些 RNA 被認為能夠區分非常相似的分子或類似物，這表明了該方法的複雜性。這一事實打開了 RNA 的世界，因為它現在已知 RNA 的能力遠大於曾經知道的能力。它很有趣，因為它說明了我們人類對我們自己身體的瞭解多麼少。核糖開關允許 RNA 對不同濃度的分子做出反應，幾乎就好像 RNA 擁有自己的思維來決定自己的行為一樣。由於核糖開關定義的擴充套件，如今人類已知許多不同的型別。
結構生物化學的信條是結構決定功能，因此核糖開關的結構能夠實現如此強大的功能並不奇怪。大多數 RNA 無需符合 DNA 的嚴格沃森-克里克模型，這使得 RNA 可以產生許多變體。RNA 的巨大變異是核糖開關能力的原因。核糖開關由兩部分組成：適體結構域和表達平臺。適體結構域本質上充當與特定配體結合的受體。表達平臺很有趣，因為它在與配體結合時可以在兩種不同的二級結構之間切換，從而建立大量可能的結構。在核糖開關的兩個部分中都存在一個切換序列。這種切換序列指導基因的表達。[1]
已知有幾種型別的核糖開關，其中一些是
- TPP 核糖開關：這種核糖開關結合 TPP（硫胺素焦磷酸）以調節硫胺素的轉運和合成，以及其他具有類似性質的代謝物。
- 賴氨酸核糖開關：結合賴氨酸並調節其生物合成、分解代謝和轉運。
- 甘氨酸核糖開關：這種核糖開關調節甘氨酸代謝。這是目前已知的唯一能夠執行協同結合的核糖開關。
- FMN 核糖開關：這種核糖開關結合 FMN（黃素單核苷酸）以調節核黃素的轉運和合成。
- 嘌呤核糖開關：結合嘌呤以調節其轉運和代謝。這種核糖開關的不同形式能夠根據核糖開關中的嘧啶結合鳥嘌呤或腺嘌呤。
- 鈷胺素核糖開關：這種核糖開關結合腺苷鈷胺素（維生素 B12 的輔酶形式）以調節鈷胺素和其他類似代謝物的合成和轉運。
以及許多其他型別，如 SAM 核糖開關、PreQ1 核糖開關、SAH 核糖開關、glmS 核糖開關和環狀二-GMP 核糖開關。
核糖開關由兩個功能元件組成：保守的適體區域和高度可變的表達平臺。與蛋白質不同，核糖開關僅有四種核苷酸可用於生成核糖開關結合所需的特異性[4]。
適體結構域通常是一個單一的結合位點，具有高度保守的初級和二級 RNA 結構，並形成用於配體的選擇性結合口袋。它本質上充當細胞內代謝物的感測器。由於它位於 mRNA 的 5' 端，因此它通常是第一個被 RNA 聚合酶 轉錄的。
為了提高適體-底物親和力，結構資料表明氫鍵、範德華力和與底物以及相鄰 RNA 區域的其他相互作用會形成。其他適體可能會利用具有深結合口袋的誘導契合機制[5]。
表達平臺通常位於適體結構域的下游。
大多數核糖開關在反饋通路中發揮作用，透過感知代謝物並“關閉”表達基因的能力，而這些基因會產生蛋白質，進而繼續產生該代謝物[6]。適體區域往往識別與核糖開關表達平臺下游基因產物密切相關的配體。
- ^ Wang, J., Lee, E., Morales, D., Lim, J., Breaker, R. "Riboswitches that Sense S-adenosylhomocysteine and Activate Genes Involved in Coenzyme Recycling". Molecular Cell 29, 691–702, March 28, 2008.
- ^ Nahvi, A., Sudarsan, N., Ebert, M., Zou, X., Brown, K., Breaker, R., "Genetic Control by a Metabolite Binding mRNA" Chemistry & Biology, Vol. 9, 1043-1049, September, 2002.
- ^ Coppins, R., Hall, K., Groisman, A. "The intricate world of riboswitches" Current Opinion in Microbiology, Volume 10, Issue 2, April 2007, Pages 176-181.
- ^ Breaker, R. "Complex Riboswitches''Science, Vol. 319, 1795-1797, 28 March 2008.