结构生物化学/核酸/RNA/核糖开关
核糖开关是最近发现的 RNA 结构域，它们充当基因表达调节器。它是 mRNA 链的一部分，能够结合小分子并改变基因活性。拥有核糖开关的 mRNA 能够根据是否在其上附着分子来调节自身的活性。它们位于信使 RNA 的 5' 端非翻译区。这些功能结构存在于细菌中，并且也已经在实验室中进行过工程设计[1]。核糖开关很重要，因为大多数人认为蛋白质主要负责基因控制的复杂性、特异性和效率。大多数核糖开关存在于细菌中，尽管也有一些在植物和真菌中被发现[2]。
它首次由 Ronald Breaker 的实验室在 2002 年描述，当时他们利用大肠杆菌 btuB mRNA 的在线探测显示它可以结合代谢物/底物并抑制该链产物的翻译（AdoCbl）——无需蛋白质[3]。
核糖开关的最初含义是信使 RNA 可以感知代谢物的微小分子。虽然这在今天仍然是使用方式，但其他人已经改变了含义以包括其他类型的 RNA，从而进一步扩展了含义。包含核糖开关的 mRNA 可以调节自身的活性。这在生物学领域打开了大门，因为它表明分子可以进化为自己的主人，或者自我调节。这些 RNA 被认为能够区分非常相似的分子或类似物，这表明了该方法的复杂性。这一事实打开了 RNA 的世界，因为它现在已知 RNA 的能力远大于曾经知道的能力。它很有趣，因为它说明了我们人类对我们自己身体的了解多么少。核糖开关允许 RNA 对不同浓度的分子做出反应，几乎就好像 RNA 拥有自己的思维来决定自己的行为一样。由于核糖开关定义的扩展，如今人类已知许多不同的类型。
结构生物化学的信条是结构决定功能，因此核糖开关的结构能够实现如此强大的功能并不奇怪。大多数 RNA 无需符合 DNA 的严格沃森-克里克模型，这使得 RNA 可以产生许多变体。RNA 的巨大变异是核糖开关能力的原因。核糖开关由两部分组成：适体结构域和表达平台。适体结构域本质上充当与特定配体结合的受体。表达平台很有趣，因为它在与配体结合时可以在两种不同的二级结构之间切换，从而创建大量可能的结构。在核糖开关的两个部分中都存在一个切换序列。这种切换序列指导基因的表达。[1]
已知有几种类型的核糖开关，其中一些是
- TPP 核糖开关：这种核糖开关结合 TPP（硫胺素焦磷酸）以调节硫胺素的转运和合成，以及其他具有类似性质的代谢物。
- 赖氨酸核糖开关：结合赖氨酸并调节其生物合成、分解代谢和转运。
- 甘氨酸核糖开关：这种核糖开关调节甘氨酸代谢。这是目前已知的唯一能够执行协同结合的核糖开关。
- FMN 核糖开关：这种核糖开关结合 FMN（黄素单核苷酸）以调节核黄素的转运和合成。
- 嘌呤核糖开关：结合嘌呤以调节其转运和代谢。这种核糖开关的不同形式能够根据核糖开关中的嘧啶结合鸟嘌呤或腺嘌呤。
- 钴胺素核糖开关：这种核糖开关结合腺苷钴胺素（维生素 B12 的辅酶形式）以调节钴胺素和其他类似代谢物的合成和转运。
以及许多其他类型，如 SAM 核糖开关、PreQ1 核糖开关、SAH 核糖开关、glmS 核糖开关和环状二-GMP 核糖开关。
核糖开关由两个功能组件组成：保守的适体区域和高度可变的表达平台。与蛋白质不同，核糖开关仅有四种核苷酸可用于生成核糖开关结合所需的特异性[4]。
适体结构域通常是一个单一的结合位点，具有高度保守的初级和二级 RNA 结构，并形成用于配体的选择性结合口袋。它本质上充当细胞内代谢物的传感器。由于它位于 mRNA 的 5' 端，因此它通常是第一个被 RNA 聚合酶 转录的。
为了提高适体-底物亲和力，结构数据表明氢键、范德华力和与底物以及相邻 RNA 区域的其他相互作用会形成。其他适体可能会利用具有深结合口袋的诱导契合机制[5]。
表达平台通常位于适体结构域的下游。
大多数核糖开关在反馈通路中发挥作用，通过感知代谢物并“关闭”表达基因的能力，而这些基因会产生蛋白质，进而继续产生该代谢物[6]。适体区域往往识别与核糖开关表达平台下游基因产物密切相关的配体。
- ^ 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.