核糖开关对RNA的调控

细菌内的营养代谢过程是由RNA调控RNA参与的网路来控制的。

细菌的适应能力非常强，可以在各种不同的生态环境中生存，包括人体肠道以及各类其它有机体内。它们的环境适应能力，说明了它们具备超强的物尽其用、不浪费任何资源的能力，绝不会把能量和资源浪费在生产并不必需的RNA和蛋白质上。此外，细菌能够敏锐地觉察外界环境的变化，并作出相应的调整。越来越多的证据表明，以RNA为基础的调控机制在细菌对环境变化的适应方面起到非常重要的作用。DebRoy和Mellin与他们的同事一起，分别报道了一个新的RNA为基础的环境适应方面的调控机制。RNA的相互调控使得细菌得以对两种不同营养物质加以感应。研究结果出人意料，发现了核糖开关的另一个作用，RNA结合蛋白，以及非编码RNA通过联合力量在调控基因表达过程中的作用。

DebRoy和Mellin分别带领的两个研究小组对乙醇胺的调控利用进行了研究，乙醇胺是病原体粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和李斯特菌（Listeria monocytogenes）的碳源与氮源。与乙醇胺分解代谢有关的基因聚集于细菌基因组内，其中大部分都受控于同一个启动子。这一单元被称作eut operon（操纵子），在很多类型的细菌里都存在。在所有研究中都发现，只有乙醇胺和维生素B12两种营养物质都存在时，新陈代谢相关基因才能良好表达，这两种营养物质都是新陈代谢路径中所需酶类的必需辅因子。在肠道沙门氏菌中（Salmonella enterica），这一应答由转录活化因子EutR调控。当EutR同时与乙醇胺及维生素B12结合后，就会立即被活化。现在，DebRoy小组和Mellin小组又都发现了更为复杂的、以RNA为基础的调控通路，用于在两个营养信号发生变化时，调节乙醇胺的代谢。

乙醇胺由EutW直接感应，EutW是一种组胺激酶。EutW感知乙醇胺的存在后，随即对EutV，一种RNA结合蛋白，进行磷酸化和活化。EutV与RNA发夹基序结合，发挥“抗终止子”的作用——也就是说，所形成的二聚物阻止了RNA发夹结构的形成，RNA发夹结构会终止eut操纵子的进一步转录。因此，当EutV被活化且存在时，乙醇胺新陈代谢相关基因即被表达。关键问题在于，这一系统如何通过核糖开关将维生素B12信号整合入这一调控系统——这一系统调节着活性EutV是否存在。

核糖开关是一种代谢产物感应性RNA元件，主要存在于mRNA的5’端非翻译区域。配体结合于核糖开关的核酸适体区域后，会改变RNA下游的结构，通常会导致翻译起始被抑制，或者提前终止转录。核糖开关会识别维生素B12，并下调维生素B12的基因表达，我们首先需要对其进行研究。在这一过程中，维生素B12就犹如一个停机开关——当维生素B12含量充足时，就不再需要合成更多的维生素B12了。DebRoy和Mellin分别带领的研究小组报道了一种维生素B12结合核糖开关（见第一幅图），它可以调节转录终止过程，与经典维生素B12开关的作用方式相同。但是，在没有维生素B12存在时所合成的RNA具有独特的功能。这样获得的RNA转录产物，不负责编码蛋白质，为非编码RNA，而是将活化的EutV蛋白分隔开来。这样一来，可以阻止EutV刺激乙醇胺代谢基因的合成（见第二幅图）。因此，这一维生素B12开关就发挥了营养物质分解代谢中“开”的功能，该过程中，是通过阻止发挥负面作用RNA的形成而进行的。

维生素B12开关的二级结构。

DebRoy小组和Mellin小组的研究进一步阐明了细菌是如何根据不同的特异性配体的连接，利用核糖开关对RNA结构及功能进行调控的。Loh等人发现，两个S-腺苷甲硫氨酸核糖开关作为非编码RNA，对毒力调控子PrfA的表达进行调控。另一种李斯特菌（Listeria）中的维生素B12核糖开关可以控制营养物质丙二醇（一种碳源）的代谢。维生素B12在这一代谢过程中，也是酶的辅因子。维生素B12核糖开关在其间对反义RNA AspocR的转录产物长度及活性加以调控。AspocR是丙二醇活化的转录因子PocR的负调控因子。在没有维生素B12存在时，长的反义RNA异构体会抑制PocR的表达；维生素B12与核糖开关结合后，会导致反义RNA转录提前终止，从而促进PocR表达及丙二醇分解代谢的活化。因此，对于乙醇胺和丙二醇而言，只有当它们与维生素B12共存时，维生素B12核糖开关才会使其代谢相关基因得以表达。除了下游的蛋白质编码基因以外，很有可能还存在着许多其它调节RNA存在于核糖开关的下游区域。

核糖开关为基础的调控。在细菌内的eut操纵子包含参与乙醇胺代谢的基因。（A）当乙醇胺出现，EutV被EutW磷酸化和活化。在靶向转录产物中，活化的EutV形成二聚体，与相邻RNA发夹结构结合。结合后促使抗终止进程发生；因此，操纵子转录过程被启动——开关打开，但这只是在维生素B12存在时才会出现。（B）当维生素B12不存在时，一段非编码RNA生成，阻断EutV；因此，操纵子转录被关闭。（C）当维生素B12存在时，核糖开关通过结构改变，生成终止性发夹结构RNA，从而阻断了非编码RNA的转录。活化的EutV蛋白可自由结合到靶向转录产物上，启动乙醇胺代谢相关基因的表达。

EutV是RNA结合蛋白中AmiR和NasR转录抗终止子调控结构域（ANTAR）家族的一员。在其N端，是应答调节因子结构域，通过卷曲螺旋结构是其与RNA结合ANTAR结构域分隔开来，这是此家族蛋白质最常见的结构。被活化后，ANTAR蛋白质会形成二聚物，并与位于靶向转录产物上的两个短的RNA茎环结构结合。到目前为止，对ANTAR蛋白质的研究还极其有限，尽管它们都可以调控抗终止过程，但具体机制有所不同。ANTAR蛋白AmiR受抑制蛋白AmiC调控，而AmiC则受到配体调控。ANTAR蛋白NasR的调控，是通过直接将一个小分子与调控结构域结合而实现的。人们通常认为ANTAR蛋白的活化是完全可逆的；当然，大部分应答调控结构域，在诱导信号消失后，都可以快速去磷酸化，只是对EutV在这方面的研究还很少。

DebRoy小组和Mellin小组对负调控的研究又进了一步：通过一个模拟ANTAR-靶向RNA结合位点的RNA，对ANTAR蛋白封锁。有关此类RNA结合蛋白调控的机制，在对细菌CsrA家族的RNA翻译调控蛋白的研究中，已经有过深入的探讨，在此方法中，需要对RNA的含量进行滴定检测。为使调控有效，滴定RNA含量必需充足，或者与调控蛋白之间具有更高的亲和力，此外，还需要具有在不需要时能够方便去除的特性。滴定RNA的稳定性并不高，但是级联滴定也是一种选择：例如，反义RNA可以与滴定RNA结合并易于移除。

RNA调控因子彼此间形成极为复杂的网络，在反式调控调节RNA、RNA结合蛋白的顺式位点以及核糖开关之间并没有十分明显的界限。任何组合都有可能，每个调控RNA结合蛋白都可能受到多层RNA的调控。