L生En盏RSIN技BIOT术ECHN通OLOG讯Y…V01.2…0
TrE
H
.
N—o.5一S—ep.,2…009一
.
.,
doi:10.3969/j.issn.1009—-0002.2009.05.029
综述
原核生物中小RNA的功能及研究进展
李娜1,2朱力1,王恒棵1
1.军事医学科学院生物工程研究所,北京100071;2.海军总医院检验科,北京100037
[摘要】在原核生物基因组中,除了tRNA、rRNA和mRNA这3种我们很熟悉的RNA以外,目前已经知道还含有许多编码
非常规调控的RNA。这些RNA的长度为50~400核苷酸,通常由原核生物的基因间区编码,但并不翻译成蛋白质,因此被称
为非编码小RNA(sRNA),简称小RNA或非编码RNA。近年来,随着生物信息学和分子生物学技术的不断发展,在原核生物体内陆续发现了上百种sRNA分子,这些sRNA分子具有多样的生物学功能,作为一类新发现的基因表达调控子已经引起
了高度的重视。
[关键词】小RNA;原核生物;基因表达调控
[文献标识码】A
【中图分类号】Q75[文章编号】1009-0002(2009)05-0699—04
TheFunctionandAdvanceofSmallRNAinProkaryote
LI
Nal’jZHUlil,WANG
Insitutc
of
He咿£i岔耐
100071;
1.BeijingBioteehnology,Beijing
2.DepartmentofClinical
Laboratory,NavyGeneralHospital,Beijing
100037;China
[Abstract]Prokaryotic
small
RNA(sRNA)that
a
arenotribosomaltransfer
nt
or
messengerRNAs
thatin
do
not
were
initiallyidentified
in
theintergenieregions.SmallRNAisyears,many
computationalstrategies
kindofnewlydiscovered50-400
identified
on
RNAs
encodesproteins.In
and
thesesRNA
recent
havehundredsofsRNAcandidatesis
prokaryote
have
manykindsofbiologicalfunctions.Thusresearch
thefunctionofsRNA
veryimportantnowadays.
[Keywords】smallRNA;prokaryote;generegulation
原核生物非编码小RNA(non—coding
small
RNA)是一类长记和染色、功能基因筛选、与蛋白质共纯化、鸟枪克隆法、微阵列检测、生物信息学搜寻、基因组SELEX等【11,每种搜寻sRNA的方法均有其优缺点。
1.1
度为50-400核苷酸(nt)、不能翻译成蛋白质的RNA,简称小
RNA(smallRNA,sRNA)或非编码RNA(ncRNA)Ill。Grif!Iin等在
1971年首先在大肠杆菌中发现了sRNA分子,但这些RNA分子的编码基因以及它们的功能都不清楚[21。原核生物8RNA长期以来被人们忽视,直到20世纪80年代早期,才知道这些sRNA分子是反式编码反义RNA(trans—encoded
antisense
RNA标记和染色网
RNA标记和染色,就是对细胞总提取物进行同位素标记或化学染色标记、凝胶分离、切胶回收所需条带,最后利用核酸酶酶切RNA进行分析。这种方法是最早用于寻找sRNA基因的方法,通过这种方法可以发现细胞内丰富的sRNA,但是不能区分sRNA和rRNA、tRNA,而且实验中需要操作放射性标记的细菌培养基。
1.2
RNA)。近年来
人们发现sRNA在原核生物中广泛存在,比如在大肠杆菌中被确认的非编码RNA的数量已经超过了70种翻。除此之外,大肠杆菌中还有不少疑似非编码RNA有待确认,随着研究的深入,估计大肠杆菌的非编码RNA数量还会增加。
通常认为原核生物中基因表达的调控主要发生在转录水平上,因为原核生物的转录和翻译是偶联的,与转录后调节相比,基因表达在转录水平上的调节更为有效。而大多数sRNA是通过与mRNA碱基配对,在转录后水平调控靶基因抑制或活化,如sRNA与靶RNA结合,导致靶RNA的降解;sRNA负性调节靶RNA的翻译;sRNA激活靶mRNA的翻译等。还有一些sRNA具有特定的调控蛋白的功能pt-Sl。sRNA在细菌的物质代谢、环境适
功能性遗传筛选(functionalgeneticscreens)闱
功能性遗传筛选的方法是通过建立多拷贝质粒文库识别sRNA,这种方法可以直接鉴定sRNA的功能,能够利用现已建立的遗传学方法。然而,这种筛选很少是专门针对sRNA基因的,为了丰富sRNA基因文库,最好克隆较小的DNA片段,即分离DNA之后用限制性酶进行切割。大肠杆菌的MicF和DsrA
RNA
就是通过功能性遗传筛选发现的嘲。但是,当研究的sRNA基因是必需的或者当过量表达有毒性时不能使用这种方法。另外,有些sRNA只在特定压力条件下发生自调控、正调控或转录活化抑制,因而这种方法可能无法发现在特殊环境下起作用的sRNA。
应、群体感应和细菌毒力【咩方面发挥了重要的调节作用。
1原核生物sRNA的发现
[收稿日期】2009-03—18[作者简介]李娜(一),女,硕士研究生
用于在原核生物中寻找sRNA及其基因的方法包括RNA标
i通信作者j王恒操,(E—mail)wanghl@nic.bil979
m.∞.cn
万方数据
700
此外,这种方法需要非常繁重的筛选工作。
1.3
与BRNA结合蛋白共纯化【10l
很多研究表明sRNA是通过与蛋白结合来发挥转录后水平调控功能的,如Hfq就是一种sRNA结合蛋白,许多sRNA通过与Hfq蛋白结合来调控靶mRNA的降解和翻译。因此,我们可以用靶蛋白及其抗体将sRNA免疫共沉淀下来。Christiansen等【ll】利用含有抗Hfq抗体的微阵列,将单核细胞增多性利斯特菌中的sRNA免疫共沉淀出来,然后测序获得3个sRNA。这种方法的优点是能够指示出sRNA与蛋白质的相互作用和活性形式,但是在整个纯化过程中都要求sRNA与蛋白质牢固结合,共纯化蛋白要有高度特异性抗体。
1.4鸟枪克隆法(也称为RNA组学)
RNA组学(RNomics)方法是分离细菌sRNA建立cDNA库,通过文库筛选和序列测定而获得sRNA的方法。Vogel等1121在大肠杆菌中利用RNA组学技术,以RNA长度为50-500nt为目标,筛选出11个sRNA,其中包括已有报道验证的3个sRNA。这种方法能够检测在一定时间点上表达的、在一定长度范围内的所有的sRNA,不需要预先知道sRNA的特征,能够自动化,能够检测种特异性和不规范的sRNA,能够检测到初级转录本和处理后的sRNA。但是这种方法涉及到对大量克隆的测序,因而花费非常昂贵,也有繁重的工作量;此外,由于sRNA结构的不同,在cDNA合成时可能造成文库的偏性。1.5基因芯片技术(微阵列法)【廿】
基因芯片技术(DNA微阵列)是在整个基因组范围内同时测
定基因表达的有力工具。Wassarman等I噘合使用基因芯片技术
和比较基因组学,分析筛选了大肠杆菌中大量的sRNA。这种方法能够平行地得到许多sRNA基因的转录特性,快速检测到条件依赖性sRNA表达模式,能够检测种特异性sRNA转录。但这种方法要求具备包括所有基因间区序列的微阵列,费用昂贵,且通常会产生与Northern杂交信号不一致的sRNA检测结果。目前发展了一种新的应对方法,利用DNA—RNA杂交体的特异性抗体可以解决标记问题,提高灵敏度flsJ。1.6生物信息学方法【坷
持续增长的细菌基因组序列及越来越多的sRNA被发现,为在全基因组内进行sRNA的计算机预测奠定了基础。sRNA一般来源于50-250nt的带有苇环结构的前体转录本,通常在亲缘相近的种属基因组中高度保守,而且sRNA前体都具有典型特征,因此町以通过生物信息学方法预测新的sRNA。生物信息方法预测sRNA的优点是能够迅速得到许多可能的sRNA候选基因列表,能够与近缘细菌的基因组进行进化比较。但这种方法需要预先知道sRNA的特征,并需要对许多候选位点进行验证。1.7基因组SELEX
指数式富集的配体系统进化(systematicevolutionofligands
by
exponential
enfichmem,SELEX)是20世纪90年代发展起来
的一项组合化学技术。利用该技术可以从随机单链核酸序列库中筛选到特异性与靶物质高度亲和的核酸配体,具有靶分子范围广、筛选出的配体亲和力和特异性高等特点。Lorenz等【17)用基于sRNA与Hfq结合的SELEX方法筛选与I-Ifq结合的sRNA。Windbichlertl8】通过亲和层析纯化并验证得到了sRNA结合因子,如RNA聚合酶B亚单位、Hfq和核糖体蛋白S1及其他一些结合因子,并且通过基因组SELEX获得了大量与它们结合的sRNA。
万方数据
生LEn,热I带BIOT术ECHN通OLOG讯Y…V01.20一一No.5
TrERS
IN
.
・)
S—ep.,2009
.,
2原核生物sRNA的验证
2.1
Northern印迹
Northern印迹是利用带标记的DNA探针与RNA进行分子
杂交来检测特异性RNA的技术。目前多数研究者将Nonhem印迹作为鉴定sRNA的金标准。但Nol-them印迹的最大缺点是对样品的需求较多,需要微克级样品才能避免假阴性,有时样品量达到40斗g才会出现明显的杂交信号。然而细菌的sRNA样品往往较难获得,从而导致易出现假阴性结果。Patricia等【191使用夹板
连接法(splintedligation),解决了Northern印迹样品需求量大这
个难题,此方法可以直接标记和定最测定,已经成功地从纳克到微克水平不等的总RNA中测定了各种不同的sRNA。
2.2实时定量PCR
目前,许多研究者将实时定量PCR用于定量检测sRNA,与Northern印迹相比,PCR方法可以高度灵敏地检测出低丰度表达的靶分子,并适于高通量筛选。简要过程如下:首先,将纯化的小分子量RNA与特异的sRNA引物混合,经变性、复性过程使引物与模板配对;然后加入包含逆转录酶、底物、DTI'及RNA酶抑制剂的混合物,逆转录生成cDNA;再以cDNA为模板,进行实时定
量PCR刚。
3原核生物sRNA调控机制的研究
功能分析表明sRNA是细菌调控研究中一直被忽略的一环。最新认识到的sRNA的生理功能已经部分填补了我们对细菌离子动态平衡、糖代谢和生长依赖性外膜蛋白表达调控知识的空白。传统理论认为RNA分子是把遗传信息从基因带到翻译系统的调节者,现在发现的sRNA在细菌中所起的作用更为广泛,它们涉及到的功能包括从结构调节到催化作用。影响各种各样的加工过程,如质粒复制、噬菌体发育、细菌毒性、压力反应、发育控制、RNA剪切和修饰、mRNA稳定性及蛋白质降解等。sRNA发挥调控功能的机制主要分为以下3种。
3.1
原核生物sRNA可以与目标mRNA结合进行表达调控[211通常。细菌sRNA与目标mRNA的结合是通过不完全序列
互补。多数情况下细菌sRNA结合在mRNA的5’端,抑制翻译起始;也有些sRNA结合在mRNA的3’端,起到稳定mRNA的作用。sRNA还可以结合在mRNA的茎环结构上,使茎环结构打开,从而起到促进翻译的作用。调控通常还伴随着核酸酶介导的mRNA裂解,比如当R丫hB结合到sodB基因的mRNA上时,
RNase
E就裂解它;当IstR—l结合到tisAB基因的mRNA上时,
RNaseⅢ就会裂解该mRNA分子。
3.2原核生物sRNA分子能够与细胞内蛋白质相互作用而调节
它们的活性阎
这类sRNA主要通过与蛋白质相互作用来影响这些蛋白质
的生物学功能。例如6SRNA在原核生物中高度保守,并且在稳
定期逐渐积聚,它与矿o-RNA聚合酶相互作用并改变它对启动子识别的特异性。CsrBRNA和CsrCRNA能够与全局转录后调控因子CsrA蛋白相互作用形成一个调控反应回路,在这个回路中,这2个RNA分子作为CsrA蛋白的拮抗物,严紧地调控着该
蛋白的活性。
3.3
专门行使持家功能的sRNA
李娜等:原核生物中小RNA的功能及研究进展
M1
RNA具有酶催化活性并形成RNaseP的催化亚单位,
该酶是tRNA5’端成熟所必需的酶。第2个持家sRNA是转移信使RNA(transfermessengerRNA,tmRNA,或SsrA),这类RNA具
有独特的特征,包含一个模仿tRNA的结构域和一个编码短肽标签的结构域。当核糖体在一个损伤的mRNA分子上延迟时,新生的肽链被转移到tmRNA上,以tmRNA分子中的mRNA片段为模板继续进行翻译(反式翻译)。这种反式翻译具有2种功能:使阻滞的核糖体解放出来,以及标记这个蛋白以便被特定的水解酶识别阿。第3个持家sRNA是4.5SRNA,它是核糖核蛋白(ri—bonucleoprotein,RNP)复合物的一部分,该复合物对蛋白分泌具有必不可少的功能。在几乎所有目前完成测序的细菌基因组中,这3种持家sRNA的基因编码序列都已经得到鉴定。
4
sRNA的功能研究
对未知功能的sRNA功能线索的获得,主要依赖于在特定细
胞或动物模型内外源性抑制或表达相应的sRNA基因,再通过报告基因系统验证后检测特定细胞或动物模型发育过程中的生化或分子变化来实现,并同时利用报告基因系统对sRNA的靶基因进行验证。4.1靶标预测
研究发现,大多己知功能的sRNA都能特异性地与mRNA或蛋白结合,调节基因表达,因此预测sRNA特异性的靶标在揭
示研究sRNA的调控基因表达功能中起到重要的作用。但是与
sRNA基因预测相比,靶基因的预测具有更大的难度。目前,不同
研究小组已开发多个sRNA靶基因预测软件,Tjaden等I蝴开发
了一个TargetRNA软件,通过动态规划算法(dynamic
pmgram—
ming
algorithm)在基因组中寻找与特定sRNA可能配对结合的
mRNA,已经证实TargetRNA软件能够有效地预测细菌sRNA的靶基因。
4.2
sRNA抑制
对sRNA功能的深入探索,仍然主要依赖于在特定细胞或组织中外源性抑制或过表达目的sRNA后,检测其引起的相关生理学或病理学变化。目前,主要有2种方法可以阻断sRNA的作用:一是敲除sRNA基因或其在靶基因上的结合位点,二是sRNA的序列特异性抑制。我们课题组应用入一Red同源莺组系统,成功构建了几个痢疾杆菌的sRNA缺失突变体,以此来研究未知功能的sRNA在痢疾杆菌中的调控功能。因为Hfq通常是sRNA的稳定
及其与靶mRNA相互作用所需要的,因此怕基因缺失在许多
细菌中都表现出复杂的表型,从不能应对多样性的压力到致病菌株毒力减弱或降低。许多研究小组都通过敲除Hfq的sRNA结合位点来研究与其结合发挥调控功能的sRNA。有研究者使用2"-氧甲基化修饰的反义寡核苷酸抑制剂阻断sRNA的作用闭。这种抑制剂是体外化学合成的可与特异性sRNA完全互补的反义RNA,其核糖27一氧的甲基化修饰能保证反义RNA分子在体内的稳定性,在借助转染试剂进入目的细胞后,能快速并稳定地与内源性成熟sRNA分子互补结合,从而阻止了内源性sRNA分
子与靶基因配对。
4.3小RNA的过表达
与常规mRNA的功能研究相似,对sRNA的过表达研究也是探讨sRNA功能的一种主要方式。可以通过构建sRNA表达载
万方数据
701
体、转入目的细胞等2种方式来实现。Vogel等唧构建sRNA表达载体并融合绿色荧光蛋白,研究了大肠杆菌中sRNA在不同条件下和不同生长时期对靶mRNA的抑制或激活,这些表达载体可进一步用于研究其他细菌sRNA的功能。
5结语
作为一类原核生物中新发现的调控子,sRNA已引起研究者极大的兴趣。随着研究技术和方法的日新月异,原核生物中越来越多灼sRNA被发现并验证。但是,研究sRNA的方法仍有不足,需要改善,如需要减少sRNA预测中的假阳性和sRNA验证中的假阴性等。另一方面,sRNA作为一种新的调控子,在原核生物的物质代谢、环境适应、群体感应和细菌毒力等方面发挥了重要的调节作用。尽管现在细菌中发现的sRNA在迅速增加,但其大部分功能还未知,从目前积累的知识分析,原核生物可能借助于这
些sRNA对它们的生理系统进行精细调控,以便适应迅速变化的环境。因此,深入认识这些sRNA可能开辟一个新的研究领域,因为它们可能代表着一个新层次上的基因表达调控方式。
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novelsmall
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isa
widespread
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comparativegnnomics
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非常规调控的RNA。这些RNA的长度为50~400核苷酸,通常由原核生物的基因间区编码,但并不翻译成蛋白质,因此被称
为非编码小RNA(sRNA),简称小RNA或非编码RNA。近年来,随着生物信息学和分子生物学技术的不断发展,在原核生物体内陆续发现了上百种sRNA分子,这些sRNA分子具有多样的生物学功能,作为一类新发现的基因表达调控子已经引起
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not
were
initiallyidentified
in
theintergenieregions.SmallRNAisyears,many
computationalstrategies
kindofnewlydiscovered50-400
identified
on
RNAs
encodesproteins.In
and
thesesRNA
recent
havehundredsofsRNAcandidatesis
prokaryote
have
manykindsofbiologicalfunctions.Thusresearch
thefunctionofsRNA
veryimportantnowadays.
[Keywords】smallRNA;prokaryote;generegulation
原核生物非编码小RNA(non—coding
small
RNA)是一类长记和染色、功能基因筛选、与蛋白质共纯化、鸟枪克隆法、微阵列检测、生物信息学搜寻、基因组SELEX等【11,每种搜寻sRNA的方法均有其优缺点。
1.1
度为50-400核苷酸(nt)、不能翻译成蛋白质的RNA,简称小
RNA(smallRNA,sRNA)或非编码RNA(ncRNA)Ill。Grif!Iin等在
1971年首先在大肠杆菌中发现了sRNA分子,但这些RNA分子的编码基因以及它们的功能都不清楚[21。原核生物8RNA长期以来被人们忽视,直到20世纪80年代早期,才知道这些sRNA分子是反式编码反义RNA(trans—encoded
antisense
RNA标记和染色网
RNA标记和染色,就是对细胞总提取物进行同位素标记或化学染色标记、凝胶分离、切胶回收所需条带,最后利用核酸酶酶切RNA进行分析。这种方法是最早用于寻找sRNA基因的方法,通过这种方法可以发现细胞内丰富的sRNA,但是不能区分sRNA和rRNA、tRNA,而且实验中需要操作放射性标记的细菌培养基。
1.2
RNA)。近年来
人们发现sRNA在原核生物中广泛存在,比如在大肠杆菌中被确认的非编码RNA的数量已经超过了70种翻。除此之外,大肠杆菌中还有不少疑似非编码RNA有待确认,随着研究的深入,估计大肠杆菌的非编码RNA数量还会增加。
通常认为原核生物中基因表达的调控主要发生在转录水平上,因为原核生物的转录和翻译是偶联的,与转录后调节相比,基因表达在转录水平上的调节更为有效。而大多数sRNA是通过与mRNA碱基配对,在转录后水平调控靶基因抑制或活化,如sRNA与靶RNA结合,导致靶RNA的降解;sRNA负性调节靶RNA的翻译;sRNA激活靶mRNA的翻译等。还有一些sRNA具有特定的调控蛋白的功能pt-Sl。sRNA在细菌的物质代谢、环境适
功能性遗传筛选(functionalgeneticscreens)闱
功能性遗传筛选的方法是通过建立多拷贝质粒文库识别sRNA,这种方法可以直接鉴定sRNA的功能,能够利用现已建立的遗传学方法。然而,这种筛选很少是专门针对sRNA基因的,为了丰富sRNA基因文库,最好克隆较小的DNA片段,即分离DNA之后用限制性酶进行切割。大肠杆菌的MicF和DsrA
RNA
就是通过功能性遗传筛选发现的嘲。但是,当研究的sRNA基因是必需的或者当过量表达有毒性时不能使用这种方法。另外,有些sRNA只在特定压力条件下发生自调控、正调控或转录活化抑制,因而这种方法可能无法发现在特殊环境下起作用的sRNA。
应、群体感应和细菌毒力【咩方面发挥了重要的调节作用。
1原核生物sRNA的发现
[收稿日期】2009-03—18[作者简介]李娜(一),女,硕士研究生
用于在原核生物中寻找sRNA及其基因的方法包括RNA标
i通信作者j王恒操,(E—mail)wanghl@nic.bil979
m.∞.cn
万方数据
700
此外,这种方法需要非常繁重的筛选工作。
1.3
与BRNA结合蛋白共纯化【10l
很多研究表明sRNA是通过与蛋白结合来发挥转录后水平调控功能的,如Hfq就是一种sRNA结合蛋白,许多sRNA通过与Hfq蛋白结合来调控靶mRNA的降解和翻译。因此,我们可以用靶蛋白及其抗体将sRNA免疫共沉淀下来。Christiansen等【ll】利用含有抗Hfq抗体的微阵列,将单核细胞增多性利斯特菌中的sRNA免疫共沉淀出来,然后测序获得3个sRNA。这种方法的优点是能够指示出sRNA与蛋白质的相互作用和活性形式,但是在整个纯化过程中都要求sRNA与蛋白质牢固结合,共纯化蛋白要有高度特异性抗体。
1.4鸟枪克隆法(也称为RNA组学)
RNA组学(RNomics)方法是分离细菌sRNA建立cDNA库,通过文库筛选和序列测定而获得sRNA的方法。Vogel等1121在大肠杆菌中利用RNA组学技术,以RNA长度为50-500nt为目标,筛选出11个sRNA,其中包括已有报道验证的3个sRNA。这种方法能够检测在一定时间点上表达的、在一定长度范围内的所有的sRNA,不需要预先知道sRNA的特征,能够自动化,能够检测种特异性和不规范的sRNA,能够检测到初级转录本和处理后的sRNA。但是这种方法涉及到对大量克隆的测序,因而花费非常昂贵,也有繁重的工作量;此外,由于sRNA结构的不同,在cDNA合成时可能造成文库的偏性。1.5基因芯片技术(微阵列法)【廿】
基因芯片技术(DNA微阵列)是在整个基因组范围内同时测
定基因表达的有力工具。Wassarman等I噘合使用基因芯片技术
和比较基因组学,分析筛选了大肠杆菌中大量的sRNA。这种方法能够平行地得到许多sRNA基因的转录特性,快速检测到条件依赖性sRNA表达模式,能够检测种特异性sRNA转录。但这种方法要求具备包括所有基因间区序列的微阵列,费用昂贵,且通常会产生与Northern杂交信号不一致的sRNA检测结果。目前发展了一种新的应对方法,利用DNA—RNA杂交体的特异性抗体可以解决标记问题,提高灵敏度flsJ。1.6生物信息学方法【坷
持续增长的细菌基因组序列及越来越多的sRNA被发现,为在全基因组内进行sRNA的计算机预测奠定了基础。sRNA一般来源于50-250nt的带有苇环结构的前体转录本,通常在亲缘相近的种属基因组中高度保守,而且sRNA前体都具有典型特征,因此町以通过生物信息学方法预测新的sRNA。生物信息方法预测sRNA的优点是能够迅速得到许多可能的sRNA候选基因列表,能够与近缘细菌的基因组进行进化比较。但这种方法需要预先知道sRNA的特征,并需要对许多候选位点进行验证。1.7基因组SELEX
指数式富集的配体系统进化(systematicevolutionofligands
by
exponential
enfichmem,SELEX)是20世纪90年代发展起来
的一项组合化学技术。利用该技术可以从随机单链核酸序列库中筛选到特异性与靶物质高度亲和的核酸配体,具有靶分子范围广、筛选出的配体亲和力和特异性高等特点。Lorenz等【17)用基于sRNA与Hfq结合的SELEX方法筛选与I-Ifq结合的sRNA。Windbichlertl8】通过亲和层析纯化并验证得到了sRNA结合因子,如RNA聚合酶B亚单位、Hfq和核糖体蛋白S1及其他一些结合因子,并且通过基因组SELEX获得了大量与它们结合的sRNA。
万方数据
生LEn,热I带BIOT术ECHN通OLOG讯Y…V01.20一一No.5
TrERS
IN
.
・)
S—ep.,2009
.,
2原核生物sRNA的验证
2.1
Northern印迹
Northern印迹是利用带标记的DNA探针与RNA进行分子
杂交来检测特异性RNA的技术。目前多数研究者将Nonhem印迹作为鉴定sRNA的金标准。但Nol-them印迹的最大缺点是对样品的需求较多,需要微克级样品才能避免假阴性,有时样品量达到40斗g才会出现明显的杂交信号。然而细菌的sRNA样品往往较难获得,从而导致易出现假阴性结果。Patricia等【191使用夹板
连接法(splintedligation),解决了Northern印迹样品需求量大这
个难题,此方法可以直接标记和定最测定,已经成功地从纳克到微克水平不等的总RNA中测定了各种不同的sRNA。
2.2实时定量PCR
目前,许多研究者将实时定量PCR用于定量检测sRNA,与Northern印迹相比,PCR方法可以高度灵敏地检测出低丰度表达的靶分子,并适于高通量筛选。简要过程如下:首先,将纯化的小分子量RNA与特异的sRNA引物混合,经变性、复性过程使引物与模板配对;然后加入包含逆转录酶、底物、DTI'及RNA酶抑制剂的混合物,逆转录生成cDNA;再以cDNA为模板,进行实时定
量PCR刚。
3原核生物sRNA调控机制的研究
功能分析表明sRNA是细菌调控研究中一直被忽略的一环。最新认识到的sRNA的生理功能已经部分填补了我们对细菌离子动态平衡、糖代谢和生长依赖性外膜蛋白表达调控知识的空白。传统理论认为RNA分子是把遗传信息从基因带到翻译系统的调节者,现在发现的sRNA在细菌中所起的作用更为广泛,它们涉及到的功能包括从结构调节到催化作用。影响各种各样的加工过程,如质粒复制、噬菌体发育、细菌毒性、压力反应、发育控制、RNA剪切和修饰、mRNA稳定性及蛋白质降解等。sRNA发挥调控功能的机制主要分为以下3种。
3.1
原核生物sRNA可以与目标mRNA结合进行表达调控[211通常。细菌sRNA与目标mRNA的结合是通过不完全序列
互补。多数情况下细菌sRNA结合在mRNA的5’端,抑制翻译起始;也有些sRNA结合在mRNA的3’端,起到稳定mRNA的作用。sRNA还可以结合在mRNA的茎环结构上,使茎环结构打开,从而起到促进翻译的作用。调控通常还伴随着核酸酶介导的mRNA裂解,比如当R丫hB结合到sodB基因的mRNA上时,
RNase
E就裂解它;当IstR—l结合到tisAB基因的mRNA上时,
RNaseⅢ就会裂解该mRNA分子。
3.2原核生物sRNA分子能够与细胞内蛋白质相互作用而调节
它们的活性阎
这类sRNA主要通过与蛋白质相互作用来影响这些蛋白质
的生物学功能。例如6SRNA在原核生物中高度保守,并且在稳
定期逐渐积聚,它与矿o-RNA聚合酶相互作用并改变它对启动子识别的特异性。CsrBRNA和CsrCRNA能够与全局转录后调控因子CsrA蛋白相互作用形成一个调控反应回路,在这个回路中,这2个RNA分子作为CsrA蛋白的拮抗物,严紧地调控着该
蛋白的活性。
3.3
专门行使持家功能的sRNA
李娜等:原核生物中小RNA的功能及研究进展
M1
RNA具有酶催化活性并形成RNaseP的催化亚单位,
该酶是tRNA5’端成熟所必需的酶。第2个持家sRNA是转移信使RNA(transfermessengerRNA,tmRNA,或SsrA),这类RNA具
有独特的特征,包含一个模仿tRNA的结构域和一个编码短肽标签的结构域。当核糖体在一个损伤的mRNA分子上延迟时,新生的肽链被转移到tmRNA上,以tmRNA分子中的mRNA片段为模板继续进行翻译(反式翻译)。这种反式翻译具有2种功能:使阻滞的核糖体解放出来,以及标记这个蛋白以便被特定的水解酶识别阿。第3个持家sRNA是4.5SRNA,它是核糖核蛋白(ri—bonucleoprotein,RNP)复合物的一部分,该复合物对蛋白分泌具有必不可少的功能。在几乎所有目前完成测序的细菌基因组中,这3种持家sRNA的基因编码序列都已经得到鉴定。
4
sRNA的功能研究
对未知功能的sRNA功能线索的获得,主要依赖于在特定细
胞或动物模型内外源性抑制或表达相应的sRNA基因,再通过报告基因系统验证后检测特定细胞或动物模型发育过程中的生化或分子变化来实现,并同时利用报告基因系统对sRNA的靶基因进行验证。4.1靶标预测
研究发现,大多己知功能的sRNA都能特异性地与mRNA或蛋白结合,调节基因表达,因此预测sRNA特异性的靶标在揭
示研究sRNA的调控基因表达功能中起到重要的作用。但是与
sRNA基因预测相比,靶基因的预测具有更大的难度。目前,不同
研究小组已开发多个sRNA靶基因预测软件,Tjaden等I蝴开发
了一个TargetRNA软件,通过动态规划算法(dynamic
pmgram—
ming
algorithm)在基因组中寻找与特定sRNA可能配对结合的
mRNA,已经证实TargetRNA软件能够有效地预测细菌sRNA的靶基因。
4.2
sRNA抑制
对sRNA功能的深入探索,仍然主要依赖于在特定细胞或组织中外源性抑制或过表达目的sRNA后,检测其引起的相关生理学或病理学变化。目前,主要有2种方法可以阻断sRNA的作用:一是敲除sRNA基因或其在靶基因上的结合位点,二是sRNA的序列特异性抑制。我们课题组应用入一Red同源莺组系统,成功构建了几个痢疾杆菌的sRNA缺失突变体,以此来研究未知功能的sRNA在痢疾杆菌中的调控功能。因为Hfq通常是sRNA的稳定
及其与靶mRNA相互作用所需要的,因此怕基因缺失在许多
细菌中都表现出复杂的表型,从不能应对多样性的压力到致病菌株毒力减弱或降低。许多研究小组都通过敲除Hfq的sRNA结合位点来研究与其结合发挥调控功能的sRNA。有研究者使用2"-氧甲基化修饰的反义寡核苷酸抑制剂阻断sRNA的作用闭。这种抑制剂是体外化学合成的可与特异性sRNA完全互补的反义RNA,其核糖27一氧的甲基化修饰能保证反义RNA分子在体内的稳定性,在借助转染试剂进入目的细胞后,能快速并稳定地与内源性成熟sRNA分子互补结合,从而阻止了内源性sRNA分
子与靶基因配对。
4.3小RNA的过表达
与常规mRNA的功能研究相似,对sRNA的过表达研究也是探讨sRNA功能的一种主要方式。可以通过构建sRNA表达载
万方数据
701
体、转入目的细胞等2种方式来实现。Vogel等唧构建sRNA表达载体并融合绿色荧光蛋白,研究了大肠杆菌中sRNA在不同条件下和不同生长时期对靶mRNA的抑制或激活,这些表达载体可进一步用于研究其他细菌sRNA的功能。
5结语
作为一类原核生物中新发现的调控子,sRNA已引起研究者极大的兴趣。随着研究技术和方法的日新月异,原核生物中越来越多灼sRNA被发现并验证。但是,研究sRNA的方法仍有不足,需要改善,如需要减少sRNA预测中的假阳性和sRNA验证中的假阴性等。另一方面,sRNA作为一种新的调控子,在原核生物的物质代谢、环境适应、群体感应和细菌毒力等方面发挥了重要的调节作用。尽管现在细菌中发现的sRNA在迅速增加,但其大部分功能还未知,从目前积累的知识分析,原核生物可能借助于这
些sRNA对它们的生理系统进行精细调控,以便适应迅速变化的环境。因此,深入认识这些sRNA可能开辟一个新的研究领域,因为它们可能代表着一个新层次上的基因表达调控方式。
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