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Science:宏基因组挖掘新的核糖调控元件

2016/04/13 来源:生物探索
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导读
在4月8日的Science上,Dar等人描述了一种基因组水平的实验鉴定受条件转录终止调节的基因的新方法。这项工作进一步调高了我们对细菌基因调控的理解,扩展了可应用于合成生物学的RNA为基础的调节元件的范围。


核糖开关是信使RNA(mRNA)上的微小的结构元件,它可根据特定的环境暴露改变构象,这些变化可以改变转录或翻译。这样的核糖开关在细菌的基因调控上是一个重要的因素。然而,这样基于RNA的调节对于研究来说还是具有挑战性的,一部分的原因是缺少有效的高通量技术对其不偏不倚地进行鉴定。在4月8日的Science上,Dar等人描述了一种基因组水平的实验鉴定受条件转录终止调节(可能是RNA结构转变的结果)的基因的新方法。这项工作进一步调高了我们对细菌基因调控的理解,扩展了可应用于合成生物学的RNA为基础的调节元件的范围。

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已发现的核糖开关只是冰山一角

在过去十年发现的调节RNA中,核糖开关代表了一类有趣的顺式调控元件。它们存在于它们所调控的mRNA的非编码区,可以折叠成相互独立的结构。在这种方式中,某个结构允许基因的表达,而其它结构不允许。构象变化的触发通常是和配体直接结合。

核糖开关调控众多的生物途径,包括细菌中维生素和氨基酸的生物合成。它们的基因调控模式主要涉及转录终止或翻译起始的控制。然而,核糖开关也存在对剪接、mRNA降解或核酸活化的调控。核糖开关对代谢选择性地响应,但也可以被温度或金属离子结合触发。

大家普遍认为,目前已知的核糖开关只是冰山一角;然而用保守为基础的方法鉴定新的核糖开关不可能引领新发现了。例如,非保守的核糖调控元件,只是在细菌的一个种或者是特定分支中存在的,不大可能被比较生物信息学所发现。

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基因组水平的末端鉴定筛选大量新调控元件

直到Dar等人的工作发表,大部分的核糖开关才得以发现。发现的核糖开关处于基因转录的非编码区保守元件。使用这种方法大概发现了25种不同种类的核糖开关,实验证明其在细菌、古细菌、藻类、真菌和植物中各自不同。

Dar等人提出的方法,允许不考虑进化保守性发现RNA调控。该方法结合一种库准备的方法RNA测序——term-seq,可以鉴定转录的3 ’末端。通过将这个方法实施在存在或不存在配体条件下生长的生物,在RNA水平受调节导致转录条件性过早终止的基因可以被鉴定出来。这个方法的强大效果显示在枯草芽孢杆菌能鉴定出超过90% 的(53个中49个)已知核糖开关,并发现了18个新的潜在调控元件。

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潜在的药靶和合成生物学的应用前景

大多数以mRNA翻译为靶的抗生素具有RNA结合特性。因此,有建议认为对抗生素抗性基因RNA为基础的调节很重要。作者鉴定了一系列被抗生素靶向翻译提前条件性终止的基因。从细菌的角度来看,响应特定抗生素,迅速激活抗生素抗性基因的表达是很重要的。在RNA水平有这样的调节出现,让细菌对抗生素暴露迅速反应。

这对抗生素抗基因的新调控机制的发现提高了对抗生素抗性的理解,也提示了这些核糖调控元件可能是潜在的药靶。此外,集成这些调控元件到报告系统中去可以创建生物传感器,可以确认在单细胞水平的药物暴露的特征。这些工具有助于研究抗生素的作用方式及抗生素耐药性的演变。

由于Dar等人开发的这个方法只依赖于获得RNA样品,所以该方法可以用来研究宏基因组RNA样本。作为概念的证明,作者对人类口腔微生物菌群和暴露在不同抗生素下的样品取样,这样作者鉴定到一些由抗生素调节的核糖调控元件,显示了这种方法的通用性。

除了提高我们对细菌基因调节和抗生素治疗反应的理解,这个研究也为构建合成生物学工具开辟新的途径。RNA为基础调控的通用型和模块化,促进了构建遗传回路甚至是创建全新的调控元件的RNA调控装置的发展。这些努力导致了复杂遗传回路的构建,但是它们的适用性仍由几个因素限制,其中包括RNA调控元件配体谱系的存在。鉴于生物世界的巨大多样性,很可能之前为了寻找能够运用在合成生物学中的调节装置的研究,而在生物体系的方面的挖掘只涉及了这种多样性的表面。而如Dar等人描述的方法允许研究人员为合成生物学家扩大这类元件的表单。

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