复旦大学最新Cell：核糖开关十年

　　

生物通报道：自核糖开关(riboswitch)最早被Winkler等人于2002年发现并命名以来，这一关键调控元件的研究历程已经走过了十年，近期来自复旦大学上海医学院，药学系等处的研究人员发现了一种广泛分布于具有抗生素耐药性细菌病原体中的新型核糖开关：氨基糖苷结合核糖开关，相关成果公布在1月17日的Cell杂志上，同期两位科学家还以“A Decade of Riboswitches”为题，点评了这项研究成果。

文章的通讯作者是复旦大学****特聘教授Alastair I.H. Murchie，以及陈东戎教授，这一研究组主要综合利用生物化学，分子生物学，结构生物学和生物物理等手段深入研究RNA分子的生物学功能，RNA甲基转移酶的生物学功能以及线粒体的转录和调控机理，他们的课题研究是许多人类疾病的基础，因此与多种疾病密切相关。

核糖开关(riboswitch)最早是由Winkler等人于2002年在大肠杆菌中发现并命名的，这是一类非编码RNA元件，主要在细菌mRNA的5'非编码区( UTR) 被发现，但在真核生物mRNA的3'UTR及初始转录产物的内含子区段也有发现。由于一直以来非编码区均是分子生物学研究的热点之一，因此作为该领域的重要组成部分，核糖开关也成为了近几年基因表达调控研究的一个热点。

近十年来，核糖开关作为维生素衍生物的RNA细胞内传感作用因子，被发现与越来越多的小分子代谢物和离子产生了相互作用，功能涉及到了转录，翻译，剪切和RNA的稳定性，在这篇文章中，复旦大学的研究人员又找到了一种与之相互作用的小分子：氨基糖苷类(aminoglycosides) ，氨基糖苷类抗生素是一类由氨基糖与氨基环醇通过氧桥连接而成的苷类抗生素，与大多数抑制微生物蛋白质合成的抗生素不同，氨基糖苷类抗生素所起的是杀菌作用，属静止期杀菌药。

这一类氨基糖苷结合核糖开关，广泛分布在具有抗生素耐药性的细菌病原体中。研究人员发现这种核糖开关存在于编码氨基糖苷类乙酰转移酶（AAC）和氨基糖苷类腺嘌呤基转移酶（AAD）的抗性基因前导序列RNA中，其中这两种酶能通过药物修饰作用，将抗性传递给氨基糖苷类抗生素。

研究人员还发现这两种酶抗性基因的表达，受到氨基糖苷与5'前导RNA上二级结构之间相互作用的调控，他们通过报告基因表达，药物RNA结合直接检测，化学探针，以及UV交联反应等突变分析，证明了这种前导RNA能能作为一种氨基糖苷传感核糖开关，药物能结合在前导RNA上，诱导氨基糖苷类抗生素抗性。

这是核糖开关研究领域的又一重要进展，对于核糖开关基因调控研究，以及抗生素抗性研究具有重要的意义。

破解天然核糖开关的调控机制和结构机理，将有助于发展针对某种特殊配体的核糖开关合成生物学，以及构建新型有用的细菌，未来研究将揭示出天然RNA传感作用的全部分子机制，核糖开关也将在生物医药，以及生物技术应用等方面发出越来越耀眼的光芒。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Riboswitch Control of Aminoglycoside Antibiotic Resistance

The majority of riboswitches are regulatory RNAs that regulate gene expression by binding small-molecule metabolites. Here we report the discovery of an aminoglycoside-binding riboswitch that is widely distributed among antibiotic-resistant bacterial pathogens. This riboswitch is present in the leader RNA of the resistance genes that encode the aminoglycoside acetyl transferase (AAC) and aminoglycoside adenyl transferase (AAD) enzymes that confer resistance to aminoglycoside antibiotics through modification of the drugs. We show that expression of the AAC and AAD resistance genes is regulated by aminoglycoside binding to a secondary structure in their 5 leader RNA. Reporter gene expression, direct measurements of drug RNA binding, chemical probing, and UV crosslinking combined with mutational analysis demonstrate that the leader RNA functions as an aminoglycoside-sensing riboswitch in which drug binding to the leader RNA leads to the induction of aminoglycosides antibiotic resistance.

作者简介：

Alastair I H Murchie
博士，研究员，博士生导师，“****”特聘教授/复旦大学特聘教授

1984年获得英国Manchester大学化学学士学位。1994年获得英国Dundee大学生物化学博士学位，1998年前从事为核酸高级结构及核酸和蛋白质相结合的研究。1998年至2005年分别任英国剑桥新药开发公司(Ribotargets)和法国巴黎巴斯德研究所属的新药开发公司（Ariana pharmaceuticals）首席研发，研究方向为与核酸高级结构相关的HIV, HCV 和新抗生素的研制和开发。从1984年以来一直从事核酸高级结构及核酸和蛋白质相结合的研究和与其相关的新药的研制和开发。共发表68篇学术论文，其中包括: Nature 4篇, Science 1篇, Cell 2篇, Molecular Cell 1篇, PNAS 3篇, EMBO J 6篇, Biochemistry 7篇, JMB9篇，NAR2篇等等以及4项专利和17篇特邀综述和书的章节。学术论文被引用次数总共为3926次，文章的影响因子共为434。

研究方向：
我们的研究课题将综合利用生物化学，分子生物学，结构生物学和生物物理等手段深入研究RNA分子的生物学功能，RNA甲基转移酶的生物学功能以及线粒体的转录和调控机理，我们的课题研究是许多人类疾病的基础因此与多种疾病密切相关。我们的课题包括：

1. 裂殖酵母线粒体的转录与调控
线粒体是真核细胞能量代谢的中心，是真核细胞中最复杂和最重要的细胞器之一,它除了进行重要的氧化磷酸化以外，还在细胞凋亡、衰老,体内钙平衡等细胞进程中发挥主要作用，与线粒体功能障碍有关的疾病包括癌症、动脉粥样硬化性心脏病，中风、糖尿病、肥胖病、衰老、特别是神经退行性疾病如帕金森病和阿尔茨海默氏病等人类重大疾病。我们实验室首次分离和鉴定了裂殖酵母的线粒体转录机制的RNA聚合酶（Rpo41）和转录因子（Mtf1），我们还发现了Mtf1也是一个核中的转录因子，我们将进一步研究Mtf1在核中和线粒体中的分子机制和生物学功能。

2.RNA甲基转移酶的生物学功能
从原核生物到真核生物所有的RNA都是被修饰的，目前已经发现了100多种RNA的修饰方式，RNA的修饰大约占细胞总代谢量的10-20％，有关RNA修饰的研究表明某些RNA的修饰是和人类的多种疾病有关的。RNA的修饰不仅仅是维持细胞正常功能的一个重要过程，而且也是了解与其相关的各种人类疾病的理论基础，因此研究RNA的修饰及其生物学功能是十分重要的。RNA的甲基化是最常见的一种RNA的修饰方式，它是由RNA甲基转移酶把甲基供体SAM（S-adenosyl-methionine）上的甲基转移到靶点RNA上来实现的。我们已经分离和纯化了多个有活性的RNA甲基转移酶并且建立了体外验证RNA甲基转移酶活性和底物RNA的实验方法。我们将继续深入地研究RNA甲基转移酶和底物RNA的识别机制和作用机理以及其重要的生物学功能。

3.RNA分子对基因表达的调控机理
某些特异的RNA分子是在非编码区中的可形成特殊高级结构的mRNA，小分子代谢物可与这类mRNA结合，改变mRNA高级结构，从而调节基因的表达，这些RNA最初是在细菌中发现的。这些RNA对基因表达的调控可以是在翻译或转录水平上的。它们的复杂的mRNA高级结构总是在精细而又准确的检测着细胞中化学环境并且与小分子代谢物结合，通过mRNA高级结构的改变来调控基因表达，从而维持细菌的生长和代谢。目前，在细菌中已经发现了十几种这样的特异的RNA分子，而且在真菌和植物也有了相关的报道。由于这些RNA是通过调控基因表达来维持细菌的生长和代谢，因此，它们也是潜在的抗生素的新靶点。我们实验室已经确认了更多这种有着特异的生物功能的RNA分子，我们将进一步研究这些RNA对基因表达的调控机理，为寻找新型抗生素提供新的思路和技术手段。