细菌非编码RNA功能相关研究

1、细菌非编码RNA功能相关研究outline Introduction Transcription reprogramming Iron homoeostasis Envelope homoeostasis Toxin and antitoxin ncRNAs Sugar utilization and metabolic intermediates Aspects and consequences of ncRNA/mRNA interactions Hfq: a key player in RNA transactionsIntroduction ncRNAs 调控mRNA的表达和蛋白质功能

2、主要通过两种模式： ncRNAs与mRNAs通过碱基配对形成RNA二倍体，然后改变其转录效率及稳定性, 这类NRA叫antisense RNAs，大肠杆菌中Hfq蛋白通常促进二倍体的形成。 ncRNAs与蛋白质结合然后改变其活性，这赋予了细菌适应环境变化的灵活性。Figure 1: Effects of chromosomally encoded ncRNAs on their mRNA or protein targetsTranscription reprogramming 细菌中RNAP (RNA polymerase)以两种形式存在：核心酶（两个 , 一个和亚基）和全酶（亚基+核心酶）

3、。 亚基使启动子能够特异性地和RNAP 结合， 大肠杆菌中RNAP与E70结合，保证转录的活性。 大肠杆菌的SsrS 是ncRNA调控转录的典例： SsrS是一个184nt的ncRNA，与E70形成复合体降低70与RNAP联结的稳定性。 SsrS编码产生一个14-20nt的长RNA（ pRNA），然后E70SsrSpRNA 复合体解离。Figure 2 ：Transcription reprogramming by SsrSIron homoeostasis 铁离子对大多数的生物体来说都是必要的，因为它是许多参与生命活动的关键酶的辅因子。但是当有氧存在时它是有害的，所以细胞内铁离子的水平必要严

4、格控制确保生理上的需要和避免损害。 细菌中是通过调控翻译参与铁离子运输和存储的蛋白质及铁离子依赖性酶基因的表达来调节铁离子的水平。Fur (铁摄取调节子 ) 是主要的转录抑制子，控制铁离子的代谢和其作为辅因子的使用（Fe2+）。 大肠杆菌中Fur调控机制依赖ryhB（ncRNA RyhB (90 nt)）基因。 RyhB可以间接地调控铁离子（增加）,并且RyhB也可以调控fur mRNA的表达。Figure 3 ：RyhB ncRNA modulates the free intracellular iron in Escherichia coliRyhB also provides feed

5、back by acting on fur mRNA translationFigure 4： RyhB acting on fur mRNA translationEnvelope homoeostasis 细菌的外膜给它提供了结构的完整性，机械屏障：保护它免受内部膨胀压的影响；选择性屏障：负责细胞质与外部环境的物质交换。 OMPs(膜外蛋白)是细菌的选择性受体，在相互调控网络的作用下它的数量和性质会随时改变以适应环境变化。在这些调控网络中二倍体（EnvZ-OmpR ,CpxA-CpxR）和转录起始因子E是主要的因素，它们调控着许多编码膜蛋白基因的表达，比如：OMPs。 Figure 5：

6、Current model of the envelope integrity controlby ncRNAs inEnterobacteriaceaeFigure 6：Summary of sRNA regulators of outer membrane proteins. Toxin and antitoxin ncRNAs 细菌中的TA模式，由编码毒素的基因和编码抗毒素（蛋白质或ncRNA）基因组成。 举例介绍四种常见的模式： SOS-induced toxins in E. Coli：The IstR-TisB module The SymR-SymE module The lyt

7、ic-toxin TxpA of B. Subtilis Rcd, a plasmid-encoded ncRNA toxin targeting a host enzyme1、The IstR-TisB moduleFigure 7： Schematic representation of the istR1-tisB locus. 2、The SymR-SymE moduleFigure 8： SymR RNA represses SymE translation. 3、The lytic-toxin TxpA of B. Subtilis ratA和txpA分别编码222 nt的 ncR

8、NA, RatA；59 aa 的细胞溶解毒性蛋白质，TxpA。 RatA和txpA mRNA的3末端有75个nt的重叠区，使得它们之间形成二聚物，抑制TxpA蛋白的产生，并且不需要 Hfq的参与，然后进行降解。 txpA-ratA 模型存在于枯草杆菌的skin区域，并且能够阻止未成熟细胞进行分化。4、Rcd, a plasmid-encoded ncRNA toxin targeting a host enzyme Rcd是大肠杆菌中特殊的ncRNA:它由质粒编码产生而不是染色体；它不属于前面介绍的任何一种TA模式；它作为一种毒素而不是抗毒素。 多重拷贝质粒的稳定会因为同源重组而降低。大肠杆菌

9、中的质粒ColE1的分离是由复杂的系统介导的，涉及到它的两个重组cer位点和由宿主染色体编码的蛋白质。 在重组分离的过程中，Rcd ncRNA被位于cer位点的启动子转录。 Rcd与宿主酶TnaA结合，增强它对色氨酸的亲和力导致胞内吲哚的暴升，并最终阻碍细胞分离，使质粒降解。Sugar utilization and metabolic intermediates 细菌中的PTS途径调节糖的摄取及后续的磷酸化作用，主要作用于葡萄糖的PTS包含PtsG(or EIICB)转运体， 由ptsG基因编码。PTS中的葡萄糖被PtsG激活产生G6P当汇集时有害。 在大肠杆菌中ncRNA SgrS (22

10、7 nt)负调控ptsG，抑制G6P的富集。Figure 9： A model for the roles of SgrS . Figure 10： A model for ptsG mRNA degradation in response to the phosphosugar stress. Aspects and consequences of ncRNA/mRNA interactionsFigure 11： General features and consequences of the ncRNA/mRNA interaction. Aspects and consequences

11、 of ncRNA/mRNA interactions 目前大多数ncRNA都是通达与mRNA互补配对来调控其表达，并且它们之间的相互作用是非常高效的，因为mRNA中只有少数的核苷酸会被ncRNA利用来形成二倍体。 调控蛋白质的合成：促进、抑制 翻译的抑制：ncRNA通常与mRNA中靠近SD或TIR区域的序列配对，然后阻止核糖体与mRNA的结合，并且通常发生在初始mRNA上。 翻译的促进：ncRNA促进翻译的例子非常少，它通常与mRNA的5UTR中TIR上游的区域配对，其结构改变后使SD序列能与核糖体结合( 如：DsrA- and RprA/rpoS,RyhB/shiA, RNAIII/-hl

12、a) 。GlmY and GlmZ ncRNAs activate glmS translation by an indirect mechanismFigure 12： GlmY and GlmZ ncRNAs activate glmS translation . Hfq: a key player in RNA transactions Hfq又叫HF-I，是一种热稳定蛋白，由hfq基因编码，其大小在各个菌种中有所不同，如大肠杆菌中的Hfq蛋白由102个氨基酸组成，相对分子质量是11.2103，而金黄色葡萄球菌中的Hfq蛋白长度为77个氨基酸，Hfq与RNA的相互作用对于多种调控机制来说是至关重要的。 作为细菌RNA结合蛋白Sm家族的一员，Hfq对于许多通过与靶mRNA配对来发挥调控作用的ncRNA是必须的。Hfq是一种高度保守的六环蛋白，存在于多种细菌中，无论是序列还是结构分析都发现，它与真核生物的Sm蛋白同源。Structures of the Hfq and an HfqRNA complexFigure 13： Structures of the Hfq and an HfqRNA complex . Hfq important biological functions Hfq在维持ncRNA稳定性