復旦大學最新Cell：核糖開關十年

　　自核糖開關(riboswitch)最早被Winkler等人于2002年發現并命名以來，這一關鍵調控元件的研究歷程已經走過了十年，近期來自復旦大學上海醫學院，藥學系等處的研究人員發現了一種廣泛分布于具有抗生素耐藥性細菌病原體中的新型核糖開關：氨基糖苷結合核糖開關，相關成果公布在1月17日的 Cell雜志上，同期兩位科學家還以“A Decade of Riboswitches”為題，點評了這項研究成果。

　　文章的通訊作者是復旦大學長江學者特聘教授Alastair I.H. Murchie，以及陳東戎教授，這一研究組主要綜合利用生物化學，分子生物學，結構生物學和生物物理等手段深入研究RNA分子的生物學功能，RNA甲基轉移酶的生物學功能以及線粒體的轉錄和調控機理，他們的課題研究是許多人類疾病的基礎，因此與多種疾病密切相關。

　　核糖開關(riboswitch)最早是由Winkler等人于2002年在大腸桿菌中發現并命名的，這是一類非編碼RNA元件，主要在細菌 mRNA的5"非編碼區( UTR) 被發現，但在真核生物mRNA的3"UTR及初始轉錄產物的內含子區段也有發現。由于一直以來非編碼區均是分子生物學研究的熱點之一，因此作為該領域的重要組成部分，核糖開關也成為了近幾年基因表達調控研究的一個熱點。

　　近十年來，核糖開關作為維生素衍生物的RNA細胞內傳感作用因子，被發現與越來越多的小分子代謝物和離子產生了相互作用，功能涉及到了轉錄，翻譯，剪切和RNA的穩定性，在這篇文章中，復旦大學的研究人員又找到了一種與之相互作用的小分子：氨基糖苷類(aminoglycosides) ，氨基糖苷類抗生素是一類由氨基糖與氨基環醇通過氧橋連接而成的苷類抗生素，與大多數抑制微生物蛋白質合成的抗生素不同，氨基糖苷類抗生素所起的是殺菌作用，屬靜止期殺菌藥。

　　這一類氨基糖苷結合核糖開關，廣泛分布在具有抗生素耐藥性的細菌病原體中。研究人員發現這種核糖開關存在于編碼氨基糖苷類乙酰轉移酶(AAC)和氨基糖苷類腺嘌呤基轉移酶(AAD)的抗性基因前導序列RNA中，其中這兩種酶能通過藥物修飾作用，將抗性傳遞給氨基糖苷類抗生素。

　　研究人員還發現這兩種酶抗性基因的表達，受到氨基糖苷與5"前導RNA上二級結構之間相互作用的調控，他們通過報告基因表達，藥物RNA結合直接檢測，化學探針，以及UV交聯反應等突變分析，證明了這種前導RNA能能作為一種氨基糖苷傳感核糖開關，藥物能結合在前導RNA上，誘導氨基糖苷類抗生素抗性。

　　這是核糖開關研究領域的又一重要進展，對于核糖開關基因調控研究，以及抗生素抗性研究具有重要的意義。

　　破解天然核糖開關的調控機制和結構機理，將有助于發展針對某種特殊配體的核糖開關合成生物學，以及構建新型有用的細菌，未來研究將揭示出天然RNA傳感作用的全部分子機制，核糖開關也將在生物醫藥，以及生物技術應用等方面發出越來越耀眼的光芒。

　　作者簡介：

　　Alastair I H Murchie

　　博士，研究員，博士生導師，“長江學者”特聘教授/復旦大學特聘教授

　　1984 年獲得英國Manchester大學化學學士學位。1994年獲得英國Dundee大學生物化學博士學位，1998年前從事為核酸高級結構及核酸和蛋白質相結合的研究。1998年至2005年分別任英國劍橋新藥開發公司(Ribotargets)和法國巴黎巴斯德研究所屬的新藥開發公司(Ariana pharmaceuticals)首席研發，研究方向為與核酸高級結構相關的HIV, HCV 和新抗生素的研制和開發。從1984年以來一直從事核酸高級結構及核酸和蛋白質相結合的研究和與其相關的新藥的研制和開發。共發表68篇學術論文，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項ZL和17篇特邀綜述和書的章節。學術論文被引用次數總共為3926次，文章的影響因子共為434。

　　研究方向：

　　我們的研究課題將綜合利用生物化學，分子生物學，結構生物學和生物物理等手段深入研究RNA分子的生物學功能，RNA甲基轉移酶的生物學功能以及線粒體的轉錄和調控機理，我們的課題研究是許多人類疾病的基礎因此與多種疾病密切相關。我們的課題包括：

　　1. 裂殖酵母線粒體的轉錄與調控

　　線粒體是真核細胞能量代謝的中心，是真核細胞中最復雜和最重要的細胞器之一,它除了進行重要的氧化磷酸化以外，還在細胞凋亡、衰老,體內鈣平衡等細胞進程中發揮主要作用，與線粒體功能障礙有關的疾病包括癌癥、動脈粥樣硬化性心臟病，中風、糖尿病、肥胖病、衰老、特別是神經退行性疾病如帕金森病和阿爾茨海默氏病等人類重大疾病。我們實驗室首次分離和鑒定了裂殖酵母的線粒體轉錄機制的RNA聚合酶(Rpo41)和轉錄因子(Mtf1)，我們還發現了Mtf1也是一個核中的轉錄因子，我們將進一步研究Mtf1在核中和線粒體中的分子機制和生物學功能。

　　2.RNA甲基轉移酶的生物學功能

　　從原核生物到真核生物所有的RNA都是被修飾的，目前已經發現了100多種RNA的修飾方式，RNA的修飾大約占細胞總代謝量的10-20%，有關RNA修飾的研究表明某些RNA的修飾是和人類的多種疾病有關的。RNA的修飾不僅僅是維持細胞正常功能的一個重要過程，而且也是了解與其相關的各種人類疾病的理論基礎，因此研究RNA的修飾及其生物學功能是十分重要的。RNA的甲基化是最常見的一種RNA的修飾方式，它是由RNA甲基轉移酶把甲基供體SAM(S- adenosyl-methionine)上的甲基轉移到靶點RNA上來實現的。我們已經分離和純化了多個有活性的RNA甲基轉移酶并且建立了體外驗證 RNA甲基轉移酶活性和底物RNA的實驗方法。我們將繼續深入地研究RNA甲基轉移酶和底物RNA的識別機制和作用機理以及其重要的生物學功能。

　　3.RNA分子對基因表達的調控機理

　　某些特異的RNA分子是在非編碼區中的可形成特殊高級結構的mRNA，小分子代謝物可與這類mRNA結合，改變mRNA高級結構，從而調節基因的表達，這些 RNA最初是在細菌中發現的。這些RNA對基因表達的調控可以是在翻譯或轉錄水平上的。它們的復雜的mRNA高級結構總是在精細而又準確的檢測著細胞中化學環境并且與小分子代謝物結合，通過mRNA高級結構的改變來調控基因表達，從而維持細菌的生長和代謝。目前，在細菌中已經發現了十幾種這樣的特異的 RNA分子，而且在真菌和植物也有了相關的報道。由于這些RNA是通過調控基因表達來維持細菌的生長和代謝，因此，它們也是潛在的抗生素的新靶點。我們實驗室已經確認了更多這種有著特異的生物功能的RNA分子，我們將進一步研究這些RNA對基因表達的調控機理，為尋找新型抗生素提供新的思路和技術手段。