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  • 發布時間:2022-04-19 10:38 原文鏈接: 基因翻譯的調控辦法

    任何體內的生物反應都必須在調控的作用下,才有意義。翻譯的調控是十分精密復雜的。在原核生物里翻譯調控的基本單位不是單個的mRNA而是mRNA中的單個閱讀框。以ATP合成酶為例,在原核生物里,該酶包含A、B、C、D、E、F、G、H等多個亞基,其基因拷貝均為一份,在轉錄時轉錄到同一個mRNA上。而實際每個酶中各個亞基的比例并非均等,如E亞基的需求量是C亞基的10倍。這就必須要求在翻譯層面進行調控。

    相比于轉錄調控,翻譯調控更迅速、更高效,且可以通過對翻譯的調控進一步控制不同蛋白的空間特異性。同時翻譯調控也可以回復錯誤轉錄造成的危害。

    無論針對翻譯、轉錄還是復制,研究調控首先要研究一個生理過程的限速步驟。限速步驟的調控才具有重要的生物學意義。在這里要引入一個新的單位:核糖體密度(RD)。其計算公式如下   :

     

     

     

    其中

     表示核糖體數量, 表示ORF的單位長度。單位是

     。一般情況下,RD的最大值在1/35左右,而平均RD值在1/154。特別注意的是,只有72個基因表達的轉錄本的RD大于1/50。由于RD本質上反映的是轉錄延伸的速率,其數值之間相差不大表明轉錄延伸并非主要的限速(調控)步驟。由此,翻譯的限速步驟應當是翻譯的起始,而調控也都集中在起始步驟。

     

     

    (一)原核細胞

    在整體上,原核細胞可通過改變核糖體結合位點(RBS)序列或者在RBS鄰域制造二級結構來阻止小亞基和mRNA的結合進而阻止翻譯的起始。一方面由于RBS序列固定,改變其序列將會造成所有mRNA停止翻譯。另一方面由于改變序列并非快速準確的調控方法,針對單個轉錄本,原核細胞傾向于采取以下幾種方式進行調控:

    (1)蛋白依賴的——通過蛋白質特異性結合到RBS和起始密碼子AUG之間的序列以通過物理方式阻止小亞基和mRNA結合,但該特異性序列不能包括RBS(否則將可能會導致所有轉錄本停止翻譯)。

    (2)mRNA依賴的——通過ORF和下游序列的雜交來阻止該ORF的起始。但如果該ORF上游有其他開放起始位點,則該ORF可以被上游翻譯啟動(核糖體翻譯到下游時,將其解旋),這樣的好處是當且僅當第一個ORF翻譯時,第二個ORF才可以翻譯。

    (3)其他——在特殊情況下,原核細胞也可以通過特殊的負反饋途徑和一些特殊的小RNA(sRNA)進行調控。 

    以核糖體蛋白的翻譯調控為例,我們來討論一個典型的mRNA、蛋白依賴混合的負反饋調控模式。當周圍存在自由rRNA時,新生核糖體蛋白結合rRNA的相應位點來促使其折疊形成適當結構,此時核糖體蛋白正常翻譯。而當周圍存在多余的核糖體蛋白時,該蛋白會結合到核糖體蛋白轉錄本的ORF和RBS之間,以促進鈣ORF和下游序列的雜交,抑制翻譯起始。

    而其他的調控方法內,最為典型的是核糖開關。核糖開關是一類小mRNA,其能翻譯出一些蛋白質,后者催化產生一些類別的SAM(小活性分子)。當SAM存在時,可促使mRNA發生構象變化,在ORF和RBS等關鍵位點處形成二級結構,阻遏翻譯起始。當SAM不存在時,阻遏不能形成,翻譯得以繼續。

    一些小RNA(sRNA)也可以起到翻譯調控的作用。原核生物的小RNA大小基本在80-110核苷酸。它可以通過自身和RBS互補的序列來解除RBS參與的自體雜交,進而回復翻譯。它也可以直接和開放的RBS雜交阻遏翻譯,具有典型的兩重性。 

     

    (二)真核細胞

    值得注意的是,雖然在原核生物細胞內,翻譯的起始過程依然有IF1、IF2、IF3三類因子的參與(真正耗能的步驟是IF2介導的起始tRNA入位和大亞基招募),但原核細胞幾乎沒有以這些蛋白因子為靶點進行的調控模式。在真核細胞內,由于大量翻譯起始因子的參與,大量對于翻譯的調控也是以這些蛋白因子為靶點進行的。

    和原核細胞類似,真核細胞的翻譯調控也可分為基因特異性調控和全局調控。其靶點主要有三個:起始tRNA的入位、mRNA-eIF4復合物的形成、mRNA的掃描。

    最常見的全局調控之一是激酶(如GCN2)磷酸化eIF2,使原本使eIF2·GDP轉為eIF2·GTP的eIF2B失去鳥苷酸交換因子活性,反應不能發生,eIF2·GTP減少,tRNA入位減少,細胞內全局翻譯速率降低。

    另一種常見的全局調控是利用4EBP(eIF4E結合蛋白)與eIF4G競爭,識別并結合eIF4E。而激酶可以磷酸化4EBP以使其不具有結合4E的活性。這一通路常被視作一些營養通路(如mTOR)的效應下游。

    基因特異性調控主要依賴于mRNA的特有序列。常見的例子是Bruno蛋白可以特異性結合一些mRNA下游元件,而與此同時Cup蛋白與eIF4E結合。由于Bruno可以和Cup互作,進而形成mRNA閉合環路,阻止翻譯的進一步發生。

    另一個特異性調控的例子是鐵蛋白的翻譯調控。由于鐵蛋白主要參與二價鐵離子的代謝,在二價鐵離子存在時需要被高度表達以應激,防止其進一步破壞細胞。鐵蛋白mRNA是一類帶有IRE序列的mRNA。當鐵離子不存在時,IRP(IRE結合蛋白)可結合IRE序列,阻礙4A因子對mRNA的AUG的掃描。而當鐵離子存在時,IRP被釋放,掃描得以回復。

     

     

     

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