分子生物学 第 6 章 第 4 节：转录后调控
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6.4.1 mRNA 自身结构元件对翻译的调节
① 起始密码子
- 原核生物的翻译要靠核糖体 30S 亚基识别 mRNA 上的起始密码子AUG，以此决定它的开放读码框ORF
- 不常见的起始密码子：
- GUG
- UUG
- AUU
- 不常见的起始密码子与起始 tRNA 的配对能力比 AUG 弱，从而导致翻译效率的降低
② 5' 非翻译区 5' UTR
- 核糖体结合位点 ribosome binding site，RBS：与核糖体 16S rRNA 的 3' 端互补配对，促使核糖体结合到 mRNA 上的一段核酸序列
- RBS 一般是起始密码子 AUG 上游的包括 SD 序列在内的一段非翻译区
- mRNA 的二级结构也是翻译起始调控的重要因素，SD 序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚至上千倍的差异
③ 核糖开关
- 核糖开关 riboswitch：一段具有复杂结构的 RNA 序列，在原核生物中通常位于 mRNA 的 5' UTR 区域，能感受细胞内代谢物浓度、离子浓度、温度等的变化而改变自身的二级结构和调控功能，从而改变基因的表达状态
核糖开关调控基因表达的机制：
- 影响转录的起始、延伸和终止
- 控制核糖体与 mRNA 的结合
- 调节 mRNA 的稳定性
- 控制 mRNA 的剪接（真核生物中特有）
6.4.2 mRNA 稳定对转录水平的影响
- 一个典型的细菌 mRNA 半衰期为 2-3 min
CsrAB 调节系统
- 在静止期细菌细胞内，糖以糖原的形式被储存起来
- 在细胞快速生长周期，通过糖酵解突进消耗糖
6.4.3 调节蛋白的调控作用
- 细菌中有些 mRNA 结合蛋白可激活靶基因的翻译
- 大肠杆菌 BipA 蛋白就具有依赖核糖体 GTP 酶活性，能激活 fis 蛋白 mRNA 的翻译
- mRNA 特异性抑制蛋白通过与核糖体竞争性结合 mRNA 分子来抑制翻译起始
rRNA 和核糖体蛋白的平衡
- rRNA 充足时：核糖体蛋白与 rRNA 结合
- rRNA 不足时：核糖体蛋白与自身 mRNA 结合，使后者 RBS（核糖体结合位点）封闭，翻译停止
6.4.4 miRNA 的调节作用
- miRNA 能结合 mRNA 或蛋白质，通过改变靶 mRNA 的稳定性，影响蛋白质-RNA 的结合或 mRNA 的翻译来调节基因表达
- 非编码小 RNA （small non-coding RNA）：原核细胞中的非编码 RNA
6.4.5 稀有密码子对翻译的影响
- 大肠杆菌 DNA 复制后随链冈崎片段之前的 RNA 引物是由 dnaG 基因编码的引物酶催化的。
- 引物酶过多对细胞是有害的
- dnaG 序列中含有不少稀有密码子。由于细胞内对应于稀有密码子的 tRNA 较少，高频率使用稀有密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。通过这一机制控制了引物酶的合成量，不至于对细胞造成危害
6.4.6 重叠基因对翻译的影响
[!NOTE] 重叠基因的偶联翻译保证了两个基因的等量翻译
trp 操纵子中的重叠基因
- trp 操纵子中 trpE 基因的终止密码子和 trpD 基因的起始密码子共用一个核苷酸
- 这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制
大肠杆菌 gal 操纵子中的重叠基因
- galT 的终止密码子与 galK 的起始密码子相隔 3 nt
- 核糖体结合在 mRNA 上可以覆盖 20 nt，包括 SD 序列和 galK 的起始密码子，所以当 galT 翻译终止时，核糖体还没有脱落就直接与 SD 序列结合，开始 galK 的翻译，从而保证两个基因的等量翻译
6.4.7 翻译的阻遏
- Qβ 噬菌体基因组（方向： 5' → 3'）
| 5' | 3' | |
|---|---|---|
| 成熟蛋白基因 A | 外壳蛋白基因 | RNA 复制酶基因 |
| ← | ← | ← 核糖体从此处向左边翻译 |
- 翻译出来的 RNA 复制酶可以与外壳蛋白基因翻译起始区结合 → 核糖体脱落，翻译中止 → 为 RNA 复制腾出模板