Small Structures: 核糖开关的设计和应用

核糖开关(Riboswitch)是自然界存在的一类能通过小分子特异性识别调控基因表达的调节RNA。作为一类天然的RNA传感元件,核糖开关能与一系列小分子代谢物等特异性结合,并对转录、翻译、剪切、RNA稳定性进行精准调控。其独特的生化、结构和遗传学特征,促使核糖开关在抗生素开发、基因表达调控、小分子传感器的设计与开发等方面具有广泛的应用前景。

法国斯特拉斯堡大学Michael Ryckelynck团队综述了天然核糖开关的发现、结构特点及基因表达调控机制,以及人工核糖开关的设计和应用,特别是在小分子传感方面的应用。天然核糖开关实现了无蛋白的基因表达调控,这些天然模块不仅可直接用于提高微生物合成/分泌天然化合物(如氨基酸)的速率,也可以用于生物传感器的开发。其次,核糖开关通常可控制关键的细菌代谢或适应途径,其适体结构域在结构和序列上具有中高度保守片段,因此其是理想的药物靶点,有望为细菌抗药性方面研究带来新突破。再者,核糖开关的结构及功能转换为我们提供了很多RNA识别、折叠研究的相关知识,有助于对的识别机制的理解,也为如何设计这些分子赋予它们新的特性/特异性提供重要线索。最后,核糖开关激活模式可成为许多人工激活适体的设计起点,这类激活适体在转基因表达控制、微生物优化、或针对更多配体的生物传感器的开发提供了分子基础。

但核糖开关的开发和应用依然存在一些巨大的挑战:(1)对于真核生物,目前仅在植物和真菌中发现少数响应性RNA,天然核糖开关还未在哺乳动物中被发现,因此将这种结构转换RNA应用于真核细胞仍具有挑战性;(2)目前核糖开关的配体(靶标)多为小分子或者离子,是否能开发出针对生物大分子的新型核糖开关以拓展其应用范围仍未可知;(3)目前仍然缺乏人工核糖开关筛选和设计的普适性规律,导致核糖开关靶标种类较少,筛选过程时间长、需要大量实验试错。相信随着基因编辑技术、人工智能、微流控分析、单细胞测序等技术的进一步发展及其在核糖开关领域的应用拓展,未来有望高效获得靶标种类更广、性能更加优异的新型人工核糖开关,并拓展其在生物、医学、化学等多个领域的应用。

【报道人简介】

宋彦龄,厦门大学化学化工学院副教授。她的主要研究包括分子定向进化、微纳界面组装及识别机制、液体活检、单细胞分析等。她已在J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry、Chemical Science等国际高水平学术刊物上发表论文40余篇。已获得自然科学基金委优秀青年项目、面上项目等支持;获得厦门市科学技术进步奖二等奖、上海市晨光人才计划等奖项称号。因研究需要,课题组长期招聘生物分析、合成生物学、微纳流控等反向博士后,个人简历可放送至 ylsong@xmu.edu.cn.

论文信息:

Structure-Switching RNAs: From Gene Expression Regulation to Small Molecule Detection

Claire Husser, Natacha Dentz, Michael Ryckelynck*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000132