发布时间:2022-04-19 10:38 原文链接: 基因翻译的调控办法

任何体内的生物反应都必须在调控的作用下,才有意义。翻译的调控是十分精密复杂的。在原核生物里翻译调控的基本单位不是单个的mRNA而是mRNA中的单个阅读框。以ATP合成酶为例,在原核生物里,该酶包含A、B、C、D、E、F、G、H等多个亚基,其基因拷贝均为一份,在转录时转录到同一个mRNA上。而实际每个酶中各个亚基的比例并非均等,如E亚基的需求量是C亚基的10倍。这就必须要求在翻译层面进行调控。

相比于转录调控,翻译调控更迅速、更高效,且可以通过对翻译的调控进一步控制不同蛋白的空间特异性。同时翻译调控也可以回复错误转录造成的危害。

无论针对翻译、转录还是复制,研究调控首先要研究一个生理过程的限速步骤。限速步骤的调控才具有重要的生物学意义。在这里要引入一个新的单位:核糖体密度(RD)。其计算公式如下   :

 

 

 

其中

 表示核糖体数量, 表示ORF的单位长度。单位是

 。一般情况下,RD的最大值在1/35左右,而平均RD值在1/154。特别注意的是,只有72个基因表达的转录本的RD大于1/50。由于RD本质上反映的是转录延伸的速率,其数值之间相差不大表明转录延伸并非主要的限速(调控)步骤。由此,翻译的限速步骤应当是翻译的起始,而调控也都集中在起始步骤。

 

 

(一)原核细胞

在整体上,原核细胞可通过改变核糖体结合位点(RBS)序列或者在RBS邻域制造二级结构来阻止小亚基和mRNA的结合进而阻止翻译的起始。一方面由于RBS序列固定,改变其序列将会造成所有mRNA停止翻译。另一方面由于改变序列并非快速准确的调控方法,针对单个转录本,原核细胞倾向于采取以下几种方式进行调控:

(1)蛋白依赖的——通过蛋白质特异性结合到RBS和起始密码子AUG之间的序列以通过物理方式阻止小亚基和mRNA结合,但该特异性序列不能包括RBS(否则将可能会导致所有转录本停止翻译)。

(2)mRNA依赖的——通过ORF和下游序列的杂交来阻止该ORF的起始。但如果该ORF上游有其他开放起始位点,则该ORF可以被上游翻译启动(核糖体翻译到下游时,将其解旋),这样的好处是当且仅当第一个ORF翻译时,第二个ORF才可以翻译。

(3)其他——在特殊情况下,原核细胞也可以通过特殊的负反馈途径和一些特殊的小RNA(sRNA)进行调控。 

以核糖体蛋白的翻译调控为例,我们来讨论一个典型的mRNA、蛋白依赖混合的负反馈调控模式。当周围存在自由rRNA时,新生核糖体蛋白结合rRNA的相应位点来促使其折叠形成适当结构,此时核糖体蛋白正常翻译。而当周围存在多余的核糖体蛋白时,该蛋白会结合到核糖体蛋白转录本的ORF和RBS之间,以促进钙ORF和下游序列的杂交,抑制翻译起始。

而其他的调控方法内,最为典型的是核糖开关。核糖开关是一类小mRNA,其能翻译出一些蛋白质,后者催化产生一些类别的SAM(小活性分子)。当SAM存在时,可促使mRNA发生构象变化,在ORF和RBS等关键位点处形成二级结构,阻遏翻译起始。当SAM不存在时,阻遏不能形成,翻译得以继续。

一些小RNA(sRNA)也可以起到翻译调控的作用。原核生物的小RNA大小基本在80-110核苷酸。它可以通过自身和RBS互补的序列来解除RBS参与的自体杂交,进而回复翻译。它也可以直接和开放的RBS杂交阻遏翻译,具有典型的两重性。 

 

(二)真核细胞

值得注意的是,虽然在原核生物细胞内,翻译的起始过程依然有IF1、IF2、IF3三类因子的参与(真正耗能的步骤是IF2介导的起始tRNA入位和大亚基招募),但原核细胞几乎没有以这些蛋白因子为靶点进行的调控模式。在真核细胞内,由于大量翻译起始因子的参与,大量对于翻译的调控也是以这些蛋白因子为靶点进行的。

和原核细胞类似,真核细胞的翻译调控也可分为基因特异性调控和全局调控。其靶点主要有三个:起始tRNA的入位、mRNA-eIF4复合物的形成、mRNA的扫描。

最常见的全局调控之一是激酶(如GCN2)磷酸化eIF2,使原本使eIF2·GDP转为eIF2·GTP的eIF2B失去鸟苷酸交换因子活性,反应不能发生,eIF2·GTP减少,tRNA入位减少,细胞内全局翻译速率降低。

另一种常见的全局调控是利用4EBP(eIF4E结合蛋白)与eIF4G竞争,识别并结合eIF4E。而激酶可以磷酸化4EBP以使其不具有结合4E的活性。这一通路常被视作一些营养通路(如mTOR)的效应下游。

基因特异性调控主要依赖于mRNA的特有序列。常见的例子是Bruno蛋白可以特异性结合一些mRNA下游元件,而与此同时Cup蛋白与eIF4E结合。由于Bruno可以和Cup互作,进而形成mRNA闭合环路,阻止翻译的进一步发生。

另一个特异性调控的例子是铁蛋白的翻译调控。由于铁蛋白主要参与二价铁离子的代谢,在二价铁离子存在时需要被高度表达以应激,防止其进一步破坏细胞。铁蛋白mRNA是一类带有IRE序列的mRNA。当铁离子不存在时,IRP(IRE结合蛋白)可结合IRE序列,阻碍4A因子对mRNA的AUG的扫描。而当铁离子存在时,IRP被释放,扫描得以回复。