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生命短暫，藝術(shù)長(zhǎng)流——水生所深入探究藍(lán)細(xì)菌RNA降解調(diào)控機(jī)制
"Life is short, art is long (生命短暫，藝術(shù)長(zhǎng)流)." RNA半衰期很短，但其行使的功能卻無(wú)比重要，人們對(duì)其探索也永無(wú)止境。這點(diǎn)正體現(xiàn)了古希臘偉大醫(yī)學(xué)家希波克拉底（Hippocrates）上述名言的精髓。
RNA不但介導(dǎo)了遺傳信息的解碼過(guò)程，還在一系列生命過(guò)程中起調(diào)控和結(jié)構(gòu)功能。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所張承才研究員團(tuán)隊(duì)與德國(guó)Wolfgang R. Hess教授團(tuán)隊(duì)合作的文章"'Life is short, and art is long': RNA degradation in cyanobacteria and model bacteria"于3月24日在國(guó)內(nèi)高起點(diǎn)新刊物、微生物學(xué)綜合性期刊mLife創(chuàng)刊號(hào)上在線發(fā)表。該文討論了藍(lán)細(xì)菌和模式菌中RNA代謝機(jī)制，揭示了不同細(xì)菌RNA代謝的共通性和多樣性。作該本領(lǐng)域的首篇綜述，文章可為后續(xù)相關(guān)研究提供重要參考。
RNA在細(xì)胞內(nèi)種類繁多，它們既是遺傳信息的載體（mRNA），也是蛋白翻譯機(jī)器的組分（rRNA、tRNA），還直接發(fā)揮基因調(diào)控的功能（asRNA、sRNA等）。與其他大分子相比，RNA代謝迅速，平均半衰期僅幾分鐘。不同細(xì)菌中的mRNA降解過(guò)程基本相同，涉及三類酶：RNA內(nèi)切酶，RNA外切酶，以及一些起輔助功能的酶（包括RNA焦磷酸水解酶、RNA解旋酶等）（圖1）。催化不同RNA降解步驟的RNA酶還能通過(guò)形成酶復(fù)合體（即RNA降解體）等形式協(xié)作，以確保RNA降解能夠高效進(jìn)行。
圖1：細(xì)菌中RNA主要降解過(guò)程。全長(zhǎng)RNA分子經(jīng)核酸內(nèi)切酶（endoribonucleases）切為較短的片段，這些短片段進(jìn)一步被核酸外切酶（exoribonucleases）降解為單核苷酸和長(zhǎng)2-5堿基的微核苷酸（nanoRNA）產(chǎn)物。微核苷酸新一步被寡核苷酸酶（oligoribonucleases）降解為單核苷酸，最終完成RNA的徹底降解。需要注意的是，許多帶有5’-三磷酸的RNA需要先被RNA焦磷酸酶（RNA pyrophosphohydrolase）轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="font-size: 10.5pt; line-height: 150%">5’-單磷酸RNA才能被RNA內(nèi)切酶有效切割。括號(hào)內(nèi)列出的是目前藍(lán)細(xì)菌和E. coli中發(fā)現(xiàn)的參與RNA降解的主要的酶，其中黑色為在藍(lán)細(xì)菌和E. coli中均存在的酶，紫色為僅存在于E. coli中的酶，而紅色為僅存在于藍(lán)細(xì)菌中的酶。
對(duì)模式菌株的研究發(fā)現(xiàn)，參與RNA降解的具體酶的種類及其形成的RNA降解體可能大相庭徑。例如，E. coli中內(nèi)切核酸酶RNase E是最重要的RNA酶，它與外切核酸酶PNPase、解旋酶RhlB等結(jié)合形成一個(gè)RNA降解體。而B. subtilis卻不含RNase E，它有一個(gè)與RNase E序列完全不同但功能類似的內(nèi)切酶——RNase Y。RNase Y也與其他組分形成一個(gè)不同的RNA降解體。
藍(lán)細(xì)菌（也稱藍(lán)藻）是一個(gè)古老的細(xì)菌類群，它們是唯一能進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的原核生物，其很多種屬還能夠生物固氮，在地球演化以及碳氮元素循環(huán)過(guò)程中一直發(fā)揮著重要功能。此外，由于能夠利用太陽(yáng)光將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，它們也是極具潛力的細(xì)胞工廠。近年來(lái)，人們對(duì)藍(lán)細(xì)菌中RNA的代謝調(diào)控機(jī)制的研究逐漸興起。
該文對(duì)藍(lán)細(xì)菌中RNA加工降解調(diào)控的主要研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧和總結(jié)，對(duì)藍(lán)細(xì)菌和模式菌株中RNA代謝酶及降解體類進(jìn)行了系統(tǒng)比較。文章揭示：1）不同細(xì)菌進(jìn)化出了不同的RNA代謝相關(guān)酶類，但各細(xì)菌中RNA降解的總體過(guò)程類似；2）藍(lán)細(xì)菌中存在的RNA酶的種類和數(shù)量與已知的模式菌株中的存在顯著差異；3）藍(lán)細(xì)菌的RNA酶與模式菌株中同源蛋白的生化性質(zhì)大多類似，但它們?cè)诩?xì)胞中的重要性不盡相同；4）藍(lán)細(xì)菌與E. coli的RNA降解體都以RNase E為核心，但組裝方式和組分明顯不同（圖2）。
圖2：藍(lán)細(xì)菌與E. coli的RNA降解體結(jié)構(gòu)示意圖。藍(lán)細(xì)菌Anabaena降解體的已知組分包括內(nèi)切酶RNase E，外切酶PNPase和RNase II，解旋酶CrhB（A）。藍(lán)細(xì)菌RNase E催化域（catalytic region）與RNase II和CrhB結(jié)合，其非催化域（noncatalytic region）末端含有4個(gè)保守區(qū)域（C1-C4）以及3個(gè)高變異區(qū)域（V1-V3），其中C4與PNPase結(jié)合。E. coli RNA降解體主要組分包括RNase E、PNPase、RhlB（解旋酶）和Eno（烯醇化酶），其中RNase E通過(guò)其非催化域中的幾個(gè)區(qū)域與其他組分結(jié)合（B）。
藍(lán)細(xì)菌RNA代謝研究領(lǐng)域目前還有許多重要的科學(xué)問(wèn)題有待回答，例如，RNA降解過(guò)程所需關(guān)鍵的酶（例如RNA焦磷酸水解酶、寡核苷酸酶）由哪些基因編碼？各種RNA酶在細(xì)胞中的生理功能是怎樣的？各種酶在RNA代謝過(guò)程中如何協(xié)作？RNA降解是細(xì)胞基因表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)控環(huán)節(jié)之一，對(duì)藍(lán)細(xì)菌RNA代謝的深入了解必將推動(dòng)相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。此外，藍(lán)細(xì)菌是主要的細(xì)菌類群之一，對(duì)藍(lán)細(xì)菌RNA代謝的深入研究也有助于揭示細(xì)菌中RNA代謝機(jī)制的普遍機(jī)制和多樣性。