有些細(xì)菌的細(xì)胞能游動(dòng)，搖身一變?yōu)樾碌男问?，甚至能變成危險(xiǎn)的病毒———而所有這一切行動(dòng)都無(wú)需DNA的介入,。美國(guó)耶魯大學(xué)研究人員在7月18日的《科學(xué)》雜志上描述了細(xì)菌是如何完成這些令人驚異的壯舉的，并使人們終能一瞥地球上最早的生命看上去到底像什么,。
報(bào)告的第一作者,、耶魯大學(xué)細(xì)胞與生物學(xué)教授羅納德·布雷克稱，為形成許多重要功能,，細(xì)菌有時(shí)完全取決于RNA的古代形式,，而RNA曾被簡(jiǎn)單地視為DNA指令和蛋白質(zhì)創(chuàng)建間的化學(xué)中介。
今天,，蛋白質(zhì)幾乎執(zhí)行了所有的生命細(xì)胞功能,，但許多像布雷克這樣的科學(xué)家相信，情況并非總是這樣,，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多例子,，其中RNA在調(diào)控細(xì)胞活性方面發(fā)揮了令人驚訝的巨大作用。此次《科學(xué)》雜志發(fā)表的研究表明,，在細(xì)菌中,，至少蛋白質(zhì)對(duì)于推動(dòng)一系列基本的細(xì)胞改變并非總是必要的，布雷克相信這個(gè)過(guò)程在40億年前的地球上,，也就是在DNA出現(xiàn)前就已很普遍,。
那么，RNA是如何觸發(fā)古細(xì)胞內(nèi)的變化,，而無(wú)需任何存于現(xiàn)代細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)的呢,？通過(guò)描述一種稱為周期di—GMP的微小球形RNA分子如何能夠開(kāi)啟和關(guān)閉基因,，布雷克的實(shí)驗(yàn)室揭開(kāi)了這個(gè)數(shù)十年之久的謎團(tuán)。這一過(guò)程決定了細(xì)菌是游動(dòng)還是穩(wěn)定地停留,，以及是保持孤立還是加入其他細(xì)菌形成有機(jī)團(tuán)———生物膜,。舉例來(lái)說(shuō)，在能導(dǎo)致霍亂的霍亂弧菌中,，周期di—GMP可關(guān)閉一種蛋白質(zhì)的生產(chǎn),，而細(xì)菌需要這種蛋白質(zhì)才能附著在人類腸子上。
這個(gè)只是由兩個(gè)核苷酸組成的小RNA分子可激活一個(gè)更大的RNA結(jié)構(gòu)———核糖開(kāi)關(guān),。布雷克的實(shí)驗(yàn)室于6年前在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了核糖開(kāi)關(guān),，研究表明它們能調(diào)控驚人數(shù)量的生物活性。位于單股信使RNA內(nèi)的核糖開(kāi)關(guān),，能獨(dú)立地決定激活細(xì)胞內(nèi)的某個(gè)基因，這種能力曾被認(rèn)為是蛋白質(zhì)的專利,。
布雷克在他自己的實(shí)驗(yàn)室里利用化學(xué)方法創(chuàng)建了核糖開(kāi)關(guān),，該核糖開(kāi)關(guān)能有效地調(diào)控基因表達(dá)，這也預(yù)示著這種RNA結(jié)構(gòu)也能在自然中找到,。從2002年以來(lái),，包括此次論文中描述的一類在內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)了大約20類的核糖開(kāi)關(guān),，大多數(shù)都隱藏在DNA的非基因編碼區(qū),。
無(wú)需蛋白質(zhì)的參與，細(xì)菌利用RNA就能發(fā)生重要變化,，解決了關(guān)于生命起源的一個(gè)重大問(wèn)題：如果蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命功能所必需的,，而DNA又是生成蛋白質(zhì)所必需的，那么DNA是如何出現(xiàn)的呢,？
這個(gè)答案就是布雷克和其他研究人員所稱的“RNA世界”,。他們認(rèn)為，數(shù)十億年前,，組成RNA的單股核苷酸就是生命的第一種形式,，他們執(zhí)行了現(xiàn)在由蛋白質(zhì)所完成的某些復(fù)雜的細(xì)胞功能。核糖開(kāi)關(guān)在細(xì)菌中被高度保留下來(lái),，說(shuō)明了其重要性和古老性,。
布雷克指出，了解這些RNA的工作機(jī)制可導(dǎo)致更好的醫(yī)學(xué)治療方法的出現(xiàn),。譬如,，一個(gè)周期di—GMP的模擬分子就可用來(lái)終止或緩解像霍亂這樣的細(xì)菌感染。（生物谷Bioon.com）
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Science 18 July 2008: Vol. 321. no. 5887, pp. 411 - 413 DOI: 10.1126/science.1159519
Riboswitches in Eubacteria Sense the Second Messenger Cyclic Di-GMP
N. Sudarsan,1 E. R. Lee,2 Z. Weinberg,2 R. H. Moy,3 J. N. Kim,2 K. H. Link,1 R. R. Breaker1,2,3*
Cyclic di-guanosine monophosphate (di-GMP) is a circular RNA dinucleotide that functions as a second messenger in diverse species of bacteria to trigger wide-ranging physiological changes, including cell differentiation, conversion between motile and biofilm lifestyles, and virulence gene expression. However, the mechanisms by which cyclic di-GMP regulates gene expression have remained a mystery. We found that cyclic di-GMP in many bacterial species is sensed by a riboswitch class in messenger RNA that controls the expression of genes involved in numerous fundamental cellular processes. A variety of cyclic di-GMP regulons are revealed, including some riboswitches associated with virulence gene expression, pilus formation, and flagellum biosynthesis. In addition, sequences matching the consensus for cyclic di-GMP riboswitches are present in the genome of a bacteriophage.
1 Howard Hughes Medical Institute, Yale University, New Haven, CT 06520, USA.
2 Department of Molecular, Cellular and Developmental Biology, Yale University, New Haven, CT 06520, USA.
3 Department of Molecular Biophysics and Biochemistry, Yale University, New Haven, CT 06520, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
