文献越读_细菌中5‘UTR上RG4促进翻译效率

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题目：2023_5’UTR G-quadruplex structure enhances translation in size dependent manner
这篇文章的核心内容是关于5’非翻译区（5’UTR）中的G-四链体（G4）结构如何影响细菌翻译效率的研究。以下是文章的主要发现和结论：

1. 研究背景：细菌的基因表达调控在转录和翻译层面都非常迅速，以适应环境变化。5’UTR在调控翻译启动中起着关键作用，通过呈现非典型结构或招募蛋白质和酶来影响翻译。

2. G4结构对翻译的影响：研究者使用T7基础的体外翻译系统和大肠杆菌（E. coli）来探索mRNA 5’UTR中G4结构（RG4）的形成如何影响翻译。结果表明，RG4显著提高了翻译效率，且这种效应与RG4的大小有关。

3. 翻译效率的尺寸依赖性：研究发现，RG4结构的大小（即环的长度）与翻译效率成正比。在RG4上游插入发夹结构（hairpin）可以进一步增强翻译效率，最高可达12倍提升。

4. 机制探索：研究者提出了一个物理屏障模型，即5’UTR中的大块结构可以防止核糖体脱离，从而增加翻译产出。这一发现为理解细菌翻译中的5’UTR结构的调控作用提供了生物物理洞见。

5. 实验方法：文章详细描述了实验设计，包括DNA和RNA的制备、体外翻译和转录实验、以及使用实时荧光检测技术来量化翻译效率。

6. 结果：实验结果显示，RG4结构的形成与翻译效率的提高密切相关，且RG4的大小对翻译效率有显著影响。此外，RG4并不通过增加核糖体亲和力、提高核糖体结合位点的可及性或增加mRNA稳定性来促进翻译。

7. 结论：研究表明，5’UTR中的RG4结构通过作为物理屏障，可能防止核糖体从mRNA上脱落，从而促进翻译。这一机制在体外和大肠杆菌细胞中均得到了验证。 这篇文章的研究为调控基因表达提供了新的机制和功能，特别是在细菌翻译中5’UTR mRNA的作用，并为可调基因表达系统提供了新的克隆方案。

细菌翻译效率受多种因素影响，除了G-四链体（G4）结构外，还包括以下几类重要的结构和因素：

1. 核糖体结合位点（RBS）：RBS是mRNA上的一段序列，对于细菌翻译启动至关重要。它通常包含一个富含腺苷（A）的区域，与16S rRNA相互作用，帮助小核糖体亚基正确定位到mRNA上的起始密码子。

2. Shine-Dalgarno（SD）序列：这是细菌mRNA中的一个保守序列，通常位于起始密码子上游的几个核苷酸处。SD序列与16S rRNA的互补配对对于翻译的启动至关重要。

3. 上游开放阅读框（uORFs）：这些是位于起始密码子上游的短序列，可以形成发夹结构或其他二级结构，影响核糖体的结合和翻译效率。

4. 发夹结构和二级结构：mRNA的二级结构，如发夹和伪结，可以通过稳定或不稳定的相互作用影响翻译效率。这些结构可能阻碍或促进核糖体的结合和沿mRNA的移动。

5. RNA结合蛋白和小RNA：特定的RNA结合蛋白和sRNA可以通过与mRNA的特定序列或结构相互作用，调节翻译效率。

6. mRNA的稳定性：mRNA分子的稳定性也会影响翻译效率，因为mRNA的降解速率会影响其在细胞中可用的时间长度。

7. 翻译后修饰：mRNA的化学修饰，如m6A甲基化，可以影响其结构和翻译效率。

8. 营养和环境因素：细菌细胞的营养状态和环境条件，如温度、pH值和离子浓度，都可以影响翻译效率。

9. 转录-翻译耦合（CTT）：在某些情况下，翻译可能在mRNA合成完成之前就开始了，这种转录-翻译耦合可以影响翻译效率。

10. 启动子强度和转录效率：启动子的强度和转录效率也会影响mRNA的初始产量，进而影响翻译效率。

这些因素共同作用，确保细菌能够有效地调节蛋白质的合成，以适应不断变化的环境和生理需求。

在细菌翻译过程中，Shine-Dalgarno (SD) 序列和核糖体结合位点 (RBS) 起着至关重要的作用。以下是它们的作用机制：

1. SD序列：

• SD序列是细菌mRNA中的一段保守序列，通常位于起始密码子（AUG）上游的几个核苷酸处。

• 这个序列在大肠杆菌等细菌中通常是一串腺苷酸（如AGGAG），但在其他细菌中可能有所不同。

• SD序列与16S rRNA的一个特定区域互补配对，这种相互作用是翻译启动过程中小核糖体亚基正确定位到mRNA上的关键步骤。

• 通过这种互补配对，16S rRNA的3’端能够与mRNA的5’端结合，确保起始密码子位于核糖体的解码中心，从而开始蛋白质的合成。

2. RBS（核糖体结合位点）：

• RBS是mRNA上的一段序列，它包含了SD序列以及其上游和下游的短序列。

• RBS的主要功能是作为小核糖体亚基结合到mRNA上的信号，它指导核糖体正确识别mRNA上的起始密码子。

• RBS的序列和结构特征影响其与16S rRNA的亲和力，进而影响翻译的效率。

• 在某些情况下，RBS的二级结构（如发夹结构）可能会影响其可及性，从而调节翻译的启动。

SD序列和RBS的相互作用确保了翻译过程的精确性和效率。SD序列的互补配对为核糖体提供了一个识别和结合mRNA的机制，而RBS则提供了核糖体结合的位点。这种机制使得细菌能够快速且准确地启动蛋白质的合成，对于细菌的生存和适应环境变化至关重要。

在真核生物的翻译过程中，存在与细菌SD序列和RBS相似的结构和作用机制，但也有一些关键的区别。以下是真核生物翻译启动的主要特点：

1. 5’帽结构（5’ cap）：

• 真核生物的mRNA分子通常在5’端有一个特殊的帽结构（例如7-methylguanosine），这个结构对于mRNA的稳定性、核糖体识别和翻译启动都至关重要。

• 帽结构与一组蛋白质复合体（称为帽结合复合体，CBC）结合，这有助于将mRNA正确地定位到核糖体上。

2. Kozak序列：

• 在真核生物mRNA中，Kozak序列是与SD序列类似的序列，通常是一个富含嘌呤的短序列，位于起始密码子（AUG）的周围。

• Kozak序列有助于真核生物核糖体识别mRNA上的起始密码子，尤其是在帽依赖的翻译启动过程中。

3. 核糖体亚基的结合：

• 真核生物的小核糖体亚基与mRNA的5’帽结构和Kozak序列相互作用，而不是像细菌那样依赖于SD序列与16S rRNA的互补配对。

• 真核生物的翻译启动通常涉及多个翻译起始因子（eIFs），它们协同作用以确保正确的翻译启动。

4. 剪接和多聚腺苷酸化：

• 真核生物的前体mRNA（pre-mRNA）在成熟过程中会经历剪接和多聚腺苷酸化（polyadenylation），这些过程对于mRNA的翻译效率和调控至关重要。

5. 翻译调控：

• 真核生物的翻译调控更为复杂，涉及多种转录后修饰、RNA结合蛋白、微小RNA（miRNAs）和其他非编码RNA，这些因素共同影响mRNA的稳定性、局部化和翻译效率。

总的来说，尽管真核生物和原核生物在翻译启动机制上存在相似之处，但真核生物的翻译调控更为复杂，涉及更多的分子和调控步骤。

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