《细菌DNA转录的时间控制》

  • 来源专题:土壤、生物与环境
  • 编译者: 李卫民
  • 发布时间:2017-07-19
  • One of the central tenets of biology is that information flows from DNA to RNA in order to encode proteins, which function in the cell. Arguably just as critical as the genetic code is the timing of this information flow. By producing the right RNA and right proteins at the right time, a cell can effectively strategize its survival and success. One such regulatory element, the riboswitch, has excited interest as a potential target for antibiotics. After over 10 years of research, Prof. Harald Schwalbe's research group at the Goethe University, in collaboration with the Landick group at the University of Wisconsin, Prof. Jens Wöhnert from Goethe-University's Biology Department and the Süß group at the Technische Universität Darmstadt, has put together the puzzle pieces of a riboswitch-based regulatory process in the bacterium Bacillus subtilis, presenting the most extensive model of the timing of riboswitch action to date.

    A riboswitch is a short piece of RNA that can fold into different structures, depending on whether or not a small messenger molecule is binds to it. In transcriptional riboswitches, these different structures signal the nearby RNA polymerase to continue producing RNA or to stop. In their recent publication in eLife, the Schwalbe group and their collaborators released molecular structures of the xpt-pbuX riboswitch in the off-position after synthesis and in the on-position upon binding by the small messenger molecule guanine. They also demonstrated that this switch to the on-position takes a certain amount of time. This sets a certain requirement on this regulatory process.

    As RNA polymerase flies along a DNA strand, producing the corresponding RNA, it reaches the code for the xpt-pbuX switch, makes the riboswitch, and continues on. If guanine is not around, the RNA polymerase would detect the default off-position and halt synthesis. However, if guanine were to bind the riboswitch, the riboswitch would need to refold into the on-position, and RNA polymerase would have to wait long enough to detect the new conformation. Otherwise, it would always read "off," and that gene would never be read. Schwalbe and coworkers found that just such a pause does exist, and it's encoded into the DNA. After producing the xpt-pbuX switch, the RNA polymerase encounters this "pause site" on the DNA code and slows down, allowing the right amount of time for the riboswitch to refold.

    Story Source:

    Materials provided by Goethe University Frankfurt. Note: Content may be edited for style and length.

    Journal Reference:

    Hannah Steinert, Florian Sochor, Anna Wacker, Janina Buck, Christina Helmling, Fabian Hiller, Sara Keyhani, Jonas Noeske, Steffen Grimm, Martin M Rudolph, Heiko Keller, Rachel Anne Mooney, Robert Landick, Beatrix Suess, Boris Fürtig, Jens Wöhnert, Harald Schwalbe. Pausing guides RNA folding to populate transiently stable RNA structures for riboswitch-based transcription regulation. eLife, 2017; 6 DOI: 10.7554/eLife.21297

  • 原文来源:https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170718113733.htm
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    • 编译者:hujm
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    • 通过对微生物进行改造,可以生产各种有用的化合物,包括塑料,生物燃料和药品。但是,在许多情况下,细菌需要在“自我维持”和“合成产物”的代谢途径中竞争。 为了帮助优化细胞产生所需化合物的能力并保持其自身生长,麻省理工学院的化学工程师设计了一种方法,可以诱导细菌在不同时间在不同的代谢途径之间进行切换。这些开关被“编程”到细菌基因组中,并根据种群密度的变化而触发或关闭,无需人工干预。 文章作者化学教授Kristala Prather说:“我们希望这将允许对细菌代谢进行更精确的调节,从而使我们获得更高的生产率,但同时又可以最大程度地减少干预次数。”这种转换使研究人员可以将两种不同产品的微生物产量提高十倍。 麻省理工学院的研究生克里斯蒂娜·丁(Christina Dinh)是该论文的主要作者,该论文于最近在《PNAS》杂志上发表。 为了使微生物合成通常不产生的化合物,工程师插入了与代谢途径有关的酶的基因。在某些情况下,这些反应过程中产生的中间体也是细胞中已经存在的代谢途径的一部分。当细胞将这些中间体转移到工程途径之外其它途径时,会降低最终产品的总产量。 通过使用一种称为动态代谢工程学的概念,Prather先前已经构建了可帮助细胞维持其自身代谢需求与产生所需产物途径之间的平衡的开关。她的想法是对细胞进行编程,使其在途径之间自动切换,而无需操作发生反应的发酵罐的人员进行任何干预。 麻省理工学院的研究小组改造了他们的大肠杆菌细胞,以分泌一种叫做AHL的群体感应分子。当AHL浓度达到一定水平时,细胞就会关闭一种酶,该酶会将葡糖二酸前体转移到细胞自身的代谢途径之一中。这使细胞能够正常生长和分裂,直到种群大到足以开始产生大量所需产物为止。 在新的PNAS论文中,Prather和Dinh着手将多个切换点设计到其单元中,从而赋予他们对生产过程的更大程度的控制。为此,他们使用了两种来自两种不同细菌的群体感应系统。他们将这些系统整合到大肠杆菌中,并被工程化以生产一种名为柚皮苷的化合物,这是一种天然存在于柑橘类水果中的类黄酮,对健康有多种有益作用。 使用这些群体感应系统,研究人员将两个切换点设计到了单元中。设计了一个开关来防止细菌将称为丙二酰-CoA的柚皮素前体转移到细胞自身的代谢途径中。在另一个转换点,研究人员推迟了其工程途径中酶的产生,以避免积累过多的前体进而抑制柚皮苷的合成。 研究人员创建了数百个大肠杆菌变体,以不同的种群密度执行这两个开关,从而使他们能够识别出哪个生产力最高。与没有内置这些??控制开关的菌株相比,表现最好的菌株显示柚皮素产量增加了十倍。
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