Mol Cell | 长程mRNA折叠塑造细菌基因的表达与序列

撰文|啾啾椰

RNA的二级结构是调控细菌基因表达的重要因素，它可以影响转录、mRNA 降解和翻译。过去研究比较清楚的是局部 RNA 结构，例如位于 5′ UTR 或翻译起始位点附近的 stem-loop、riboswitch 和 RNA thermometer 等，这些结构可以改变核糖体结合位点RBS的可及性，从而控制翻译起始【1,2】。

细菌经典的 RBS 中包含 Shine-Dalgarno（SD）序列，它与 16S rRNA 上的 anti-SD 序列配对，从而招募 30S 核糖体亚基【3】。RBS 是否暴露还有第二层影响：核糖体占据 mRNA 5′ 端可以保护 mRNA，减少 RppH、RNase Y/E/J 等降解机制的作用【4】。 因而，任何能够遮挡 SD 的 RNA 结构，都可能同时影响翻译和 RNA 稳定性。

然而，以往研究主要关注距离 RBS 很近的序列。那么 距离RBS数百个核苷酸的序列能否通过长程RNA折叠调控基因表达 ？

近日，来自MIT的Gene-Wei Li团队在Mol Cell上发表了题为Long-range mRNA folding shapes expression andsequence of bacterial genes的文章， 系统探讨了细菌mRNA长程折叠的功能。

作者在枯草芽孢杆菌中建立大规模报告系统，将全部65,536种8-mer插入mRNA不同位置。结果发现，即使位于CDS内部、距离起始位点数百个核苷酸，与RBS互补的anti-RBS序列仍然是降低mRNA水平最强的一类序列。

图1：大规模报告系统（MPRA）的设计

进一步实验表明，这些远端anti-RBS序列可以与Shine-Dalgarno（SD）序列形成长程碱基配对，降低RBS可及性和30S核糖体结合。代表性aSD序列插入CDS后，mRNA半衰期由约11.2 min缩短至1.7 min。DMS-MaPseq也显示SD区域的可及性下降，也就是说远端序列与RBS发生长程RNA折叠。由此，核糖体对mRNA 5′端的保护作用减弱，mRNA降解增加。与此同时，RBS被遮挡还会直接抑制翻译；即使anti-RBS位于起始密码子下游500 nt以上，仍能明显降低蛋白表达。

作者随后从进化角度检验这一机制。在枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的天然CDS中，aSD-like序列均显著缺失，而且这种缺失在距离起始位点数百个核苷酸范围内持续存在。即使控制核苷酸组成、密码子组成和蛋白序列，这一趋势仍然成立。相反，在缺乏经典SD序列的leaderless mRNA中，aSD-like序列并未明显减少，说明长期选择可能促使细菌避免产生会与自身RBS配对的编码序列。

此外，anti-RBS的作用还受到局部RNA结构影响。当这些序列被周围hairpin等局部结构包埋时，其与RBS发生长程配对的能力明显下降。

综上，这项工作说明，细菌CDS除了编码蛋白质，也参与决定整条mRNA的折叠状态。远端序列可以通过长程RNA配对调控RBS可及性，进而同时影响mRNA稳定性和翻译效率，并在长期进化中对编码序列产生选择压力。

图2： 远端互补序列与RBS形成长程mRNA折叠，阻碍30S核糖体结合，从而促进mRNA降解、降低翻译效率，并在进化中导致这类互补序列在编码区中减少。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.08.014

制版人： 十一

参考文献

1. Steitz, J.A., and Jakes, K. (1975). How ribosomes select initiator regions in mRNA: base pair formation between the 3′terminus of 16S rRNA and the mRNA during initiation of protein synthesis in Escherichia coli.Proc. Natl. Acad. Sci. USA72, 4734–4738. https://doi.org/10.1073/ pnas.72.12.4734.

2. Sharp, P.A. (2009). The centrality of RNA.Cell136, 577–580. https://doi. org/10.1016/j.cell.2009.02.007.

3. Shine, J., and Dalgarno, L. (1974). The 3′-Terminal Sequence of Escherichia coli 16S Ribosomal RNA: Complementarity to Nonsense Triplets and Ribosome Binding Sites.Proc. Natl. Acad. Sci. USA71, 1342–1346. https://doi.org/10.1073/pnas.71.4.1342 .

4. Agaisse, H., and Lereclus, D. (1996). STAB-SD: a Shine–Dalgarno sequence in the 5′untranslated region is a determinant of mRNA stability.Mol. Microbiol.20, 633–643. https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.1996. 5401046.x.

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