RNA溫度計

**RNA 溫度計**（RNA thermometer），亦稱 **RNA 溫度傳感器**（RNA thermosensor）是一類對溫度敏感的非編碼 RNA，能隨溫度變化調控基因表現。RNA 溫度計主要調控與熱休克和冷休克反應有關的基因，但與致病性、飢餓狀態等過程相關的基因調控也有關係。

RNA 溫度計一般通過二級結構的改變對溫度變化做出反應。結構的改變會使 RNA 上核糖體結合位點等重要區域暴露或遮蔽，進而改變對應編碼基因的轉譯速率。

RNA 溫度計與核糖開關一樣，都是支持 RNA 世界假說的有力證據。RNA 世界假說認爲 RNA 為早期生命的唯一組成成分，但隨生物進化，RNA 攜帶遺傳資訊的功能由 DNA 取代，RNA 的生物催化活性由蛋白質取代，形成了今日的 DNA-RNA - 蛋白質系統。

RNA 溫度計的實例有 FourU 溫度計、Hsp90 順式作用元件、ROSE 元件以及 Hsp17 溫度計。

## 發現

溫度敏感的 RNA 元件於 1989 年首次發現。不過，早在 1986 年，研究人員就發現 λ 噬菌體 cIIImRNA 轉錄開始位點上游的突變會影響 cIII 蛋白質的轉譯速率。cIII 蛋白質與 λ 噬菌體對溶原性循環和裂解循環的選擇有關，高濃度的 cIII 蛋白能促進溶原化。進一步的研究表明 cIII mRNA 上游區域一定存在兩種二級結構之一。實驗表明，這兩種結構可以完全互換，其活性都依賴鎂離子濃度和溫度。現在已知該結構就是 RNA 溫度計。該結構的作用即促進噬菌體在高溫壓力下轉入裂解循環，以保證噬菌體能快速複製，脫離原宿主細胞。

RNA 溫度計這一名詞是在 1999 年提出的，最初， 該名詞用於描述大腸桿菌中發現的 RNA 元件 _rpoH_。2007 年，研究人員通過生物資訊學手段發現了一些可能爲新的 RNA 溫度計的序列。使用傳統的序列 - 鹼基搜尋方法找尋 RNA 溫度計效率很低，因爲 RNA 溫度計的二級結構比一級結構（核酸序列）保守得多。

## 分佈

目前的觀點認爲，大部分 RNA 溫度計都位於編碼熱休克蛋白（HSP）的 mRNA 的 5' 端非轉譯區（UTR）。但有研究人員提出，在基因組數據中找尋非保守的短 RNA 序列本身就很難，加上採樣可能出偏差，因而得出了上述（不準確的）結論。

儘管絕大部分 RNA 溫度計都是在原核生物中發現的，但科學家亦於包括人在內的哺乳動物體內發現了可能爲 RNA 溫度計的非編碼 RNA，即熱休克 RNA-1（HSR1）。在人體內，這種 RNA 分子在溫度超過 37 攝氏度（即人的正常體溫）時能活化熱休克轉錄因子 - 1（HSF1）基因的表現，進而激活保護性蛋白的表現，達到防止細胞過熱的目的。

## 結構

RNA 溫度計結構上很簡單，短 RNA 序列就能構成。目前已知最短的 RNA 溫度計發現於某種集胞藻體內（_Synechocystis_ sp. PCC6803），只有 44 個核苷酸殘基（44nt）長，為編碼熱休克蛋白 hsp17 的 mRNA。大部分 RNA 溫度計的長度都介於 60-110nt 之間。RNA 溫度計通常都含有髮卡結構（莖環結構）。RNA 溫度計的髮卡結構因爲有少量的錯配鹼基對，穩定性較差，因此在溫度升高後很容易去摺疊。

對 RNA 溫度計 ROSE 元件的具體結構分析表明，G-G、U-U、UC-U 等錯配的鹼基對之間以非標準的鹼基配對連結，有利於 RNA 雙螺旋結構的維持（如左圖所示）。另外，這些非常規的鹼基配對穩定性較差，溫度升高後，很容易就解開，使 SD 序列暴露。

一些 RNA 溫度計的結構遠比一個單一的髮卡結構複雜，比如，研究人員推測 CspA mRNA5' 端非轉譯區含有一個假結與多個髮卡結構。

人工合成的 RNA 溫度計通常都設計成只含有一個簡單莖環結構。然而，這樣的短 RNA 溫度計的二級結構對突變很敏感，即使是一個鹼基對的變化（點突變）也可能造成其莖環結構在體內（_in vivo_）失活。

## 機理

RNA 溫度計一般位於 mRNA5' 端非轉譯區，即編碼基因的上游。位於此處使得 RNA 溫度計能遮蔽核糖體結合位點（RBS），阻止 mRNA 轉譯爲蛋白質。隨溫度增加，莖環結構會解旋，使核糖體結合位點或 SD 序列暴露，使得 mRNA 能與核糖體 30S 亞基（小亞基）結合。緊接著，轉譯機器會完成組裝。起始密碼子一般位於 SD 序列下游 8 個核苷酸殘基處。從起始密碼子開始，轉譯正式開始，核糖體隨後能轉譯出一整條多肽鏈，到終止密碼子爲止。除了這種順式作用機理外，在飢餓反應相關的 RposS mRNA 5' 非轉譯區中還發現了一個使用反式作用機理的特例。。

RNA 溫度計的一個特例是腸道沙門氏菌（_Salmonella enterica_）體內發現的 FourU。當處於大約 45 攝氏度的環境中時，SD 序列所在區域的「莖」結構鹼基配對會解開，使 mRNA 能與核糖體結合，啓動轉譯。已證明 FourU 的穩定性與 Mg2+ 的濃度有關。目前，研究得最透徹的 RNA 溫度計位於大腸桿菌（_E. coli_）的 _rpoH_ 基因中。該 RNA 溫度計能在高溫環境下通過一種特殊的熱休克 σ 因子 σ32 上調熱休克蛋白的表現水平。

一般來說，RNA 溫度計都與熱誘導蛋白質的表現有關，不過，RNA 溫度計也能調控冷休克蛋白質的表現。比如，嗜熱棲熱菌（_Thermus thermophilus_）中兩種 7kDa 的蛋白質的表現就受 RNA 溫度計的調控，另外，在腸桿菌目中也發現了類似的調控機制。

病原體可利用對 37 攝氏度的溫度敏感的 RNA 溫度計激活感染相關基因的表現。比如，在李斯特菌細胞內，一種調控與毒性相關的基因轉錄的關鍵蛋白由 _prfA_ 基因編碼。研究人員設計了以下實驗證明 RNA 溫度計對 prfA 表現的上調：將 PrfA 溫度調控非轉譯區與綠色螢光蛋白基因融合，再將其置於大腸桿菌的 T7 啓動子調控之下。於 37 攝氏度下，可以觀察到綠色螢光蛋白的表現，而在 30 攝氏度下無法觀察到。

## 對 RNA 世界學說的影響

RNA 世界學說認為在早期生命中，RNA 既是遺傳資訊的載體，又具有生物催化活性。另外，還有 RNA 扮演基因表現調控和感受器的角色。該學說認為，現在的 DNA-RNA - 蛋白質系統是由上述原始的 RNA 生物進化而來，因為 DNA-RNA - 蛋白質系統相對原始的 RNA 生物具有優勢，使用 DNA-RNA - 蛋白質系統的生物在自然選擇中勝過了 RNA 生命，成為現代生命的形式。DNA-RNA - 蛋白質系統中，RNA 攜帶遺傳資訊的功能由 DNA 取代，其生物活性則由蛋白質取代。但仍然保留有部分具有催化活性的 RNA，即核酶。

RNA 溫度計以及核糖開關因爲其廣泛分佈於各物種之中，都被認爲是 RNA 生命向現代的 DNA-RNA - 蛋白質系統過渡時產生的進化遺蹟。一般認爲，在早期的 RNA 世界中，RNA 溫度計的作用是對其他的 RNA 分子進行溫度依賴性的調控。在現代生物中，RNA 溫度計可以說是一個 RNA 世界的良好分子化石。

## 其他實例

* Hsp90 順式作用元件能在果蠅體內調控 Hsp90 的表現水平，在高溫下提高熱休克蛋白的轉譯速率。
* 預測大腸桿菌的 _ibpAB_ 操縱子中含有兩個協調作用的 RNA 溫度計：ROSE 元件和 IbpB 溫度計。
* ROSE1 和 ROSEAT2 分別發現於大豆慢生根瘤菌（_Bradyrhizobium japonicum_）以及根癌農桿菌（_Agrobacterium tumefaciens_）中。它們都位於 _HpsA_mRNA 的 5'UTR 內，能在正常生理溫度條件下抑制熱休克蛋白的表現。

## 參考文獻