翻译的可调控性及调控方式

翻译水平的调控是原核生物基因表达调控的另一个重要层次，主要表现在对mRNA的识别和翻译起始的调控。并不是每一个基因的表达都受到所有这些调控作用的影响，一个基因的表达中可能只存在其中一种或几种类型的调控作用。

（一）SD序列对翻译的影响

1．SD序列的顺序及位置对翻译的影响 在多顺反子mRNA中，每一个开放阅读框都有一个起始密码子AUG，在其上游存在一个SD序列，富含嘌呤碱基，其核心序列是AGGAGG或其中一部分（如AGGA）。核糖体16SrRNA3′端有一段富含嘧啶碱基的序列，可以和SD序列互补配对，并从其后的AUG开始翻译。

当mRNA与小亚基结合时，SD序列与16SrRNA3′端的互补序列配对结合，使起始密码子定位于翻译起始部位。不同基因的SD序列有一定的差异，但16SrRNA与SD序列互补部位的序列是固定不变的，因此，不同SD序列与16SrRNA结合的效率是不同的，也即核糖体与不同SD序列结合、起始翻译的效率是不同的。SD序列与16SrRNA之间配对的碱基数目越多，亲和力越高，核糖体与mRNA结合的效率就越高。另外，SD序列与起始密码子之间的距离也会影响mRNA翻译起始效率。某些蛋白质与SD序列的结合也会影响mRNA与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。

2．mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 在某些mRNA分子中，核糖体结合位点处在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法与之结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合，进行蛋白质的合成。

红霉素抗性的细菌中携带有一个质粒，该质粒编码红霉素甲基化酶（erythromycin methylase），该酶并不是使红霉素甲基化，而是使核糖体23SmRNA上特定位点的一个腺嘌呤甲基化，阻止红霉素的结合。该酶的mRNA的结构类似于色氨酸操纵子转录下来的mRNA，含有前导mRNA，编码前导肽。在mRNA中有4个特殊的序列（图4-24），序列1与2、2与3、3与4分别可以互补结合，形成茎环结构。没有红霉素时，可合成前导肽，序列3与4形成茎环结构，红霉素甲基化酶编码区的核糖体结合位点位于此结构中，不能与核糖体结合，不能合成蛋白质。当有红霉素存在时，红霉素与核糖体结合，抑制核糖体的移动，导致序列2与3形成茎环结构，序列3和4不能配对形成茎环结构，核糖体结合位点暴露，可结合核糖体，合成红霉素甲基化酶。

图4-24　红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控

（二）mRNA的稳定性

作为蛋白质生物合成的模板，mRNA是各种RNA中最不稳定的，半衰期从几分钟到若干小时不等。mRNA的降解速度是翻译调控的另一个重要机制。E．coli的许多mRNA在37℃时的平均寿命大约为2min，很快被酶解，这意味着，诱导基因表达的因素一旦消失，蛋白质的合成就会迅速停止。影响mRNA降解速度的因素有很多，如细菌的生理状态和环境因素、mRNA序列和一级结构、mRNA的次级结构（5′端和3′端的发夹结构）等。

细菌mRNA的降解可能涉及多酶复合体的催化作用，其中包括核糖核酸酶E、PNPase和一个helicase。RNAase E具有两种功能，其N端结构域具有核酸内切酶的活性，C端结构域则是将其他组分联系在一起。实际上，RNAase E发挥的是起始切割作用，然后将核酸片段传递给复合物中的其他组分进一步将其降解。

（三）翻译产物对翻译的调控

有些mRNA编码的蛋白质，本身就是在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译产生调控作用。

1．核糖体蛋白的自身调控 原核生物70S核糖体包含有大约50种不同的核糖体蛋白（ribosomal proteins，r-蛋白）。细胞必须严格控制r-蛋白和rRNA的比例，既要保证细菌生存最基本的需要，使蛋白质合成顺利进行，又避免营养物质的浪费。

rRNA与r-蛋白是边合成边相互识别，进行准确无误的装配。只要存在游离的rRNA，新合成的r-蛋白就与之结合并装配成核糖体，一旦rRNA的合成变慢或停止，多余的r-蛋白就开始积累并成为阻遏蛋白结合在自己的mRNA模板分子上（而不是与DNA结合），以自控的方式抑制自身翻译过程，避免更多的r-蛋白继续生成，这就是翻译水平的负调控（图4-25）。

图4-25　r-蛋白和rRNA转录-翻译偶联调控

以s15操纵子为例，它含有的结构基因是编码S15蛋白的s15基因和编码多聚核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase，PNP）的pnp基因。与其他核糖体蛋白一样，在翻译以后就会与rRNA组装成核糖体，但如果S15量多于16SrRNA，则会与自己mRNA5′端结合，抑制自身的翻译，以协调rRNA的合成（图4-26）。

图4-26　核糖体蛋白（S15）的自体调控

2．翻译终止因子RF-2调节自身的翻译 RF-2的mRNA不是一个连续的开放阅读框，前面25个氨基酸与后面315个氨基酸之间存在一个终止密码UGA和一个C（UGAC）。当有RF-2时，mRNA翻译到第25个氨基酸，即在其后的UGA处将肽链释放（不成熟的多肽）。没有RF-2时，在UGA处不能释放25肽，但发生阅读框移动，以GAC形成了第26个密码子，继续翻译，直至出现终止密码子UAG，在RF-1的作用下释放完整的RF-2。阅读框移动的机制还不清楚，可能与前面25肽的结构有关。

（四）小分子RNA的调控作用

近年来发现，一些内源或外源的小分子RNA可特异性互补结合细胞的RNA（通常是mRNA），使其失去功能，从而调控基因的表达。反义RNA（antisence RNA）是一类天然存在的小分子RNA，是20世纪80年代初发现的一种自然调控基因，它能与特定目标RNA分子（通常是mRNA）配对结合，调节目标RNA的功能。它通常是以一个基因编码链的部分序列为模板转录而成，并不编码任何蛋白质。研究表明，反义RNA对基因表达的调控主要在翻译水平，较少在转录水平；反义RNA可能起负调控，也可能起正调控。

1．调整基因表达产物的类型 典型代表是micFRNA，由micF基因编码，它是大肠埃希菌ompF mRNA的反义RNA，由Mizuno T在1953年发现。

大肠埃希菌渗透压调节基因ompR的产物OmpR蛋白，在不同的渗透压时具有不同的构象，分别结合渗透压蛋白ompF和ompC基因的调控区。OmpF和OmpC蛋白是两种位于大肠埃希菌外膜上与调节渗透压有关的孔蛋白，这两种孔蛋白在外膜上形成的小孔构成了溶质进入细胞的通道，但OmpF形成的孔道要大于OmpC形成的孔道，以便让细胞在低渗的环境中加强吸收。在环境渗透压发生变化时，位于内膜上的EnvZ蛋白能够监测到所发生的变化，并通过OmpR蛋白调节ompC和ompF的翻译，使大肠埃希菌能够适应环境中的渗透“冲击”。在低渗环境下，OmpR蛋白对ompF基因的表达起正调控作用（图4-27），对ompC基因无调控作用；在高渗条件下，OmpR蛋白发生构象改变，对ompC基因的表达起正调控作用，对ompF基因无调控作用。

图4-27　大肠杆菌渗透压调节中micRNA的调节作用

当环境渗透压由低渗转为高渗时，不仅ompF基因的转录停止，已经转录出来的mRNA的翻译也被抑制。此抑制物不是蛋白质，而是一种小分子RNA（约170bp），它的碱基顺序恰好与ompF-mRNA的5′末端附近的顺序互补，故叫mRNA干扰性互补RNA（mRNA interfering complementary RNA，micRNA）。由于micRNA能与ompF-mRNA特异结合，阻碍其翻译，从而抑制ompF基因的表达。micRNA的基因也受OmpR蛋白调控，与ompC基因同时被激活转录。

2．低水平表达基因的控制 细菌内的转座子Tn10利用反义机制调节自身的转座酶活性，通过一种小分子的RNA阻遏物在翻译水平上严格限制着Tn10转位酶基因的表达，使转座酶维持在较低水平。Tn10转位酶基因由pIN启动子控制，RNA阻遏物的基因由pOUT启动子控制。两个启动子方向相反，交叉进行转录，使得基因转录水平很低。两个转录区有35个碱基重叠（图4-28）。因此，两个基因的转录物中有35个碱基是互补的，互补区覆盖了Tn10转位酶mRNA的翻译起始区，因而可以干扰翻译，其结果是转位酶的表达效率非常低，转位作用也极少发生。

图4-28　小分子RNA在翻译水平上的调控作用