基于SHAPE-seq技术解析大肠杆菌典型5′mRNA结构特征及其对基因表达的影响

【目的】在原核生物基因表达过程中,由于转录本mRNA半衰期较短,其抗降解能力和招募核糖体启动翻译反应的能力对基因表达的影响显著。然而mRNA在其5′端存在多个功能区域,可以影响其半衰期的长短进而影响目的基因的表达,其中主要包括:Shine-Dalgarno(SD)序列以及其上下游的核糖体“等候”位点(translational standby site, TSS)、N端部分编码序列(N-terminal coding sequence, NCS)。各区域由于其自身和跨区域的结构差异会影响基因表达,因此解析各功能区域的构效关系至关重要。【方法】采用引物延伸测序(SHAPE-seq)技术,以大肠杆菌为宿主解析了7种结构不同的5′mRNA胞内的结构特点,采集了其调控下mRNA丰度以及蛋白表达量。【结果】发现非结构化的NCS调控下mRNA丰度和蛋白量分别提高了10倍、19倍;形成二级结构茎长为10nt的TSS有利于提高mRNA丰度;SD序列被包裹形成二级结构时会影响其介导的翻译起始效率(蛋白表达下降10%);上述较优的TSS和NCS的组合调控下,mRNA丰度和蛋白量显著提高(11倍、60倍)。【结论】本研究解析了5′mRNA各区域有利于原核生物基因表达的结构特征,初步建立了各功能区域的构效关系,为工业微生物目标基因表达提供了新型调控元件。