環二鳥苷單磷酸核糖開關的結構與功能

李新風，陳芳，肖金鳳，何進

華中農業大學 生命科學技術學院 農業微生物學國家重點實驗室，湖北 武漢 430070

·生物技術與新方法·

環二鳥苷單磷酸核糖開關的結構與功能

李新風，陳芳，肖金鳳，何進

華中農業大學 生命科學技術學院 農業微生物學國家重點實驗室，湖北 武漢 430070

環二鳥苷單磷酸(c-di-GMP)是細菌中廣泛存在的一類核苷類第二信使分子，能夠調控細菌的生物被膜形成、運動性、黏附、毒力以及胞外多糖的產生等眾多生理活動。核糖開關是 mRNA5′-非翻譯區(5′-Untranslational region,5′-UTR)的一段 RNA 序列，包含可以識別并結合配體的保守序列——適配體區(Aptamer domain, AD)，以及結構多變、可以調控下游編碼基因的表達平臺區(Expression platform, EP)。當代謝物分子濃度比較高時，其與適配體區結合，引起下游的表達平臺區發生構象變化，進而實現對下游基因的調節。目前已發現c-di-GMP-Ⅰ和c-di-GMP-Ⅱ兩類c-di-GMP的核糖開關。它們通過特異性地結合c-di-GMP，調控種類繁多的下游基因的表達。c-di-GMP-I核糖開關分布廣泛，尤其在厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)的細菌中最為豐富。c-di-GMP-Ⅱ核糖開關具備變構核酶的功能，結合c-di-GMP后在其非典型剪切位點處發生結構變化，調節下游基因表達。文中圍繞c-di-GMP核糖開關的發現、功能、分類以及下游調控基因的功能進行綜述與分析。

核苷類第二信使分子，環二鳥苷單磷酸，核糖開關，基因調控

環二鳥苷單磷酸(Cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP)是細菌體內普遍存在的一類核苷類第二信使，在細菌的代謝調控中處于中心調節的地位，廣泛參與調控細菌的生長和分化、群體感應、生物被膜的形成和分泌、運動性、毒力等生理功能[1]。最近在產酶溶桿菌Lysobacter enzymogenes中發現c-di-GMP可以同時調節Ⅳ型菌毛以及抗真菌抗生素的生物合成[2]。c-di-GMP最早發現于1987年，是Benziman及其同事分析木駒形桿菌Komagataeibacter xylinus(當時稱木醋酸桿菌Acetobacter xylinus)纖維素的產生機制時意外發現的[1,3]，c-di-GMP作為一種變構激活劑能顯著提高纖維素合成酶的活性，自此開拓了c-di-GMP生理功能研究的新領域。目前對c-di-GMP的代謝和功能都有了較清楚的認識，它由含有 GGDEF結構域的二鳥苷酸環化酶(Diguanylate cyclases, DGC)合成[4]；通過含有EAL[5]或HD-GYP[6]結構域的磷酸二酯酶(Phosphodiesterase, PDE)降解。c-di-GMP可以與下游受體或靶標結合進而行使其生物學功能，其下游受體/靶標多種多樣，包括：含有PilZ結構域的蛋白[7-8]、含有退化的GGDEF或EAL結構域的蛋白[9]、轉錄因子[10-11]、含有 MshEN結構域的蛋白[12]、核糖開關[13-14]以及一些其他蛋白(如 PNPase、YajQ、LCN2)[15-17]。其中，核糖開關是一種特殊的RNA類受體。

核糖開關一般位于 mRNA的5′-非翻譯區(5′-Untranslational region,5′-UTR)，由適配體區(Aptamer domain)和表達平臺區(Expression platform)兩部分組成。適配體區較為保守，可以特異性地結合某種小分子代謝物，感知并響應其濃度變化；表達平臺區位于適配體區的下游，通常與適配體區有一定程度的重疊，序列多變。當適配體區結合代謝物后使下游的表達平臺區發生構象變化，“開啟”或“關閉”下游基因的表達，從而實現對下游基因的調節。核糖開關對下游基因的表達調控可以在轉錄水平通過形成終止子(Terminator)或抗終止子(Anti-terminator)實現；也可以在翻譯水平通過掩蓋SD序列形成隔離子(Sequestor)或通過釋放 SD序列形成抗隔離子(Anti-sequestor)實現。目前，已經發現20多種核糖開關，它們響應的代謝物即配體分子種類繁多，包括核苷酸代謝物、氨基酸、單糖衍生物、金屬離子等，其中核苷類代謝物最為豐富，它們包括輔酶、維生素、第二信使分子等[18-19]。第二信使分子c-di-GMP核糖開關最初由耶魯大學Breaker團隊于2008年發現[13]，2010年 Breaker團隊又發現一種不同類別的c-di-GMP核糖開關[14]，根據二級結構和作用方式的不同分別將其命名為Ⅰ類(ClassⅠ)c-di-GMP核糖開關(c-di-GMP-Ⅰ)和Ⅱ類(Class Ⅱ)c-di-GMP核糖開關(c-di-GMP-Ⅱ)。c-di-GMP核糖開關的發現不僅拓寬了核糖開關感知的范圍，也豐富了c-di-GMP的信號調控網絡。本文圍繞c-di-GMP核糖開關的發現、結構以及下游調控基因的功能進行綜述與分析。

1 c-di-GMP核糖開關的發現

c-di-GMP核糖開關最早發現于2008年，早在2006年時，Jenal和Malon就推測可能存在RNA分子識別并結合c-di-GMP[20]。2007年，Breaker團隊通過比較基因組學的方法發現了一類保守的RNA序列，這類序列通常存在于環境、膜組裝和細菌運動相關基因的5′-UTR中，并將其命名為GEMM(Genes for the environment, membranes and motility)，并將其視為一種潛在的核糖開關[21]。GEMM廣泛分布于細菌中，尤其是在變形菌門和厚壁菌門中。2008年，Breaker團隊在體外證明了來自霍亂弧菌Vibrio cholerae的GEMM RNA序列能夠與c-di-GMP特異性結合，解離常數KD≈1 nmol/L[13]。至此，他們正式提出這類GEMM RNA序列是一類能夠特異性結合c-di-GMP的核糖開關。GEMM在結構上一般由3個發夾結構(P1、P2和P3)組成(圖1A)，P1序列比較保守，起到穩定構象的作用；P2的序列也比較保守，其末端通常是由 GNRA組成的四元環(Tetraloop)；P3發夾結構則根據其是否含有四元環的受體分成兩種類型。Ⅰ型(TypeⅠ)GEMM P2上的四元環通常為GRRA，第二位堿基為R(嘌呤)，P3上含有相應的四元環受體。Ⅱ型(TypeⅡ)GEMM P2上的四元環通常為GYRA，第二位堿基為Y(嘧啶)，P3上沒有對應的四元環受體[21]。

此后，人們又通過比較基因組學的方法預測出大量的保守 RNA元件，其中有一類 RNA元件的下游基因廣泛參與c-di-GMP的代謝及信號通路，但這類 RNA元件與之前報道的c-di-GMP核糖開關大不相同(圖1A)[4,22]。2010年，Breaker團隊證明了此類 RNA元件能夠與c-di-GMP特異結合，艱難梭菌Clostridium difficile中的該類RNA元件84 Cd與c-di-GMP解離常數KD≈200 pmol/L[14]。進一步實驗表明84 Cd的表達平臺區是1種Ⅰ型核酶，兩者組成1個變構核酶，c-di-GMP與變構核酶非典型剪切位點處結合，通過調節其自剪切能力來實現對下游基因的調控。為了區別之前發現的c-di-GMP-Ⅰ核糖開關，將該類變構核酶命名為c-di-GMP-Ⅱ核糖開關。至此，兩類調節機制完全不同的c-di-GMP核糖開關被發現，其保守序列如圖1所示。c-di-GMP核糖開關的發現使人們認識到c-di-GMP不僅作用于蛋白類受體，還可以通過RNA類受體調節細菌的生理功能，不僅豐富了c-di-GMP受體的種類，也為揭示c-di-GMP的調控網絡提供了新的線索。

圖1 Ⅰ類與Ⅱ類c-di-GMP核糖開關適配體區的保守序列[14]Fig.1 The aptamer domain consensus of classⅠ and class Ⅱc-di-GMP riboswitches[14].

2 c-di-GMP核糖開關的結構和功能

2.1 c-di-GMP-Ⅰ核糖開關的結構與功能

c-di-GMP-Ⅰ核糖開關自2008年發現以來一直受到廣泛關注，2009年Smith等對來自霍亂弧菌的核糖開關 Vc2進行了晶體結構解析，獲得了2.7 ?分辨率的晶體結構(圖2)[23]。晶體結構清晰地展示了核糖開關Vc2的兩個發夾結構P2和P3之間的相互聯系以及c-di-GMP與Vc2之間的相互作用。P2和P3分別形成螺旋結構，其中，P2頸上第44位的C與P3頸上第83位的G形成堿基互補配對，四聚環與其受體通過氫鍵相互連接使兩個螺旋結構緊密靠近，起到穩定結構的作用。雖然c-di-GMP分子結構自身對稱，但它以非對稱的方式結合于Vc2的三螺旋交界處。c-di-GMP中的一個G(Gα)通過Hoogsteen配對方式與Vc2上第20位的G相互作用，除此之外Gα與第46位的C以及48位的A也存在相互作用；而另一個G(Gβ)與Vc2上92位的C形成典型的Watson-Crick堿基互補配對，同時Gβ的7位N與Vc2第47位A的2′-OH也會通過氫鍵相互作用。

近年來除了結構外，對c-di-GMP-Ⅰ核糖開關功能的研究也有報道。研究結果表明c-di-GMP結合核糖開關后對下游基因的調節既有“開啟”作用也有“關閉”作用，這種調控主要發生在轉錄水平，通過形成終止子/抗終止子來實現。2008年Breaker團隊報道，霍亂弧菌N16961中的Vc2以及蠟樣芽胞桿菌Bacillus cereusATCC10987中的Bc1核糖開關在高濃度c-di-GMP時呈現“開啟”狀態，促進下游基因表達；蠟樣芽胞桿菌ATCC14579中的Bc2以及艱難梭菌ATCC9689中的Cd1核糖開關在高濃度c-di-GMP時呈現“關閉”狀態，抑制下游基因表達[13]。在此之后更多的c-di-GMP-Ⅰ核糖開關調控機制被報道，艱難梭菌630中的Cdi1_1[24]、霍亂弧菌C6706中的Vc1[25]以及蘇云金芽胞桿菌Bacillus thuringiensisCT-43中3個串聯排布的c-di-GMP-Ⅰ核糖開關 Bc3、Bc4、Bc5[26]在高濃度c-di-GMP時呈現“開啟”狀態，在轉錄水平促進下游基因表達；艱難梭菌630中的Cdi1_2、Cdi1_3、Cdi1_4、Cdi1_5、Cdi1_6、Cdi1_7、Cdi1_8、Cdi1_9、Cdi1_10、Cdi1_11、Cdi1_12 呈現“關閉”狀態，在轉錄水平抑制下游基因表達[24]。

圖2 c-di-GMP-Ⅰ核糖開關Vc2適配體區結構[23]Fig.2 Structure of thec-di-GMP-Ⅰ riboswitch Vc2 aptamer domain[23].

2.2 c-di-GMP-Ⅱ核糖開關的結構與功能

c-di-GMP-Ⅱ核糖開關是一種變構核酶，自2010年發現以來對其結構和功能的研究也比較清楚。2011年，Smith等對來自丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum的c-di-GMP-Ⅱ核糖開關進行了晶體結構解析，獲得了2.5 ?分辨率的晶體結構(圖3)[27]。晶體結構結果顯示c-di-GMP-Ⅱ核糖開關存在4個發卡結構P1、P2、P3和P4，它們以螺旋的形式存在。其中，第34位的堿基 A與45位的U非典型配對(A34/U45)，第31位的U與46位的G配對(U31/G46)，A34/U45與U31/G46堿基四聚化有利于P3和P4交界處“急轉彎”結構的形成。c-di-GMP結合c-di-GMP-Ⅱ核糖開關也是非對稱的，與識別c-di-GMP-Ⅰ核糖開關不同的是這里沒有典型的堿基互補配對，主要通過堿基堆積作用力以及非典型配對方式結合于P1、P2和P4的交界處。第70位的A夾在c-di-GMP的2個鳥嘌呤(Gα和Gβ)中間，除此之外，Gα還與61位的A和69位的A相互作用，Gβ與13位的A和73位的G相互作用。c-di-GMP-Ⅱ核糖開關的調控過程比較復雜，整個過程除了c-di-GMP外還需要 GTP的參與，GTP負責攻擊Ⅰ型核酶，實現剪接。與c-di-GMP-Ⅰ核糖開關不同，c-di-GMP-Ⅱ核糖開關不是通過形成終止子/抗終止在轉錄水平調控下游基因表達量，而是通過改變Ⅰ型核酶的剪接位點，進而通過形成或者刪除RBS在翻譯水平對其進行調控[28]。艱難梭菌中的84 Cd是非常典型的c-di-GMP-Ⅱ核糖開關，當 GTP和c-di-GMP充足時，c-di-GMP結合到84 Cd，改變下游核酶的剪接位點，最終形成的剪接體含有完整RBS(AGGAGG)，促進下游基因翻譯；當缺乏c-di-GMP時，GTP攻擊位點在起始密碼子上游4個核苷酸處，最終無法形成完整RBS，抑制下游基因翻譯。艱難梭菌630中存在4個c-di-GMP-Ⅱ核糖開關Cdi2_1、Cdi2_2、Cdi2_3以及Cdi2_4，當c-di-GMP充足時它們均呈現“開啟”狀態，促進下游基因表達，但這種促進體現在轉錄水平(qRT-PCR結果)[24]，這可能是由于結合c-di-GMP后改變了它們的構象，最終影響了轉錄本的穩定性。

圖3 c-di-GMP-Ⅱ核糖開關適配體區結構[27]Fig.3 Structure of thec-di-GMP-Ⅱ riboswitch aptamer domain[27].

3 c-di-GMP核糖開關下游調控基因的功能分析

c-di-GMP具有廣泛的調控作用，參與調節細菌生長和分化、群體感應、生物被膜的形成、運動性以及毒力等重要生理生化功能，這些功能的行使需要借助其下游受體，通過核糖開關調控下游基因是最直接的受體介導的調控方式。c-di-GMP核糖開關下游調控基因種類繁多，在艱難梭菌中c-di-GMP-Ⅰ核糖開關Cd1位于flgB操縱子(編碼早期鞭毛蛋白)上游，2012年Purcell等研究表明，提高胞內c-di-GMP濃度下調flgB操縱子的轉錄，最終導致細菌運動能力降低[29]。有趣的是sigD基因位于flgB操縱子中，即c-di-GMP可以調控sigD的表達，進一步研究表明sigD調控103個基因的表達，包括鞭毛相關基因、趨化蛋白、膠原黏附蛋白以及一些轉運蛋白，這意味著c-di-GMP可以間接調控這些基因及相關過程[30-31]。c-di-GMP-Ⅱ核糖開關Cdi2_4位于Ⅳ型菌毛編碼相關基因的上游，Ⅳ型菌毛參與調節細菌的運動性、黏附、生物被膜的形成以及菌體的聚集、沉降等行為。Bordeleau等研究表明c-di-GMP上調Ⅳ型菌毛編碼基因的轉錄[32]，這為c-di-GMP參與調控相關表型提供了可能。在蘇云金芽胞桿菌中，Bc2位于膠原黏附蛋白(Collagen adhesion protein)編碼基因cap的上游，2016年Tang等研究表明：當c-di-GMP濃度較高時，Bc2處于“開啟”狀態，激活下游cap基因的表達，最終影響細菌的運動性、聚集、胞外多糖分泌、生物被膜形成以及毒力等多種重要表型[33]。噬菌蛭弧菌Bdellovibrio bacteriovorus中存在1個表達量特別高的c-di-GMP-Ⅰ核糖開關merRNA，由于c-di-GMP核糖開關與c-di-GMP有非常高的特異性及結合能力，作者認為merRNA可能通過海綿效應吸附游離的c-di-GMP，進而調控噬菌蛭弧菌在自由生長狀態和在宿主細菌中寄生狀態的轉換[34]。除此之外，其他的一些研究表明c-di-GMP核糖開關還參與調控細菌信號轉導、分泌、膜蛋白以及肽的合成等過程[21,24]。

圖4 c-di-GMP核糖開關下游調控基因COG注釋Fig.4 COG annotation ofc-di-GMP riboswitches downstream genes.

我們對3079株已完成全基因組測序的細菌進行分析，發現存在989個c-di-GMP-Ⅰ核糖開關和167個c-di-GMP-Ⅱ核糖開關。通過生物信息學分析得到核糖開關下游相關基因序列，并對這些序列進行COG(Cluster of orthologous groups of proteins, 蛋白質直系同源簇)注釋，如圖4所示，信號轉導機制[T]以及細胞運動[N]兩條通路被明顯富集。富集結果中信號轉導機制主要包括二鳥苷酸環化酶、磷酸二酯酶以及細菌趨化性等相關系統；細胞運動主要包括細菌趨化性以及鞭毛合成、組裝等相關系統。這說明c-di-GMP直接通過核糖開關調控細菌間的信息交流、運動以及趨化等相關過程，并且近些年研究表明運動性和趨化性等相關過程會影響細菌的胞外基質、生物被膜、致病性以及毒力等。除此之外，轉錄[K]、細胞壁細胞膜生物發生[M]以及糖轉運與代謝[G]通路相關基因也被明顯富集，進一步豐富了c-di-GMP調控的信號網絡。

4 c-di-GMP通過RNA類和蛋白類受體調控的基因功能比較

與調控其RNA類受體——核糖開關相比，c-di-GMP通過其蛋白類受體介導的調控方式更為復雜：如通過結合后改變其蛋白類受體的構象，直接調節其酶活力[35]；與蛋白類受體結合后再與其他蛋白相互作用影響細菌的生理功能[36]；影響轉錄因子類受體對目的基因啟動子的結合來實現其調節功能[10-11]。

c-di-GMP通過 RNA類與蛋白類受體調控下游基因的生理功能有許多相似之處，涉及細菌的運動性、胞外多糖、生物被膜、毒性等生理表型。c-di-GMP通過核糖開關調控下游基因引起的相關表型在上文已有詳細介紹(圖4)，我們在此重點討論其蛋白受體介導的相關表型。目前，已經報道了多種由c-di-GMP蛋白類受體介導的細菌鞭毛運動調控方式。PilZ結構域是最早發現可以與c-di-GMP結合的蛋白結構域，伯氏疏螺旋體Borrelia burgdorferi中的PlzA蛋白是1個含有PilZ 結構域的c-di-GMP受體蛋白，通過其PilZ結構域與c-di-GMP相互作用，PlzA/c-di-GMP復合物能夠結合CheY的磷酸化酶 CheX，激活 CheX，從而降低 CheY的磷酸化水平，促進細菌的運動[36]。在大腸桿菌Escherichia coli和沙門氏菌Salmonella中，受體蛋白YcgR結合c-di-GMP后與FliG-FliM-FliN復合物緊密結合，調節鞭毛旋轉的方向[37]。新月柄桿菌Caulobacter crescentus中，結合c-di-GMP后促進受體蛋白DgrA與FliL的結合，抑制鞭毛運動[38]。此外，巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense的甲基趨化蛋白Tlp1[39]、地毯草黃單胞菌Xanthomonas axonopodis轉錄調控因子Clp[40]、霍亂弧菌轉錄調控因子 VspT[41]等蛋白類受體結合c-di-GMP后通過不同的方式調節細菌的運動。除了影響運動性外，c-di-GMP蛋白類受體介導的胞外多糖、生物被膜、毒性等生理表型的調控也有很多報道。銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosaFleQ蛋白是第一個被鑒定的可以作為信號受體的轉錄調控因子，在結合c-di-GMP后，FleQ無法結合胞外多糖合成相關基因pel的啟動子，解除對相關基因的抑制，促進胞外多糖和生物被膜的形成[10]。野油菜黃單胞菌Xanthomonas campestris中，YajQ受體蛋白突變后降低菌體生物被膜的形成以及對植物的侵染能力。并且YajQ在銅綠假單胞菌和嗜麥芽寡養單胞菌Stenotrophomonas maltophilia中的同源蛋白也調節細菌的毒性[16]。水稻黃單胞菌Xanthomonas oryzae敲除c-di-GMP合成酶后影響其生物被膜、運動性、胞外多糖以及毒性[42]，其轉錄調控因子Clpxoo蛋白與cAMP受體蛋白CRP同源，參與調控類似生理功能[43-44]。MshEN結構域蛋白是最近報道的一類c-di-GMP受體蛋白，與c-di-GMP有極強的結合能力，廣泛分布于細菌中[12,45]。銅綠假單胞菌中 MshE蛋白的c-di-GMP關鍵結合位點突變影響菌體的運動性、表面附著能力以及生物被膜的形成，同時還影響細菌Ⅱ型和Ⅳ型分泌系統[45]。此外，新月柄桿菌GGDEF結構域蛋白PopA[46]、霍亂弧菌GGDEF結構域蛋白CdgG[47]都可通過其Ⅰ位點與c-di-GMP結合，參與調控細菌細胞周期進程、菌體褶皺狀態以及生物被膜的形成。以上研究都表明了c-di-GMP的蛋白類受體和核糖開關受體下游調控基因在生理表型上的共性。此外，兩者也都可以通過各自的方式調控其他方面的功能，如c-di-GMP胞內濃度/代謝以及相關基因的轉錄。圖4的分類結果顯示，c-di-GMP核糖開關下游調控基因中，信號轉導機制[T]被顯著富集，其中包含很多 DGC和 PDE，表明c-di-GMP通過核糖開關來控制自身合成酶和降解酶的表達，進而調控其代謝方式及細胞內濃度；而其蛋白類受體則主要通過結合c-di-GMP改變自身構象，調節其酶活力。例如，很多c-di-GMP合成酶都含有1個由RXXD模體組成的反饋抑制位點(Ⅰ位點)，c-di-GMP與Ⅰ位點結合能夠抑制 DGC的活性，從而調節細胞內c-di-GMP的濃度[48-49]。關于轉錄，c-di-GMP核糖開關調控的下游基因中轉錄[K]被顯著富集，其中很多基因屬于 σ因子，所以核糖開關通過調控 σ因子來實現轉錄調控；而蛋白類受體則主要通過影響CRP以及其他一些轉錄因子的活性來實現轉錄調控[10-11,50]。

綜上，c-di-GMP的RNA類受體和蛋白類受體調控下游基因的功能總體上比較相似，但是它們調控的方式有所不同，這可能與細菌所處的環境以及長期的進化有關。此外，目前對其蛋白類受體的研究還不夠充分，很多受體還沒有被發現，更多c-di-GMP介導的調控方式有待于進一步揭示。

5 小結與展望

c-di-GMP是細菌體內一種重要的第二信使分子，在調控細菌的運動性、生物被膜的形成、胞外多糖的合成、胞外酶分泌、致病性以及毒性等方面發揮重要的作用。近年來，對c-di-GMP的代謝、調控及功能的研究取得了很大的進展。c-di-GMP核糖開關作為c-di-GMP的RNA受體，直接或間接介導c-di-GMP調控多種生理生化過程，具有重要作用。越來越多的研究表明c-di-GMP在細菌的致病性方面具有重要作用，c-di-GMP核糖開關調控的基因通常是編碼細菌生存或致病必需的基因，而在動物和植物中至今還沒有發現c-di-GMP核糖開關，這為我們提供了1個新的藥物靶點，為藥物研發提供了可能。此外，c-di-GMP核糖開關還可以應用到c-di-GMP合成酶DGC和降解酶PDE的鑒定、c-di-GMP濃度的檢測以及合成生物學領域。相信在科學家們的共同努力下c-di-GMP核糖開關會有更加廣闊的應用前景。

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(本文責編 陳宏宇)

Structure and function ofc-di-GMP riboswitches

Xinfeng Li, Fang Chen, Jinfeng Xiao, and Jin He
State Key Laboratory of Agricultural Microbiology,College of Life Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan430070,Hubei,China

Cyclic diguanosine monophosphate(c-di-GMP)is a ubiquitous nucleotide second messenger present in a wide variety of bacteria.It regulates many important bacterial physiological functions such as biofilm formation, motility,adhesion, virulence and extracellular polysaccharide synthesis.It binds with many different proteins or RNA receptors, one of which is called riboswitch that is usually located at the5′-untranslational region(5′-UTR)in some mRNA.Riboswitch usually comprises a specific ligand-binding(sensor)domain(named aptamer domain, AD), as well as a variable domain,termed expression platform(EP), to regulate expression of downstream coding sequences.When a specific metabolite concentration exceeds its threshold level, it will bind to its cognate riboswitch receptor to induce a conformational change of5′-UTR, leading to modulation of downstream gene expression.Two classes ofc-di-GMP-binding riboswitches(c-di-GMP-Ⅰ andc-di-GMP-Ⅱ)have been discovered that bind with this second messenger with high affinity to regulate diverse downstream genes, underscoring the importance of this unique RNA receptor in this pathway.Class Ⅰc-di-GMP riboswitches are present in a wide variety of bacteria, and are most common in the phyla Firmicutes and Proteobacteria,while class Ⅱc-di-GMP riboswitches typically function as allosteric ribozymes, binding toc-di-GMP to induce folding changes at atypical splicing site junctions to modulate downstream gene expression.This review introduces the discovery,classification, function, and also the affected downstream genes ofc-di-GMP riboswitches.

nucleotide second messenger,c-di-GMP, riboswitch, gene regulation

March4,2017;Accepted:May3,2017

Jin He.Tel/Fax: +86-27-87280670; E-mail: hejin@mail.hzau.edu.cn

李新風, 陳芳, 肖金鳳, 等.環二鳥苷單磷酸核糖開關的結構與功能.生物工程學報,2017,33(9):1357?1368.

Li XF, Chen F, Xiao JF, et al.Structure and function ofc-di-GMP riboswitches.Chin J Biotech,2017,33(9):1357?1368.

Supported by:National Natural Science Foundation of China(No.31270105), the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2662015PY175).

國家自然科學基金(No.31270105)，中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金(No.2662015PY175)資助。

何進 博士，華中農業大學生命科學技術學院教授，博導，生物工程系主任，生物工程專業負責人，農業微生物學國家重點實驗室固定研究人員。1994年6月留校任教至今。其中2007?2008年在伊利諾伊大學微生物學系從事博士后研究。主要研究方向為微生物的代謝調控、細菌核苷類第二信使分子及非編碼RNA的功能等。以責任作者身份發表SCI論文36篇。獲武漢市科技進步二等獎1項。任Current Bioinformatics、《微生物學雜志》及《生物資源》等期刊的編委。