เทอร์โมมิเตอร์RNA (หรือเทอร์โมเซนเซอร์ RNA ) คือ โมเลกุล RNA ที่ไม่มีรหัสและไวต่ออุณหภูมิซึ่งควบคุมการแสดงออกของยีน^{[ 1 ]}คุณลักษณะเฉพาะของมันคือไม่จำเป็นต้องใช้โปรตีนหรือเมตาบอไลต์ในการทำงาน แต่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น^{[ 2 ]}เทอร์โมมิเตอร์ RNA มักจะควบคุมยีนที่จำเป็นในระหว่าง การตอบสนองต่อ ความร้อนหรือความเย็นแต่ก็มีส่วนเกี่ยวข้องในบทบาทการควบคุมอื่นๆ เช่น ในการก่อโรคและการอดอาหาร^{[ 1 ]}

โดยทั่วไป เทอร์โมมิเตอร์ RNA ทำงานโดยการเปลี่ยนโครงสร้างทุติยภูมิและโครงสร้างตติยภูมิ^{[ 3 ]}เพื่อตอบสนองต่อความผันผวนของอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนี้สามารถเปิดเผยหรือปิดกั้นบริเวณสำคัญของ RNA เช่นตำแหน่งการจับของไรโบโซมซึ่งจะส่งผลต่อ อัตรา การแปล ของ ยีนที่เข้ารหัสโปรตีนที่อยู่ใกล้เคียง

เทอร์โมมิเตอร์ RNA พร้อมกับไรโบสวิตช์ถูกใช้เป็นตัวอย่างเพื่อสนับสนุนสมมติฐานโลก RNA ทฤษฎีนี้เสนอว่าครั้งหนึ่ง RNA เคยเป็น กรดนิวคลีอิกเพียงชนิดเดียวที่มีอยู่ในเซลล์ และถูกแทนที่ด้วยระบบDNA → RNA → โปรตีน ในปัจจุบัน ^{[ 4 ]}

^{ตัวอย่าง ของ}เทอร์โมมิเตอร์ RNA ได้แก่^FourU [ 5 ^{] องค์ประกอบ}ควบคุมcis ของ^Hsp90 [ 6 ^{] องค์ประกอบ} ROSE [ ^{7 ]}เทอร์โมมิเตอร์RNA ของ Lig ^{[ 8 ] และ}เทอร์โมมิเตอร์Hsp17 [ ^{9 ]}

มีการรายงานองค์ประกอบ RNA ที่ไวต่ออุณหภูมิเป็นครั้งแรกในปี 1989 ^{[ 10 ]}ก่อนการวิจัยนี้ พบว่าการกลายพันธุ์ที่อยู่เหนือตำแหน่งเริ่มต้นการถอดรหัสในmRNA cIII ของแบคทีริโอ เฟจแลมบ์ดา (λ)ส่งผลต่อระดับการแปลโปรตีน cIII ^{[ 11 ]}โปรตีนนี้มีส่วนเกี่ยวข้องกับการเลือกวงจรชีวิต แบบ ไลติกหรือไลโซจีนิก ในแบคทีริโอเฟจ λ โดยความเข้มข้นสูงของ cIII ส่งเสริมไลโซจีนี ^{[ 11 ]}การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับบริเวณ RNA ต้นน้ำนี้ระบุโครงสร้างทุติยภูมิ ทางเลือกสองแบบ การศึกษาเชิงทดลองพบว่าโครงสร้างเหล่านี้สามารถแลกเปลี่ยนกันได้ และขึ้นอยู่กับทั้ง ความเข้มข้น ของไอออนแมกนีเซียมและอุณหภูมิ^{[ 10 ] [ 12 ]}ปัจจุบันเชื่อกันว่าเทอร์โมมิเตอร์ RNA นี้กระตุ้นให้เข้าสู่วงจรไลติกภายใต้ความเครียดจากความร้อนเพื่อให้แบคทีริโอเฟจสามารถจำลองตัวเองได้อย่างรวดเร็วและหลบหนีออกจากเซลล์โฮสต์^{[ 1 ]}

คำว่า "เทอร์โมมิเตอร์ RNA" ไม่ได้ถูกบัญญัติขึ้นจนกระทั่งปี 1999 ^{[ 13 ]}เมื่อนำไปใช้กับ องค์ประกอบ RNA rpoHที่ระบุในEscherichia coli [ ^{14 ] เมื่อ}ไม่นานมานี้ การค้นหาข้อมูล ทางชีวสารสนเทศได้ถูกนำมาใช้เพื่อค้นพบเทอร์โมมิเตอร์ RNA ที่เป็นไปได้ใหม่หลายตัว^{[ 15 ]}อย่างไรก็ตาม การค้นหาตามลำดับแบบดั้งเดิมนั้นไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากโครงสร้างทุติยภูมิขององค์ประกอบนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้มากกว่าลำดับกรดนิวคลีอิกมาก^{[ 15 ]}

ปฏิกิริยาทางชีวภาพและสิ่งมีชีวิตมีความไวต่ออุณหภูมิเพื่อการทำงานของเซลล์ เทอร์โมมิเตอร์ RNA เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการตอบสนองต่ออุณหภูมิ เนื่องจากช่วยให้เซลล์สามารถตรวจสอบและรับรู้การเปลี่ยนแปลงเพื่อรักษาสภาพเซลล์ให้มีชีวิตและเสถียร กลไกที่เหนี่ยวนำโดย DNA, RNA หรือโปรตีนจะหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยโดยการรับรู้การเปลี่ยนแปลงภายนอกใดๆ^{[ 16 ]}

แบคทีเรียใช้เทอร์โมมิเตอร์ RNA เพื่อเข้าและอยู่รอดในโฮสต์โดยการเกาะติดกับโฮสต์และทำให้เกิดความผันผวนของอุณหภูมิ แบคทีเรียสามารถตอบสนองต่อสภาวะช็อกความร้อนและช็อกความเย็นได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากเทอร์โมมิเตอร์ RNA ควบคุมการแสดงออกของยีนในระดับการแปล^{[ 16 ]}

The first RNA thermometer discovered in chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii, found in the 5'-UTR of the psaA mRNA. Its function was different especially because it was considered absent, it has a hairpin-type secondary structure that protects the Shine–Dalgarno sequence when temperature is low, but once a change occurs in temperature, it melts and activates protein production.^[2]C. reinhardtii's RNA thermometer research is the entryway to observing the chloroplast of photosynthetic organisms for gene regulation and how it can be used for agriculture at some point in the future since it helps plants get accustomed to external temperature.^[2]

Most known RNA thermometers are located in the 5′ untranslated region (UTR) of messenger RNA encoding heat shock proteins—though it has been suggested this fact may be due, in part, to sampling bias and inherent difficulties of detecting short, unconserved RNA sequences in genomic data.^[17][18]

Though predominantly found in prokaryotes, a potential RNA thermometer has been found in mammals including humans.^[19] The candidate thermosensor heat shock RNA-1 (HSR1) activates heat-shock transcription factor 1 (HSF1) and induces protective proteins when cell temperature exceeds 37 °C (body temperature), thus preventing the cells from overheating.^[19]

The first RNA thermometer discovered in chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii, found in the 5'-UTR of the psaA mRNA. Its function was different especially because it was considered absent, it has a hairpin-type secondary structure that protects the Shine–Dalgarno sequence when temperature is low, but once a change occurs in temperature, it melts and activates protein production.^[2] C. reinhardtii's RNA thermometer research is the entryway to observing the chloroplast of photosynthetic organisms for gene regulation and how it can be used for agriculture at some point in the future since it helps plants get accustomed to external temperature.^[2]

ROSE elements, are a bacterial RNA thermometer class that regulates the activation of genes that have small heat shock proteins. It melts at a moderate level parallel to the increase of the temperature surrounding its environment. Once it fully melts at a high temperature of ~42 °C, it proceeds to release of Shine–Dalgarno and the AUG start codon. RNA Thermometers can also be found in some plant symbiotes or pathogens, symbiotes and pathogens use the RNA thermometers to regulate the plant's gene expression.^[3] A well studied symbiotic bacteria is the Rhizobiaceae family. In majority of the rhizobial species, ROSE elements (cis-acting) were visible controlling heat-shock genes.^[3]

RNA thermometers are structurally simple and can be made from short RNA sequences; the smallest is just 44 nucleotides and is found in the mRNA of a heat-shock protein, hsp17, in Synechocystis species PCC 6803.^[9] Generally these RNA elements range in length from 60 to 110 nucleotides^[21] and they typically contain a hairpin with a small number of mismatched base pairs which reduce the stability of the structure, thereby allowing easier unfolding in response to a temperature increase.^[17]

Detailed structural analysis of the ROSE RNA thermometer revealed that the mismatched bases are actually engaged in nonstandard basepairing that preserves the helical structure of the RNA (see figure). The unusual basepairs consist of G-G, U-U, and UC-U pairs. Since these noncanonical base pairs are relatively unstable, increased temperature causes local melting of the RNA structure in this region, exposing the Shine-Dalgarno sequence.^[20]

Some RNA thermometers are significantly more complex than a single hairpin, as in the case of a region found in CspA mRNA which is thought to contain a pseudoknot, as well as multiple hairpins.^[22][23]

Synthetic RNA thermometers have been designed with just a simple single-hairpin structure.^[24] However, the secondary structure of such short RNA thermometers can be sensitive to mutation, as a single base change can render the hairpin inactive in vivo.^[25]

RNA thermometers are found in the 5′ UTR of messenger RNA, upstream of a protein-coding gene.^[1] Here they are able to occlude the ribosome binding site (RBS) and prevent translation of the mRNA into protein.^[17] As temperature increases, the hairpin structure can 'melt' and expose the RBS or Shine-Dalgarno sequence to permit binding of the small ribosomal subunit (30S), which then assembles other translation machinery.^[1] The start codon, typically found 8 nucleotides downstream of the Shine-Dalgarno sequence,^[17] signals the beginning of a protein-coding gene which is then translated to a peptide product by the ribosome. In addition to this cis-acting mechanism, a lone example of a trans-acting RNA thermometer has been found in RpoS mRNA where it is thought to be involved in the starvation response.^[1]

A specific example of an RNA thermometer motif is the FourU thermometer found in Salmonella enterica.^[5] When exposed to temperatures above 45 °C, the stem-loop that base-pairs opposite the Shine-Dalgarno sequence becomes unpaired and allows the mRNA to enter the ribosome for translation to occur.^[25]Mg²⁺ ion concentration has also been shown to affect the stability of FourU.^[26] The most well-studied RNA thermometer is found in the rpoH gene in Escherichia coli.^[27] This thermosensor upregulates heat shock proteins under high temperatures through σ³², a specialised heat-shock sigma factor.^[13]

แม้ว่าโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับการแสดงออกของโปรตีนที่เกิดจากความร้อน แต่เทอร์โมมิเตอร์ RNA ยังสามารถควบคุมโปรตีนช็อกเย็นได้อีกด้วย^{[ 22 ]}ตัวอย่างเช่น การแสดงออกของโปรตีน 7 kDa สองชนิด ถูกควบคุมโดยเทอร์โมมิเตอร์ RNA ใน แบคทีเรียเทอร์ โมฟิลิกThermus thermophilus ^{[ 28 ]}และกลไกที่คล้ายกันนี้ได้รับการระบุ^ใน Enterobacteriales [ ^{23 ]}

เทอร์โมมิเตอร์ RNA ที่ไวต่ออุณหภูมิ 37 °C สามารถใช้โดยเชื้อโรคเพื่อกระตุ้นยีนเฉพาะการติดเชื้อได้^{[ 17 ]}ตัวอย่างเช่นการเพิ่มการแสดงออกของprfAซึ่งเข้ารหัสตัวควบคุมการถอดรหัสที่สำคัญของ ยีน ก่อโรคในListeria monocytogenesได้รับการพิสูจน์โดยการเชื่อมDNA 5′ ของprfAเข้ากับ ยีน โปรตีนเรืองแสงสีเขียวจากนั้นยีนที่เชื่อมกันจะถูกถอดรหัสจากโปรโมเตอร์ T7 ในE. coliและสังเกตพบการเรืองแสงที่ 37 °C แต่ไม่พบที่ 30 °C ^{[ 29 ]}

สมมติฐานโลกของ RNA ระบุว่า RNA เคยเป็นทั้งตัวนำข้อมูลทางพันธุกรรมและมีฤทธิ์ทางเอนไซม์โดยมีลำดับที่แตกต่างกันทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ ตัวควบคุม และเซนเซอร์^{[ 30 ]}จากนั้นสมมติฐานนี้เสนอว่าสิ่งมีชีวิตสมัยใหม่ที่ใช้ DNA, RNA และโปรตีนเป็นพื้นฐานได้วิวัฒนาการขึ้น และการคัดเลือกได้แทนที่บทบาทส่วนใหญ่ของ RNA ด้วยโมเลกุลชีวภาพ อื่นๆ ^{[ 4 ]}

เทอร์โมมิเตอร์ RNA และไรโบสวิตช์นั้นเชื่อกันว่ามีวิวัฒนาการมาอย่างยาวนานเนื่องจากการกระจายตัวอย่างกว้างขวางในสิ่งมีชีวิตที่มีความสัมพันธ์ห่างไกลกัน^{[ 31 ]}มีการเสนอว่าในโลกของ RNA เทอร์โมเซนเซอร์ RNA น่าจะมีหน้าที่ในการควบคุมโมเลกุล RNA อื่นๆ ที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ^{[ 4 ] [ 32 ]}เทอร์โมมิเตอร์ RNA ในสิ่งมีชีวิตสมัยใหม่อาจเป็นฟอสซิลโมเลกุลที่อาจบ่งบอกถึงความสำคัญที่เคยแพร่หลายในโลกของ RNA มาก่อน^{[ 4 ]}

• ปัจจัยการถอดรหัส PIF7 ในArabidopsis thalianaมีเทอร์โมสวิตช์ RNA ใน 5' UTRที่ช่วยเพิ่มการสังเคราะห์โปรตีนที่อุณหภูมิสูงขึ้น ช่วยให้พืชปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็ว^{[ 33 ]}
• องค์ประกอบควบคุมซิสของ Hsp90ควบคุมhsp90ในDrosophilaเพิ่มอัตราการแปลโปรตีนช็อกความร้อนที่อุณหภูมิสูง^{[ 6 ]}
• โอเปรอนibpAB ของE. coliคาดว่าจะประกอบด้วยเทอร์โมมิเตอร์ RNA สองตัวที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่องค์ประกอบ ROSEและเทอร์โมมิเตอร์IbpB ^{[ 34 ]}
• ROSE ₁และ ROSE _AT2พบในไฮโฟไมโครเบียลBradyrhizobium japonicumและAgrobacterium tumefaciensตามลำดับ พวกมันมีอยู่ใน 5′ UTR ของ mRNA ของ HspAและยับยั้งการแปลโปรตีนช็อกความร้อนที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา^{[ 7 ] [ 35 ]}
• เทอร์โมมิเตอร์ RNA ของไซยาโนแบคทีเรีย
• เทอร์โมมิเตอร์ RNA ระหว่างยีน
• เทอร์โมมิเตอร์ RNA ของ Neisseria
• เทอร์โมมิเตอร์ Lig RNA