细菌生存的营养环境不断变化，经常被迫处于各种营养物质应激中。细菌在生长过程中代谢物质的累积和营养元素含量的变化都能引起应激反应。例如，磷酸葡萄糖糖应激、铁应激、氨基酸应激等。为了应对这些应激环境，细菌必须通过精细的调控系统来调节营养的吸收及代谢。以往的研究多关注蛋白质水平的基因表达调控，然而近年来越来越多的研究表明sRNA对细菌的生长繁殖、快速适应外界环境变化及调节营养代谢起着重要的作用^{[1, 2, 3]}。sRNA可作用于多个靶点，而且sRNA无需翻译成蛋白质，在RNA水平即可发挥作用，再加上RNA的半衰期短，因此sRNA通常能够更精确、迅速地调节多种基因的表达，比蛋白质水平的基因调控更具有优势。所以，生物体内的sRNA的鉴定及其调控机制的研究已成为新的研究热点。

细菌sRNA是一类非编码RNA，广泛存在于真核和原核生物中，在细胞生长繁殖过程中发挥着重要的生物学功能。细菌sRNA有以下特点：（1）长度多为50-500 nt。（2）多位于编码基因间隔区，少数位于mRNA 的5'或3'非编码区域（non-coding region，NCR）。（3）稳定性多依赖于RNA分子伴侶蛋白Hfq（a host factor for RNA phage QP）。（4）转录通常开始于一段能折叠成稳定茎环结构的序列，终止于Rho非依赖转录终止因子；由于茎环结构有助于稳定整个RNA分子的结构，因此大多数sRNA明显比mRNA稳定。（5）一个sRNA可调控一个或多个靶点，一个靶点也可受到多个sRNA的调控。（6）细菌sRNA主要由细菌染色体编码，少部分源于质粒、噬菌体或转座子^[4]。

随着生物信息学技术和实验方法的迅速发展，迄今发现的细菌sRNA已超过200个，其中来自大肠杆菌的sRNA就超过100种。在其他细菌中也发现一些sRNA，如枯草芽孢杆菌、霍乱弧菌、铜绿假单胞菌、葡萄球菌和单核细胞增生性李斯特菌等。根据sRNA作用机制及生物学功能不同，目前可以把细菌sRNA分为5种类型。

这类sRNA本身具有酶活性或者作为核糖核蛋白的组成部分发挥功能，此类sRNA是细菌生命活动所必需的，其表达水平相对较高。目前至少发现3种该类型的sRNA，包括具有酶催化活性并形成RNaseP的催化亚单位M1RNA、转运信使（transfer messenger RNA，tmRNA）及组成核糖核蛋白复合物的4.5S RNA^{[5, 6]}。

目前已发现的细菌sRNA大部分属于此类，也是研究得最清楚的一类sRNA。此类sRNA能与靶mRNA通过不完全碱基互补配对结合，阻断mRNA与核糖体结合进而阻断翻译过程来抑制靶基因的表达^[7]。少数反式编码sRNA与靶mRNA结合后，可通过RNase E 降解 mRNA 而降低靶基因的表达水平^[8]。其大部分需要通过与RNA伴侣Hfq结合而发挥作用^[9]。这类sRNA通常参与细菌的代谢和环境应激调控。

顺式编码sRNA由靶基因的反义链编码，这种sRNA能与靶mRNA完全互补配对，通过促进转录衰减、抑制翻译、促进靶基因降解来发挥调控功能^[10]。多数顺式编码sRNA来自于质粒、转座元件或噬菌体^[11]，近年来细菌染色体来源的sRNA也逐渐被发现^[12]。例如，许多染色体顺式编码sRNA能够调节对细胞有毒性的小疏水性蛋白的表达，被认为是抗毒因子^[13]。

这类 sRNA通过与蛋白质相互作用来调节靶蛋白生物活性。目前研究比较透彻的有CsrB、CsrC、GlmY和6S RNA^[14]。例如，CsrB和CsrC sRNA与全局转录后调控因子CsrA蛋白相互作用抑制CsrA活性，竞争性使CsrA与靶mRNA 5'UTR（untranslated regions）结合减少，从而影响下游基因的表达。

核糖开关是一类非编码RNA，多数位于mRNA 的 5'UTR 区，主要由适体平台（aptamer platform）和表达平台（expression platform）两部分组成。它能通过感知小分子代谢物浓度的变化在转录和翻译两种水平上调控基因的表达。在转录水平上，配体结合适体平台后，表达平台构象改变，促使或扰乱表达平台中内源性终止子的形成，导致下游基因转录提前终止或继续延伸；在翻译水平上，配体与适体结合，改变核糖体结合位点处核酸序列的二级结构，这种二级结构暴露或者隐藏 SD 序列从而改变核糖体的结合状态，进而激活或者终止翻译的进行^[15]。

铁是细菌生命活动所必需的营养元素，含量过低会影响细菌的正常代谢，含量过高则会对细菌产生毒害作用，因此细菌必须及时调节菌体内的铁离子浓度。大部分细菌铁的吸收和利用受到负调控因子铁吸收调控蛋白Fur（ferric uptake regulator）的调控。当环境中铁丰富时，Fur与Fe²⁺结合，Fur蛋白被激活，直接抑制一系列与铁吸收有关蛋白的表达，减少细菌对铁的摄入量；同时激活一系列储铁蛋白和非必需铁硫蛋白基因的表达，增加体内对铁的储存和利用，防止过量铁对细胞毒害作用^[16]。

长期困惑人们的问题是，负调控因子Fur是如何调控上述基因的表达。随着小RNA调节子RyhB 的发现和深入研究，这个问题得到了解释：RyhB是一类长度为90 nt的小RNA，它通过碱基互补配对与铁储存蛋白（如Bfr）和非必需的铁硫蛋白（如超氧化物歧化酶sodB，sdhCDAB操纵子等）的mRNA在核糖体结合位点附近结合，降低靶mRNA稳定性及翻译效率，减少体内铁的储存和利用^[17]。当环境铁剩余时，Fur与Fe²⁺结合并被活化，直接抑制参与铁吸收和转运的基因表达，减少细菌对铁的摄入量；与此同时，活化后的Fur结合到RyhB启动子上，RyhB的表达受到抑制，细菌体内编码铁储存蛋白和铁硫蛋白的基因得到表达，消耗利用铁离子，将细胞内铁浓度维持在一个正常的水平。当环境铁不足时，Fe²⁺与Fur分离，Fur处于失活状态，直接促进铁的吸收和转运，增加细菌对铁的摄入量，与此同时，RyhB表达量增加，抑制铁储存蛋白和铁硫蛋白的合成，减少体内对铁的消耗和储存^[18]。负调控因子 Fur在RyhB的帮助下，将细胞内的铁离子浓度维持在一个恒定的范围，保证了细菌生命活动的正常进行。有研究表明，当ryhB 基因缺失后，细菌不能在铁缺乏的环境下生存^19[19]。

此外，在其他菌属中也陆续发现与RyhB功能类似的sRNA，如铜绿假单胞菌中的PrrF1、PrrF2和PrrF^[20]，芽孢杆菌FsrA^[21]，脑膜炎奈瑟氏菌NrrF^[22]。

许多细菌都是通过磷酸烯醇丙酮酸转移酶系统（phosphoenolpyruvate phosphotransferase system，PTS）吸收葡萄糖^{[23, 24]}。在吸收葡萄糖的过程中伴随产生大量的磷酸葡萄糖或磷酸葡萄糖代谢物（如G-6-P、αMG-6-P、2DG-6-P等）。然而磷酸葡萄糖在细胞内累积会使细胞受损，即磷酸葡萄糖应激。Aiba等^[25]发现，大肠杆菌在这种应激条件下，大部分编码葡萄糖转运子基因ptsG的mRNA发生降解，从而减少对葡萄糖的吸收，降低G-6-P水平。有意思的是，这种调控作用需要Hfq参与，这提示可能有sRNA参与。通过Hfq共免疫沉淀方法发现了这种调节磷酸葡萄糖应激的sRNA-SgrS。诱导表达的SgrS能引起ptsG mRNA快速降解，反之，敲除sgrS基因能遏制由磷酸葡萄糖应激引起的ptsG的下调^[26。

SgrS是一个大小为 227 nt的反式编码小 RNA，在磷酸葡萄糖应激中发挥重要的调控功能。SgrS 能负向调控数种靶mRNA的表达，其中研究最多的是ptsG mRNA，其能编码葡萄糖转运子IICB^Glc。SgrS 3'端有6 nt与ptsG mRNA 互补配对，其中包含部分SD序列^[27]。这样，SgrS 阻止ptsG mRNA与核糖体结合，并能同时使ptsG mRNA 被Hfq蛋白与 RNaseE 形成的降解复合体所降解，从而进一步阻止新的IICB^Glc合成，最终降低体内磷酸葡萄糖的水平，减弱对细胞的损伤^[28]。与此同时，SgrS 5'端还能编码一段小肽SgrT，抑制IICB^Glc的活性，阻止磷酸葡萄糖的进一步增加^[29]。值得一提的是sRNA在降解靶 mRNA的同时，其自身也降解。这样当细胞内磷酸葡萄糖恢复正常生长状态时，SgrS的水平也随之降低，其负调节pstG mRNA的功能也终止。

最近研究发现，SgrS也在转录后水平上负向调控manXYZ mRNA的表达，后者编码PTS转运子EIIABCD^{Man[30, 31]}。EIIABCD^Man能转运多种糖分子到菌体内，如甘露糖、葡萄糖、甲基葡萄糖和脱氧葡萄糖。与SgrS调控ptsG 翻译机制相比，SgrS对manXYZ mRNA的调控机制显得稍复杂。manXYZ mRNA上有两个独立的SgrS结合位点：第一个结合位点位于manX起始编码子下游20-30 nt，SgrS与其碱基配对结合后可抑制manX的翻译，但是不能抑制manY或manZ的翻译；第二个结合位点在manX-manY基因间隔区，SgrS与之结合后能进一步抑制manY和manZ翻译。SgrS同时结合这两个位点后才能诱导manXYZ降解^[32]，阻止合成新的EIIABCD^Man，从而阻止磷酸葡萄糖在菌体中进一步累积。

碳是细菌生长必需的元素，是蛋白质、核酸、脂类和酶类及菌体结构的重要原料，同时又能为细菌提供能量。碳存储调控因子A（CsrA）由 61 个氨基酸残基组成的小分子翻译调控蛋白，于1993年在大肠杆菌中被发现，能参与碳源代谢的调节^[33]。一方面，CsrA通过与glgC（编码糖原合成相关酶）和fbp（编码果糖二磷酸激酶-1）mRNA的非翻译区或翻译起始区（如SD序列处）结合，降低mRNA的稳定性和阻碍核糖体对mRNA的正常识别，抑制糖原合成及糖异生；另一方面，CsrA能与pykF、pfkB（编码糖酵解丙酮酸激酶同工酶F和A）和pfkA、pfkB（编码磷酸果糖激酶同工酶I 和 II）mRNA的5'非翻译区碱基配对结合，增强mRNA的稳定性，从而提高目标蛋白质的表达，促进糖酵解及乙酸代谢^{[34, 35]}。

那么，CsrA 的活性又是如何被调控的呢？当细菌碳源不足时，细菌通过双组分调节系统（two component regulatory system，TCS）上调sRNA CsrB和CsrC的转录水平^[36]。CsrB和CsrC能特异地与CsrA蛋白分子结合，抑制CsrA蛋白的活性。因此CsrA蛋白对靶基因的调节作用减弱，间接抑制糖酵解并且激活糖异生途径，从而增加菌体内碳含量。当碳源充足时，CsrB和CsrC能被CsrD通过RNaseE介导途径降解^[37]。

此外，在其他的细菌（如中华根瘤菌、软腐欧文菌等）中也发现CsrA同源蛋白RsmA（repressor of secondary metabolism）^[38]，二者在氨基酸序列上高度保守，现在统称为CsrA/RsmA，且也含有功能类似于CsrB/C的sRNA-RsmY/Z。

新月柄杆菌是一种营养匮乏菌，它能在养分少的环境中生存，但是关于它如何在贫瘠的环境中生存的分子机制知之甚少。直到最近有研究发现，当碳饥饿和进入稳定期时，新月柄杆菌大量合成一种sRNA-CrfA，表明CrfA可能与新月柄杆菌碳应激调控网络有关。进一步研究发现CrfA 能显著激活27种基因，这些靶基因中有1/3能编码TonB-依赖受体家族^[39]，其中TonB-依赖受体——CC3461与碳源麦芽糊精和n-乙酰氨基葡萄糖的吸收有关。CrfA能与CC3461核糖体结合位点上游的茎环结构结合，抵抗核酸酶的降解，增强CC3461 mRNA稳定性，从而促进新月柄杆菌对碳源的吸收。

由于氨基酸是蛋白质合成不可或缺的成分，同时也是其他细胞内成分如核苷酸和酶辅助因子的前体，因此氨基酸代谢必须被精确的调节。目前有研究发现小RNA也参与对氨基酸吸收的调控。例如，gcvB合成一种206 nt sRNA-GcvB，其能调控氨基酸和多肽转运子相关基因的表达。gcvB的表达受GvcA和GcvR两种转录因子调控。在氨基酸或者多肽剩余状态下，GvcA蛋白结合于转录起始点的上游 -29 至 -76区间上，激活gcvB的转录，GcvB得以表达^[40]。GcvB能通过与多肽和氨基酸转运相关基因（如dppABCDF操纵，gltI、argT、livK和sstT等）mRNA的5'UTR区结合抑制其翻译，进而阻止氨基酸和多肽进入细胞内^[41]。反之，GcvA 和GcvR共同作用于GcvB mRNA，GcvB 的表达受到抑制，促进氨基酸和多肽的吸收。在缺乏嘌呤时，这种抑制作用被进一步增强^[42]。

同时也有研究发现，CsrA也参与氨基酸代谢调节。在氨基酸饥饿时，CsrB和CsrC大量表达，当向基础培养基中加入酪蛋白水解物，胰蛋白胨或者纯氨基酸混合物后，CsrB和 CsrC RNA的表达迅速减少^[43]。然而通过氨基酸如何抑制CsrB和CsrC的表达机制尚不清楚。

sRNA作为原核生物中新发现的一类基因表达调控因子，通过感应外界环境条件，在转录后水平调节基因的表达，目前已成为新的研究热点。虽然已分离的sRNA种类很多并不断被人们认知，但大多数sRNA功能未知，其作用机制及其调控网络研究仍然处于初级阶段。因此，深入认识这些 sRNA 可能开辟出一个新的研究领域。

细菌耐药性的产生与细菌适应生长环境紧密相连，其调控机制符合sRNA的作用特点。因此我们猜测细菌对抗生素的耐受可能与sRNA有关。然而目前大部分对细菌sRNA的研究主要都集中在大肠杆菌等模式生物，而针对耐药致病菌的sRNA 研究几乎是一片空白。本实验室正在做相关方面的研究。随着研究的深入，将会有越来越多的研究转向sRNA对细菌耐药性的调控机制，为临床治疗耐药菌感染提供新的治疗靶点和治疗策略。