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钱书兵课题组阐明5’UTR在mRNA翻译以及降解中的作用

已有 637 次阅读 2020-7-30 08:45 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

核糖体对mRNA的正确解码以及降解因子对mRNA的有效淘汰构成了基因表达的转录后调控。在真核细胞中,单个mRNA翻译和降解的速率是高度相关的。

 

实验证据表明,在整个转录组中这些速率之间存在复杂的关系。通常认为有效的翻译通常可保护mRNA免受降解,mRNA监测通路则依赖核糖体降解有缺陷的mRNA

 

然而,越来越多的证据表明,密码子的优劣是mRNA稳定性的另一个决定因素,核糖体停滞则会促进mRNA的降解。

 

尽管翻译延伸中的核糖体在mRNA质量控制中起着至关重要的作用,翻译启动阶段是否会影响mRNA稳定性还存在一些不确定性。

 

真核翻译通常起始于依赖于帽子结构的核糖体募集、扫描和起始密码子选择 5'UTR区域包含了翻译调控的关键要素,例如结构功能域和uORF

 

通过控制翻译起始位点(TIS)的选择,5'UTR中的许多序列元件有助于mRNA的翻译。先前的研究通过报告基因检测系统,已经尝试过探索翻译起始的调控代码。

 

但是,潜在起始位点(alternative TIS)通过滞留核糖体与主要起始密码子竞争,所以很难从alternative TIS中剖析uORF对翻译的影响。此外,改变 5'UTRmRNA稳定性的潜在影响一直还未被研究。

 

系统研究5'UTR调节元件将有助于揭示翻译起始与mRNA降解之间的逻辑和机制关系。更重要的是通过在5'非翻译区(5'UTR)中系统改变序列元件来精确控制蛋白质合成也仍然是一个难题。

 

为了加快5'UTR调控代码的理解,美国康奈尔大学钱书兵团队设计合成了以mRNA文库为基础的大规模双重报告基因检测系统。

 

相关研究论文于2020727日发表于《自然结构与分子生物学》。康奈尔大学钱书兵教授为论文通讯作者,博士后贾龙飞、毛圆辉为共同第一作者。

 

 

该文库由超过一百万个5'UTR变体组成,由10个随机核苷酸序列嵌入的上游开放阅读框(uORF)和下游主要开放阅读框GFP组成。

 

首先通过流式细胞分选(FACS分别富集了促进uORFGFP表达的序列同时通过蔗糖梯度离心富集与核糖体或多核糖体结合的mRNA并计算了细胞(以及不存在翻译的细胞裂解液)中的mRNA稳定性来研究翻译和mRNA稳定性之间的相关性。

 

研究团队发现在哺乳动物细胞uORF中的随机10个核苷酸序列产生了范围极广的翻译产出和mRNA稳定性。即有效的翻译可以保护mRNA免受降解,而uORF翻译则以依赖UPF1的方式触发mRNA的降解。

 

同时还确定了RNA G-四链体 (RG4)的翻译抑制元件,并可以介导mRNAP小体中降解。

 

此外,通过添加无功能的ApppG cap帽子结构类似物研究不依赖于帽子结构翻译5'UTR中富含A的元件(poly A tract)在翻译抑制的情况下会破坏mRNA的稳定,尽管它能够促进不依赖帽子结构的翻译。

 

该结果不仅鉴定出了可控制mRNA翻译的5'UTR中多种序列特征,而且还揭示了核糖体依赖性和核糖体非依赖性的mRNA监测途径。

 

总结起来,通过这些数据得出了以下发现:

 

1. 翻译起始效率既取决于起始密码子又取决于上下游序列

2. 主要ORF的有效翻译可保护mRNA免受降解

3. uORF翻译导致将mRNA靶向无义介导的mRNA降解. NMD

45'UTR内的RG4阻止翻译并破坏mRNA的稳定性

5. 5'UTRpolyA tract序列可作为内部核糖体进入位点IRES并促进不依赖帽的翻译和稳定mRNA

 

该研究发现,监测uORF翻译情况并评估翻译起始与mRNA降解之间关系的报告基因系统非常有效避免使用质粒报告基因检测系统可以排除转录对报告基因的影响


相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41594-020-0465-x




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