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'UTR对mRNA稳定性的潜在影响一直还未被研究。

系统研究5'UTR中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。

为了加快对5'UTR中调控代码的理解，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2020年7月27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uORF或GFP表达的序列。同时通过蔗糖梯度离心富集与单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mRNA至P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）

4．5'UTR内的RG4可阻止翻译并破坏mRNA的稳定性

5. 5'UTR内polyA 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