被忽略的翻譯調(diào)控

在研究編碼基因表達(dá)豐度的時(shí)候，我們實(shí)際上最關(guān)心的中心法則的終產(chǎn)物——蛋白，而不是中間產(chǎn)物mRNA。但由于檢測(cè)的便利性，使用最普遍的卻是轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）。

這意味著，在這種情況下我們將基因的轉(zhuǎn)錄豐度看作是功能產(chǎn)物——蛋白的豐度。顯而易見，這種替代式的方法（把mRNA當(dāng)成蛋白）是有很大誤差的。因?yàn)?，?xì)胞內(nèi)的mRNA不是以相同的速率被翻譯的，mRNA的豐度并不一定能反應(yīng)基因在細(xì)胞內(nèi)行使功能的狀態(tài)。

也就是說，細(xì)胞中有多少mRNA本身沒有意義，大部分mRNA只有被真正翻譯為蛋白才能行使真正的作用。那么這個(gè)關(guān)鍵步驟是什么呢？當(dāng)然就是翻譯的過程。

圖1 RNA只是中心法則的中間狀態(tài)，而不是終點(diǎn)

翻譯的過程是什么樣的

翻譯的過程是什么樣的呢？基本過程包括：

mRNA的5’帽子結(jié)構(gòu)或IRES序列（核糖體進(jìn)入位點(diǎn)序列），引導(dǎo)核糖體復(fù)合物與mRNA分子結(jié)合。mRNA分子被夾在核糖體蛋白大亞基和小亞基之間。

核糖體在mRNA分子上滑動(dòng)。根據(jù)mRNA的三聯(lián)密碼子模式，核糖體每移動(dòng)3個(gè)堿基，將會(huì)停頓一次，然后tRNA會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)對(duì)應(yīng)匹配的氨基酸過來，進(jìn)行一次肽段延伸（加一個(gè)氨基酸），依次不斷重復(fù)。

當(dāng)核糖體遇到終止密碼子或其他因素刺激后，翻譯終止。那么，核糖體將從mRNA上分離，一條新生肽段將宣告合成完畢。

備注：當(dāng)然，大部分肽段還需要后期的加工，形成高級(jí)三維結(jié)構(gòu)，才能成為真正有功能的蛋白。但蛋白的豐度，大部分是由翻譯這一步?jīng)Q定的。

圖2 mRNA和核糖體結(jié)合的示意圖

不同mRNA分子的翻譯速率差異極大

另外，我們要摒棄1個(gè)mRNA分子同時(shí)只能合成一條肽段的想法。因此，正在翻譯的mRNA分子，大部分時(shí)候同時(shí)被多個(gè)核糖體結(jié)合（如下圖）。如果把1條mRNA看成一條流水線的話，這條流水線可不僅僅只有1個(gè)工人（核糖體），而是有幾個(gè)工人同步開工的。

圖3 一條mRNA上可以同時(shí)結(jié)合多個(gè)核糖體

因此，在細(xì)胞內(nèi)部從mRNA到蛋白的過程，是個(gè)充滿變數(shù)的過程，這一點(diǎn)早有不止一篇文獻(xiàn)報(bào)道。如下圖來源一篇nature文章的結(jié)果。

（1）如下圖（a），蛋白半衰期中位數(shù)是46h，而mRNA僅僅為9h。

（2）在平均豐度上，來源一個(gè)基因的mRNA分子在一個(gè)細(xì)胞內(nèi)拷貝數(shù)的中位數(shù)是17，而蛋白卻高達(dá)50,000（圖b）。

（3）在合成速率上，一個(gè)基因DNA分子平均一個(gè)小時(shí)僅僅可以合成數(shù)個(gè)mRNA分子（圖c）。但蛋白合成卻是踩足了油門，1個(gè)mRNA分子一個(gè)小時(shí)平均可以合成上百個(gè)蛋白分子，最高可以到上萬（圖d）。

PS：當(dāng)然，這種豐度上的差異主要是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)核糖體復(fù)合物的數(shù)量要大大高于RNA聚合酶復(fù)合物（在大腸桿菌細(xì)胞中，核糖體的數(shù)量約為10,000~100,000個(gè)，而RNA聚合酶復(fù)合物的數(shù)量約為1,000~10,000）。因此，在單個(gè)RNA轉(zhuǎn)錄組和單個(gè)蛋白分子翻譯速率相似的情況下，整個(gè)細(xì)胞水平的轉(zhuǎn)錄和翻譯速率則有巨大差異。

圖4 蛋白無論從半衰期、合成速率和分子數(shù)上與mRNA都存在數(shù)量級(jí)的差異。（SchwanhausserB, Busse D, Li N, et al. Nature, 2011, 473(7347): 337-342）

從這里我們可以看出，從mRNA到蛋白的翻譯過程，還有大量變數(shù)。mRNA低豐度的基因，完全可以通過瘋狂翻譯產(chǎn)生大量蛋白分子，實(shí)現(xiàn)咸魚翻身。mRNA高豐度的基因，如果在翻譯階段被踩一腳剎車，那么在蛋白階段也可能跌入低谷。這就是翻譯調(diào)控，可以在不改變轉(zhuǎn)錄豐度的前提下，快速應(yīng)答從而改變蛋白的豐度。

在1個(gè)mRNA分子內(nèi)部，翻譯也不是勻速的

正如上文提到的，翻譯有3個(gè)關(guān)鍵步驟，包括：翻譯起始，翻譯延伸和翻譯終止。那么，如果一個(gè)mRNA一旦核糖體結(jié)合，是不是就意味著大局已定，宣告一條肽段即將合成了呢？No，依然有變數(shù)。

有實(shí)驗(yàn)推算，小鼠細(xì)胞中單個(gè)核糖體翻譯蛋白的速率大概是6個(gè)氨基酸/秒（Cell147, 789–802, November 11, 2011），但這種速度并非是勻速的。在現(xiàn)實(shí)的公路中，車流順暢的時(shí)候，公路上車流速度快但公路上反而顯得車少。如果道路施工而導(dǎo)致?lián)矶?，車流速度降低了而路上顯得堵滿了汽車。

在翻譯過程中，我們也可以看到類似的現(xiàn)象。我們可以把mRNA看成公路，核糖體看成在mRNA這條“公路”上行駛的汽車。一般而言，在一個(gè)mRNA轉(zhuǎn)錄本內(nèi)部，在翻譯速度較快的密碼子位置，核糖體快速掃過而較少停留，所以核糖體足跡較少（即ribo-seq信號(hào)弱）。

相反，出現(xiàn)核糖體翻譯速率降低甚至?xí)和５膮^(qū)域，則核糖體足跡反而增多（ribo-seq信號(hào)強(qiáng)）。以下圖小鼠基因Xbp1為例，核糖體在該基因上足跡明顯呈波動(dòng)變化。尤其在第256個(gè)氨基酸（天冬氨酸，Asn）的位置，出現(xiàn)了翻譯暫停，所以核糖體足跡的信號(hào)驟然提高。

圖5 現(xiàn)實(shí)公路與核糖體在小鼠基因Xbp1上翻譯速率的波動(dòng)變化

（Cell147, 789–802, November 11, 2011）

在不同基因內(nèi)部，這種翻譯速率變化的規(guī)律各不相同。另外，個(gè)體在不同的條件下（發(fā)育不同階段、逆境脅迫、遺傳背景差異），mRNA分子在翻譯不同階段（起始、延伸和終止）都可能會(huì)受不同因素的影響，從而導(dǎo)致整條mRNA鏈上的翻譯速度發(fā)生不斷變化。

在一些嚴(yán)重脅迫條件下，核糖體不但會(huì)在翻譯延伸過程中暫停，甚至?xí)膍RNA上中途脫落，從而導(dǎo)致特定蛋白的翻譯量大大降低，從而在mRNA分子的豐度沒有發(fā)生顯著變化的情況下，蛋白的豐度卻發(fā)生了劇烈的變化。

圖6 在應(yīng)激條件下，基因翻譯延伸終止現(xiàn)象。

(a)熱應(yīng)激導(dǎo)致人和小鼠細(xì)胞在基因前200nt的位置出現(xiàn)翻譯停滯（MolecularCell, 2013, 49(3): 439-452.）; (b)過氧化氫脅迫導(dǎo)致Ribosome在酵母前150nt阻塞。(PNAS,109(43), 17394-17399.)

小結(jié)一下

（1）根據(jù)中心法則，mRNA只是基因表達(dá)的中間步驟，蛋白才是最核心的功能性產(chǎn)物。

（2）轉(zhuǎn)錄組之后的調(diào)控，還有很大的變數(shù)。

在細(xì)胞內(nèi)，mRNA的豐度與實(shí)際的翻譯豐度間有很大差異。翻譯的過程，包括了翻譯起始、延伸和終止等復(fù)雜的過程，任何一個(gè)過程受到干擾和調(diào)控都會(huì)顯著影響蛋白的豐度。

（3）如果條件許可，檢測(cè)翻譯豐度與檢測(cè)轉(zhuǎn)錄組豐度同等重要，甚至更重要。

檢測(cè)轉(zhuǎn)錄組豐度有RNA-seq，那么檢測(cè)翻譯豐度呢？則要使用Ribo-seq或RNC-seq。在后續(xù)文章，我們將會(huì)對(duì)這兩個(gè)技術(shù)逐步開展重點(diǎn)介紹。

基迪奧生物作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的翻譯組技術(shù)實(shí)驗(yàn)與生物信息服務(wù)商，將持續(xù)為你帶來針對(duì)這兩個(gè)技術(shù)的介紹。