美國(guó)杜克大學(xué)董欣年教授研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection的研究論文【7】。

該團(tuán)隊(duì)結(jié)合了高分辨率的翻譯組學(xué)和結(jié)構(gòu)組學(xué)技術(shù)，首次揭示了植物免疫過(guò)程中，mRNA的結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)了翻譯起始密碼子的選擇，由此促進(jìn)抗病相關(guān)的mRNA翻譯效率提高，增強(qiáng)了植物的抗病性。

研究團(tuán)隊(duì)首先分別對(duì)正常生長(zhǎng)條件下（mock）和免疫過(guò)程中（elf18 treated）的擬南芥進(jìn)行了高精度的核糖體印記測(cè)序。他們發(fā)現(xiàn)，在免疫過(guò)程中，有1157個(gè)mRNA的開(kāi)放閱讀框的翻譯水平顯著升高。

有趣的是，這些被免疫信號(hào)激活的mRNA的5’端前導(dǎo)序列富集了uAUG。在正常生長(zhǎng)下，這些uAUG能被翻譯起始復(fù)合物識(shí)別并翻譯uORF，導(dǎo)致下游正常的開(kāi)放閱讀框的翻譯水平很低，從而有效抑制了免疫基因在植物正常生長(zhǎng)時(shí)被大量翻譯。更有趣的是，在病菌處理一小時(shí)之后，這些免疫mRNA的uAUG變得不容易被翻譯起始復(fù)合物識(shí)別，導(dǎo)致其下游的開(kāi)放閱讀框的翻譯水平迅速提高，產(chǎn)生大量免疫蛋白，幫助植物抵御病菌侵染。那么，是mRNA的什么特征決定了起始密碼子的動(dòng)態(tài)識(shí)別？

通過(guò)與北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的 Kevin Weeks 實(shí)驗(yàn)室合作，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了In planta SHAPE-MaP技術(shù)，可以在體內(nèi)單堿基分辨率上解析RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，在正常生長(zhǎng)條件下，這些uAUG的下游具有穩(wěn)定的RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這些發(fā)夾結(jié)構(gòu)可以有效減緩翻譯起始復(fù)合物的行進(jìn)，從而促使其更好地識(shí)別uAUG，并從uAUG起始翻譯，進(jìn)而抑制下游正常開(kāi)放閱讀框的翻譯。

該團(tuán)隊(duì)還與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強(qiáng)鋒實(shí)驗(yàn)室合作，基于RNA的序列和結(jié)構(gòu)信息，開(kāi)發(fā)出能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)翻譯起始位點(diǎn)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，揭示了翻譯起始位點(diǎn)下游的序列和結(jié)構(gòu)特征，并探究了RNA結(jié)構(gòu)對(duì)于翻譯起始的重要性。

該研究進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，植物在病菌處理后，RNA解旋酶（RH37）的翻譯水平迅速升高，這種酶結(jié)合在翻譯起始復(fù)合物中，能有效地解開(kāi)uAUG下游穩(wěn)定的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致uAUG不再被識(shí)別，從而促進(jìn)下游免疫蛋白的翻譯。由此，他們將這種全新的動(dòng)態(tài)翻譯調(diào)控元件命名為uAUG-ds（double-stranded RNA structures downstream of uAUGs）。

為了驗(yàn)證uAUG-ds作為一種翻譯調(diào)控元件的普適性，該團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)組成性表達(dá)基因Tubulin beta-7（TUB7），TUB7 mRNA的5'端前導(dǎo)序列組成單一，沒(méi)有已知的翻譯調(diào)控元件，也不被免疫信號(hào)激活。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把uAUG-ds放進(jìn)TUB7 mRNA的5'端前導(dǎo)序列后，該mRNA的正常開(kāi)放閱讀框的翻譯水平在植物正常生長(zhǎng)時(shí)被顯著抑制，并且變得能被免疫信號(hào)激活。除此之外，該團(tuán)隊(duì)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了uAUG-ds的存在，并驗(yàn)證了其功能。

綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了植物免疫過(guò)程中，uAUG-ds能動(dòng)態(tài)地調(diào)控翻譯起始密碼子的選擇（圖1）：在正常生長(zhǎng)時(shí)，uAUG-ds的存在可以有效減緩翻譯起始復(fù)合物的行進(jìn)，從而促使其更好地識(shí)別uAUG并翻譯uORF，進(jìn)而抑制下游正常的開(kāi)放閱讀框翻譯出免疫蛋白。當(dāng)病菌侵染時(shí)，RNA解旋酶的表達(dá)迅速升高，這種酶結(jié)合在翻譯起始復(fù)合物中，能有效地解開(kāi)uAUG-ds，導(dǎo)致uAUG不再被識(shí)別，從而促進(jìn)下游免疫蛋白的翻譯。有趣的是，這種解旋酶在真核生物中的進(jìn)化極其保守，暗示了這種調(diào)控模式的保守性。

該研究開(kāi)發(fā)的翻譯起始位點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型也會(huì)在未來(lái)更好地幫助翻譯起始位點(diǎn)的預(yù)測(cè)和uAUG-ds的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到精準(zhǔn)地調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯的目的。

圖1：uAUG-ds動(dòng)態(tài)調(diào)控起始密碼子選擇的模式圖

值得一提的是，Nature 期刊同期發(fā)表了題為：Dynamic regulation of messenger RNA structure controls translation 的評(píng)論文章，介紹了這項(xiàng)新工作。

杜克大學(xué)生物系的博士畢業(yè)生項(xiàng)耶子為論文的第一作者。杜克大學(xué)生物系杰出講座教授、美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、美國(guó)科學(xué)院院士董欣年教授為論文的通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的張強(qiáng)鋒副教授、黃文澤博士，杜克大學(xué)藥理學(xué)與癌癥生物學(xué)中心的譚連美博士，杜克大學(xué)生物系的陳天元博士、何洋博士，北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的Kevin Weeks教授、Patrick S. Irving均參與了此項(xiàng)工作。

參考文獻(xiàn)：

1. Hinnebusch, A. G. The scanning mechanism of eukaryotic translation initiation. Annu. Rev. Biochem. 83, 779-812 (2014).

2. Zhang, H. Wang, Y., Wu, X., Tang, X., Wu, C. & Lu, J. . Determinants of genome-wide distribution and evolution of uORFs in eukaryotes. Nat. Commun. 12, 1076 (2021).

3. Calvo, S. E., Pagliarini, D. J. & Mootha, V. K. Upstream open reading frames cause widespread reduction of protein expression and are polymorphic among humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 7507-7512 (2009).

4. Hinnebusch, A. G. Translational regulation ofGCN4 and the general amino acid control of yeast.Annu. Rev. Microbiol. 59, 407-450 (2005).

5. Schulz, J. et al. Loss-of-function uORF mutations in human malignancies.Sci. Rep. 8, 2395 (2018).

6. Vattem, K. M. & Wek, R. C. Reinitiation involving upstream ORFs regulatesATF4 mRNA translation in mammalian cells.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 11269-11274 (2004).

7. Xiang, Y. et al. Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection. Nature In press (2023)