美國杜克大學(xué)董欣年教授研究團隊在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection的研究論文【7】。
該團隊結(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程中，mRNA的結(jié)構(gòu)變化動態(tài)調(diào)節(jié)了翻譯起始密碼子的選擇，由此促進抗病相關(guān)的mRNA翻譯效率提高，增強了植物的抗病性。
研究團隊首先分別對正常生長條件下（mock）和免疫過程中（elf18 treated）的擬南芥進行了高精度的核糖體印記測序。他們發(fā)現(xiàn)，在免疫過程中，有1157個mRNA的開放閱讀框的翻譯水平顯著升高。
有趣的是，這些被免疫信號激活的mRNA的5’端前導(dǎo)序列富集了uAUG。在正常生長下，這些uAUG能被翻譯起始復(fù)合物識別并翻譯uORF，導(dǎo)致下游正常的開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時被大量翻譯。更有趣的是，在病菌處理一小時之后，這些免疫mRNA的uAUG變得不容易被翻譯起始復(fù)合物識別，導(dǎo)致其下游的開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態(tài)識別？
通過與北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的 Kevin Weeks 實驗室合作，研究團隊開發(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的二級結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，在正常生長條件下，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，從而促使其更好地識別uAUG，并從uAUG起始翻譯，進而抑制下游正常開放閱讀框的翻譯。
該團隊還與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強鋒實驗室合作，基于RNA的序列和結(jié)構(gòu)信息，開發(fā)出能準(zhǔn)確預(yù)測翻譯起始位點的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，揭示了翻譯起始位點下游的序列和結(jié)構(gòu)特征，并探究了RNA結(jié)構(gòu)對于翻譯起始的重要性。
該研究進而發(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uAUG下游穩(wěn)定的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致uAUG不再被識別，從而促進下游免疫蛋白的翻譯。由此，他們將這種全新的動態(tài)翻譯調(diào)控元件命名為uAUG-ds（double-stranded RNA structures downstream of uAUGs）。
為了驗證uAUG-ds作為一種翻譯調(diào)控元件的普適性，該團隊選取了一個組成性表達基因Tubulin beta-7（TUB7），TUB7 mRNA的5'端前導(dǎo)序列組成單一，沒有已知的翻譯調(diào)控元件，也不被免疫信號激活。該團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把uAUG-ds放進TUB7 mRNA的5'端前導(dǎo)序列后，該mRNA的正常開放閱讀框的翻譯水平在植物正常生長時被顯著抑制，并且變得能被免疫信號激活。除此之外，該團隊在哺乳動物細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了uAUG-ds的存在，并驗證了其功能。
綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了植物免疫過程中，uAUG-ds能動態(tài)地調(diào)控翻譯起始密碼子的選擇（圖1）：在正常生長時，uAUG-ds的存在可以有效減緩翻譯起始復(fù)合物的行進，從而促使其更好地識別uAUG并翻譯uORF，進而抑制下游正常的開放閱讀框翻譯出免疫蛋白。當(dāng)病菌侵染時，RNA解旋酶的表達迅速升高，這種酶結(jié)合在翻譯起始復(fù)合物中，能有效地解開uAUG-ds，導(dǎo)致uAUG不再被識別，從而促進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化極其保守，暗示了這種調(diào)控模式的保守性。
該研究開發(fā)的翻譯起始位點的預(yù)測模型也會在未來更好地幫助翻譯起始位點的預(yù)測和uAUG-ds的設(shè)計，從而達到精準(zhǔn)地調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯的目的。
圖1：uAUG-ds動態(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 的評論文章，介紹了這項新工作。
杜克大學(xué)生物系的博士畢業(yè)生項耶子為論文的第一作者。杜克大學(xué)生物系杰出講座教授、美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、美國科學(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，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的Kevin Weeks教授、Patrick S. Irving均參與了此項工作。
參考文獻：
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7. Xiang, Y. et al. Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection. Nature In press (2023)
