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Molecular Systems Biology:南方科技大学陈炜教授课题组揭示高等真核生物蛋白质翻译调控机制

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摘要 : 近日,欧洲分子生物学杂志《EMBO Reports》杂志旗下子刊《Molecular System Biology》上在线发表了南方科技大学陈炜教授课题组和德国马科斯o德尔布吕克国家分子医学中心合作的一篇研究论文

近日,欧洲分子生物学杂志《EMBO Reports》杂志旗下子刊《molecular System Biology》上在线发表了南方科技大学陈炜教授课题组和德国马科斯•德尔布吕克国家分子医学中心合作的一篇研究论文,论文报道了高等真核生物蛋白质翻译调控机制,论文当选当期封面文章。德国马科斯•德尔布吕克国家分子医学中心博士后王曦和博士生侯婧逸为共同第一作者 。我校生物系陈炜教授为唯一通讯作者。

现代分子生物学研究中一个最基本、最重要的问题就是: 基因的表达是如何被调控的?在真核生物中, 基因的表达调控是一个极其复杂的多步骤过程。其中,mRNA转录和蛋白质翻译被认为是最重要的两个调控点。近年来的研究表明,蛋白质翻译过程在决定最后的基因表达量上承担了举足轻重的作用。然而,我们目前对于蛋白质翻译调控的分子机制仍然所知甚少。另外,mRNA转录和蛋白质翻译这两个在细胞内看起来独立的调控步骤是否也在某种程度上可以协同作用?

转录产物mRNA 不仅包含了编码氨基酸的编码序列(coding sequences) , 也包含了嵌有多种顺式调控元件 (cis-regulatory elements)的非编码区 (untranslated regions),包括5’非翻译区 (5‘UTR)和3’非翻译区 (3’UTR)。蛋白质翻译通过顺式调控元件直接或间接作用于翻译机器核糖体而被调控,从而影响蛋白质的合成速率。过去几十年来,基于单个基因、单个调控元件的研究表明5’非翻译区对真核生物的蛋白质合成起着至关重要的作用。但这一结论在是否在全基因组范围内成立仍然未知。高等真核生物中,将近一半的基因使用可变转录起始位点(alternative transcription start sites) 。转录自可变起始位点的mRNA异构体,常常由于使用了不同的的5’非翻译区上的调控元件,会以不同的效率翻译成蛋白质。然而,使用可变转录起始位点到底对蛋白质翻译有多大影响、如何影响,仍然是一个未解的问题。

为了回答这些问题,陈炜课题组建立了一个基于高通量测序的新实验方法。该方法结合了现有的多核糖体图谱(polysome profiling) 技术和帽分析基因表达(cap analysis of gene expression) 技术, 可以在全基因组范围内确定每一个mRNA的 5’非翻译区序列,并且同时对含有不同5’非翻译区的mRNA异构体的翻译效率进行精确测量。

利用该技术,陈炜课题组发现了在小鼠成纤维细胞中,有超过四千多个基因使用可变转录起始位点,其中18%有不同的翻译效率。这一结果表明转录起始位点的选择能够在基因组范围内广泛地影响蛋白质生成。对这些基因进行的序列分析进一步发现了一系列位于5’非翻译区内的序列特征会抑制翻译效率,其中包括:RNA 5’末端局部二级结构,上游起始密码子(upstream AUG),上游开放阅读框 (upstream open reading frame),RNA 5'末端寡嘧啶序列和一些新的mRNA 基序。最后,陈炜课题组利用这些鉴别出的序列特征构建了一个数学模型,该模型能够定量地预测 5’非翻译区mRNA异构体间超过一半的翻译效率差异。

这项研究为理解5’非翻译区介导的蛋白质翻译调控建立了一个方法架构,可以被应用到其他真核细胞模型中。这项研究揭示了翻译调控对基因表达调控的广泛影响,深化了目前对于翻译调控机制的认识,为研究由于翻译失控引起的疾病提供了启示。

Molecular Systems Biology:南方科技大学陈炜教授课题组揭示高等真核生物蛋白质翻译调控机制
原文链接:

Pervasive isoform‐specific translational regulation via alteRNAtive transcription start sites in mammals

原文摘要:

Transcription initiated at alternative sites can produce mRNA isoforms with different 5′UTRs, which are potentially subjected to differential translational regulation. However, the prevalence of such isoform‐specific translational control across mammalian genomes is currently unknown. By combining polysome profiling with high‐throughput mRNA 5′ end sequencing, we directly measured the translational status of mRNA isoforms with distinct start sites. Among 9,951 genes expressed in mouse fibroblasts, we identified 4,153 showed significant initiation at multiple sites, of which 745 genes exhibited significant isoform‐divergent translation. Systematic analyses of the isoform‐specific translation revealed that isoforms with longer 5′UTRs tended to translate less efficiently. Further investigation of cis‐elements within 5′UTRs not only provided novel insights into the regulation by known sequence features, but also led to the discovery of novel regulatory sequence motifs. Quantitative models integrating all these features explained over half of the variance in the observed isoform‐divergent translation. Overall, our study demonstrated the extensive translational regulation by usage of alternative transcription start sites and offered comprehensive understanding of translational regulation by diverse sequence features embedded in 5′UTRs.

DOI 10.15252/msb.20166941

作者:陈炜 点击:

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