陆剑课题组揭示uORF的适应性进化以及在果蝇不同发育阶段中的调控作用
2018年7月21日，国际知名学术期刊《PLOS Biology》以长文形式在线发表生命中心陆剑课题组题为“Genome-wide maps of ribosomal occupancy provide insights into adaptive evolution and regulatory roles of uORFs during Drosophila development”的研究论文。该论文借助核糖体图谱技术揭示了上游开放阅读框（uORF）的进化规律及其在果蝇不同发育阶段中起到的调控作用。
位于5’非翻译区的上游开放阅读框（uORF）在真核生物中广泛存在。uORF可以通过竞争性的结合蛋白质翻译机器核糖体来抑制下游编码区（CDS）的翻译。不少人类疾病都与DNA突变引入新的uORF或者破坏已有的uORF有关。尽管大多数引入新uORF的突变都是有害的而且会在自然选择作用下从基因组中清除掉，我们仍不清楚基因组中为什么还是有很多比预期更保守的uORF。
为了解释这一现象，陆剑课题组借助核糖体图谱（Ribosome Profiling）和RNA测序技术，绘制了果蝇生活周期不同发育阶段的全基因组水平高精度翻译图谱。在此基础上，该课题组发现果蝇基因组中90%左右的uORF都可以被核糖体翻译（图A），uORF结合核糖体的能力主要跟起始密码子周围的Kozak序列的适合程度以及起始密码子本身的保守性相关。结合果蝇群体中核苷酸多态性的数据，研究人员首次证明了在黑腹果蝇中新固定下来的引入uORF的突变是受到正选择的（图B），这一趋势在那些能够结合核糖体而被翻译的uORF上更加明显。
为了进一步探究uORF怎样建立适应性功能，研究人员还从全基因组水平研究了uORF对CDS翻译的抑制作用。分析发现5’非翻译区uORF的数目，uORF的Kozak序列和起始密码子的保守性是影响uORF对CDS抑制强弱的主要因素。通过比较uORF在不同发育阶段的表达和翻译情况，研究人员发现很多uORF在果蝇发育过程中是选择性使用的。uORF的选择性使用可以通过两种机制来调控下游CDS的翻译：1）通过可变剪切或者使用不同的转录起始位点，基因可以表达具有不同5’非翻译区的mRNA，这样5’非翻译区的uORF数目可能会增加，从而对下游CDS有更强的抑制作用，反之亦然；2）5’非翻译区序列不发生改变的情况下，可以通过改变uORF自身翻译的强弱来改变uORF跟下游CDS竞争核糖体的能力，也能实现在发育过程中对CDS翻译的动态调控。
本研究揭示了uORF的演化规律以及uORF如何在发育过程中通过选择性使用调控CDS的翻译，为该领域的研究提供了新思路。同时该研究产生的全基因组水平高精度的翻译图谱也将有助于很多其他相关的研究。
陆剑研究员为该论文的通讯作者，生科院博士生张宏、窦圣乾是论文的共同第一作者，生科院博士后何峰、罗俊杰、生科院魏丽萍老师也参与了这项工作。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金和北大-清华生命科学联合中心的大力支持。
(A) 果蝇基因组中所有uORF在不同发育阶段的翻译效率；(B) uORF的演化模型。
本文链接 https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003903
（DOI：10.1371/journal.pbio.2003903）
