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生命科学学院陆剑课题组揭示uORF和microRNA在基因表达调控中的共同作用

  2020年10月21日,威尼斯网址平台首页生命科学学院陆剑研究员课题组在Science Bulletin上发表了题为“Combinatorial regulation of gene expression by uORFs and microRNAs in Drosophila”的论文,以果蝇为系统,解析uORF和microRNA如何通过组合使用在转录后和翻译水平上调控mRNA的功能和命运。

  生物体为了确保发育程序的准确性或维持细胞内环境的稳定,会利用不同类型的顺式调控元件和反式作用因子在多个层面精细调控基因表达。当前对基因表达在转录和转录后水平上的调控已经有了深入了解,而在蛋白质翻译水平上调控的研究则相对滞后。陆剑课题组近年来结合核糖体图谱实验、高通量测序和演化基因组学分析,致力于解析蛋白质翻译调控的分子机制和演化规律。

  真核生物mRNA的一个重要特征是具有5'和3'非翻译区(UTR)。位于5'UTR的上游开放阅读框(uORF)通过竞争性地结合核糖体来抑制下游蛋白编码区(CDS)的翻译,这一调控机制在真核生物中广泛存在。陆剑课题组先前利用核糖体图谱技术绘制了黑腹果蝇生命周期不同发育阶段的翻译图谱,系统鉴定了功能性的uORF,通过演化生物学分析,首次发现uORF演化受到正选择驱动,并率先揭示了果蝇在发育过程中通过选择性使用uORF来动态调控蛋白质合成效率的过程(Zhang et al., 2018PLOS Biology)。在此基础上,课题组受邀发表综述文章,总结并展望uORF的功能和演化研究(Zhang et al., 2019Trends in Biochemical Sciences)。

  动物microRNA通过种子序列的互补配对,特异识别位于mRNA 3'非翻译区中的靶位点,调控mRNA的翻译和稳定性。陆剑课题组近年来在microRNA的功能和演化研究方面也取得新进展。他们针对动物中microRNA成簇分布的规律和演化特征,提出了“功能共适应”模型,说明同一簇中的microRNA通常会趋同演化出相近的功能(Wang et al., 2016Molecular Biology and Evolution),并发现micoRNA基因复制之后能为新产生的靶位点提供更为广泛的共演化环境,从而使那些靶位点更容易产生功能并在演化过程中保留下来,造成物种间的基因表达差异(Luo et al., 2018RNA)。

  那么,uORF和microRNA在基因表达调控中存在怎样的关系呢?针对这一问题,陆剑课题组首先分析了uORF和microRNA靶位点在基因组中的分布规律,发现mRNA倾向于被两者共同调控,而且这一现象在演化上是高度保守的。相对于其他mRNA,被uORF和microRNA共同调控的mRNA(u+m+ mRNA)在果蝇不同组织中具有更低的翻译效率,其中uORF起主要抑制作用,microRNA仅起辅助作用。同时,这些u+m+ mRNA还具有较低的稳定性,除了uORF和microRNA的影响之外,u+m+ mRNA稳定性低的原因还包括这些mRNA招募多聚腺苷酸结合蛋白(PABP)的能力更弱,而且在编码区有更高比例的稀缺密码子(如图)。这一工作揭示了从转录后和翻译水平上调控mRNA命运和功能的不同途径之间存在紧密关联,为深入阐释基因表达的规律提供了新的见解。同时,该研究还表明mRNA的翻译和降解过程密不可分,uORF和其他调控因子如何通过影响翻译来调控mRNA的降解还有待进一步的研究。

uORF、microRNA和其他因子共同调控mRNA的翻译和降解的模型

 

  陆剑为该研究的通讯作者,生命科学学院博士后张宏和王奕蓉(现为湖南大学生物学院副教授)为共同第一作者,陆剑课题组的博士生唐小鹿、孙元强,已毕业博士生窦圣乾,以及张琪同学也为该工作作出了重要贡献。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委和中国博士后基金会的资助。

 

  参考文献:

  1. Zhang H#, Dou S#, He F, Luo J, Wei L, Lu J*(2018)Genome-wide maps of ribosomal occupancy provide insights into adaptive evolution and regulatory roles of uORFs duringDrosophiladevelopment.PLOS Biology.16(7): e2003903. DOI: 10.1371/journal.pbio.2003903

  2. Zhang H#, Wang Y#, Lu J*(2019)Function and Evolution of Upstream ORFs in Eukaryotes.Trends in Biochemical Sciences.44(9): 782-794. DOI: 10.1016/j.tibs.2019.03.002

  3. Wang Y, Luo J, Zhang H, Lu J*(2016)microRNAs in the Same Clusters Evolve to Coordinately Regulate Functionally Related Genes.Molecular Biology and Evolution.33(9): 2232-47. DOI: 10.1093/molbev/msw089

  4. Luo J#, Wang Y#, Yuan J#, Zhao Z, Lu J*(2018)MicroRNA duplication accelerates the recruitment of new targets during vertebrate evolution.RNA.24(6): 787-802. DOI: 10.1261/rna.062752.117

 

  来源:生命科学学院

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