Genome Biology | 中科院遗传发育所钱文峰团队解析起始密码子的选择机制

核糖体小亚基通过识别三联密码子AUG起始翻译。然而一条mRNA上往往包含几十乃至上百个AUG，其中却只有一个是真正的起始密码子。因此，从哪个AUG起始翻译是蛋白质遗传信息准确表达的关键。Marilyn Kozak在上世纪80年代提出了著名的“第一AUG法则” （the first-AUG rule）【1】，即真核生物是从最靠近mRNA的5′帽的AUG起始翻译。与该法则一致，如果在报告基因起始密码子AUG （aAUG） 的上游插入一个AUG （uAUG） ，则会降低aAUG处的翻译起始。这一法则解决了真核生物翻译起始位点选择的基本问题，基于此逐步形成了目前分子生物学教科书中普遍介绍的“严格单向扫描模型”【2, 3】：小亚基从5′帽开始，沿着mRNA严格按照5′–3′单向扫描起始密码子；若扫描发生“遗漏” （leaky scanning） ，则从其下游 （靠近3′端） 的一个AUG起始翻译，以此类推。

2022年12月12日，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的钱文峰团队 （第一作者为李轲博士、孔金辉和张硕） 在Genome Biology上发表了题为Distance-dependent inhibition of translation initiation by downstream out-of-frame AUGs is consistent with a Brownian ratchet process of ribosome scanning的论文，认为核糖体小亚基搜寻起始密码子的过程并不是一般认为的严格单向扫描，而是经历了反复数次的5′–3′方向和3′–5′方向的振荡扫描过程，振荡范围为几个到十几个碱基。

该课题组在前期研究中偶然发现，不仅uAUG可以抑制aAUG的翻译起始，临近的下游不对框AUG （dAUG） 同样可以抑制aAUG的翻译起始。为了系统研究这一现象，作者团队通过高通量方法构建了一个含有13,437个酵母突变体的绿色荧光蛋白 （GFP） 报告系统，其中每个突变体都携带一个不同位置或不同上下游序列的dAUG。作者们通过高通量方法获取每一种序列对应的GFP水平（图A）。实验结果显示不对框的dAUG会抑制aAUG的翻译起始，并且随着aAUG和dAUG之间距离的增加，抑制作用逐渐降低。当距离超过~17个碱基时，抑制作用趋于消失（图B）。这一现象可以由短程的3′–5′方向的核糖体小亚基扫描解释：本来可能通过二次扫描识别aAUG的核糖体小亚基被临近的dAUG“截获”，因此影响了aAUG的翻译起始。因此，这种临近dAUG对aAUG翻译起始的“竞争”现象提示，核糖体小亚基在mRNA上寻找起始密码子的过程中，虽然宏观上是按照5′–3′方向运动的，但局部来看，是通过 （几个碱基到十几个碱基的） 小振幅5′–3′和3′–5′振荡实现的。

图：dATG突变体文库分析揭示不对框dATG对翻译的抑制

有趣的是，作者们还发现临近的AUG之间发生的竞争也存在于uAUG和aAUG之间：当uAUG与aAUG距离小于20个碱基时，由于处在更下游的aAUG会有机会与uAUG竞争翻译起始，导致uAUG对aAUG的翻译抑制作用减弱。

作者们进一步利用该实验获得的大量突变体的GFP水平数据，根据随机游走模型模拟核糖体小亚基的扫描过程，并使用马尔可夫链蒙特卡罗算法估算出运动参数。对海量实验数据的过程模拟显示，mRNA上每个碱基平均会被核糖体小亚基振荡扫描约10次。虽然单次扫描一个AUG时识别成功的概率只有~23%，但是在经历大约10次扫描之后，成功率可以超过90%。

临近不对框dAUG的存在可能会导致正常蛋白质翻译效率降低以及细胞毒性肽合成增多。作者推测这一作用可能反过来会限制基因组上aATG下游序列的进化。作者们观察到酵母和人类基因组上aATG下游区域不对框dATG的数目随着与aATG靠近而减少，同样的现象在翻译起始不依赖于扫描过程的原核生物中无法被观察到，这意味着在进化历程中真核生物可能对临近不对框的dATG进行了负选择淘汰，揭示了该机制确实可以影响基因组编码序列的进化。

回顾历史，1827年Robert Brown利用显微镜观察悬浮于水中的花粉时发现花粉会呈现出不规则状的运动 （后来知道是由水分子热运动对花粉的随机碰撞产生的） ，因而人们称之为布朗运动。近些年的研究表明，细胞中生物大分子的位置移动，例如驱动蛋白和动力蛋白在微管上的行走，肌动蛋白在微丝上的运动，以及RNA聚合酶在DNA上的移动，都借助于布朗运动【4】。该论文作者提出的核糖体小亚基的小振幅5′–3′和3′–5′振荡同样借助于布朗运动“节约能量”，而不依赖于ATP （虽然宏观的5′–3′方向运动确实仍然需要偶尔的消耗ATP能力的“棘爪放置”过程实现） 。

总的来说，这项研究将核糖体小亚基沿mRNA搜寻起始密码子的过程纳入其它生物大分子机器的研究范式，从微观的角度解析了起始密码子的选择机制，提示了物理过程对于理解生命现象的重要意义。

参考文献

1 Kozak, M. The scanning model for translation: an update.J. Cell Biol.108, 229-241, doi:10.1083/jcb.108.2.229 (1989).

2 Alberts, B. et al.Molecular Biology of the Cell.(W.W. Norton, 2014).

3 Krebs, J. E., Goldstein, E. S. & Kilpatrick, S. T.Lewin's GENES XII.(Jones & Bartlett Learning, 2018).

4 Spirin, A. S. How does a scanning ribosomal particle move along the 5'-untranslated region of eukaryotic mRNA? Brownian Ratchet model.Biochemistry48, 10688-10692, doi:10.1021/bi901379a (2009).

https://doi.org/10.1186/s13059-022-02829-1