上海
撰文 | 章台柳
超过三分之一的真核蛋白质含有内在无序区（IDR），其长度、组成、分子特性和生物功能各不相同。尽管它们缺乏明确的结构，但无序区域通过与结合伴侣的特定相互作用来调节许多不同的细胞过程。这些相互作用的分子特征呈现多样化：既包含短线性基序的刚性对接（在结合相互作用部分时可以折叠），也包含涉及异质结合构型的模糊结合模式。这些相互作用的序列需求也是多样化的，很多具有功能的无序区只需要一般的组成特性，不包含任何特定的保守残基。鉴于这些无序区的生物和理化多样性，将这些序列的特定分子特征与其调控作用联系起来非常具有挑战。
具有功能的无序区主要定位在RNA结合蛋白（RBPs）内【1】，而RBPs可以控制靶mRNA的稳定性和翻译。研究发现数千种RBPs既包含结构化结构域，也包含内在无序区域，它们共同调节RNA表达。尽管对RBPs中无序区的调节作用有了很好的认识，但其功能背后的分子决定因素尚不清楚。对特定蛋白质的研究揭示出无序区如何与下游效应蛋白（如翻译起始因子或mRNA衰变核酸酶）形成蛋白-蛋白互作。然而，即使是具有相似调控作用的无序区域也有不同的大小和组成，这就使得不能简单推定其活性的序列-功能关联。因此，尽管个别例子提供了信息，但需要对具有功能的无序区进行全面和系统的分析，来了解调节性RBPs如何塑造mRNA动态。
来自加州大学伯克利分校的Nicholas T. Ingolia团队在Nature杂志上发表文章Deciphering disordered regions controlling mRNA decay in high-throughput，使用高通量功能谱分析来揭示出无序区的分子决定因素。对数百个具有调控功能的无序区进行系统突变分析，并结合机器学习，识别出影响其活性的复杂分子特征模式。芳香族残基的存在与排列方式能强效预测多种蛋白序列调控mRNA 稳定性和翻译的能力。并进一步阐明许多此类调控元件通过与mRNA降解核心机器互作发挥功能。研究不仅明确了无序区调控mRNA表达的分子特征与生化通路，而且为非结构化蛋白质的功能机制提供了普适性原理。
为了大规模研究影响mRNA稳定性和转录的无序区的序列-功能关系，研究人员首先建立了基于荧光可以高通量监测出芽酵母中转录后的mRNA翻译和降解的系统。即构建了编码黄色荧光蛋白（YFP）的mRNA报告系统，在其3’非翻译区（UTR）嵌入boxB发夹结构。通过将候选蛋白与λN肽段（可特异性识别boxB发夹）融合，实现目标蛋白与报告转录本的定向结合。若被招募的融合蛋白具有促进mRNA降解或抑制翻译的功能，则将降低YFP信号输出。同时采用密码子优化和稳定化UTR设计（最大限度提高YFP基础表达），将检测灵敏度聚焦于转录后抑制因子。通过流式细胞术定量监测YFP的变化，这样就能高通量监测mRNA的翻译和降解。
然后设计了一个包含约47000个短肽的文库，覆盖了酵母蛋白质组中所有无序区（约6000种蛋白质的2751种），全面绘制无序区的调控活性。结果显示，文库内存在许多转录后抑制因子，即IDRs驱动mRNA的抑制和降解。那么，这些抑制因子实现其调控功能的机制是什么？已知多种RBPs缺乏酶催化活性，而是通过招募核酸酶来降解靶mRNA。真核生物中的大多数mRNA降解都是通过一个多步骤的过程进行的，首先是CCR4-NOT复合物的Ccr4和Pop2脱烯酶对polyA尾巴的修建，从而触发Dcp2的去帽来允许转录本的降解。通过条件性删除Ccr4、Pop2或者Dcp2，高通量功能分析显示，许多无序的多肽都需要5’-3’mRNA衰变机制才能发挥作用。
通过扫描式突变揭示了IDRs的序列特征，将其划分成两大类：要么是使用短线性基序，要么使用整体序列组成来发挥作用（即使序列被打乱也能保持活性）。通过将机器学习应用于这个高通量数据集，揭示出芳香族氨基酸与基序依赖性和整体序列组成驱动的IDRs都密切相关，是转录后调控功能的强决定因素。研究全面分析并揭示出无序蛋白功能区用于控制mRNA降解和蛋白质合成的分子规则和生化途径，为理解RBPs的作用机制提供重要参考。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08919-x
制版人： 十一
参考文献
1. Jonas, S. & Izaurralde, E. The role of disordered protein regions in the assembly of decapping complexes and RNP granules.Genes Dev.27, 2628–2641 (2013).
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