Nat Cell Biol | 看不见的开关：缺氧生命的翻译密钥

撰文 |咸姐

细胞适应外界压力，例如肿瘤微环境中常见的缺氧状态，依赖于其精准协调转录与翻译程序以重塑蛋白质组的能力。这一过程的核心在于细胞可塑性，它不仅是癌细胞存活与转移的基础，也深刻影响着干细胞等细胞类型的命运。长期以来，缺氧应答研究聚焦于两个经典路径：一是HIF1α转录因子的稳定及其下游靶基因的激活；二是通过抑制mTOR信号通路与激活整合应激反应（ISR），在全局性抑制蛋白质合成的同时，选择性翻译特定mRNA，如那些编码应激关键调控因子（如ATF4）或干性因子（如NODAL、SNAIL）的转录本【1,2】。研究表明，这种翻译上的“区别对待”与mRNA分子最前端的“调控区”——5’UTR的特征密切相关，包括其长度、特殊的序列模序（如TOP基序）以及是否包含上游开放阅读框（uORFs）【3,4】。有趣的是，许多基因拥有多个转录起始位点（TSS），从而能够产生序列不同的5‘UTR异构体。这提出了一个关键问题：细胞是否会通过选择不同的TSS来改变5’UTR，进而调控mRNA的翻译效率，以应对缺氧？

与此同时，缺氧也被证实能显著重塑细胞的表观基因组。其中，组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）在TSS附近的累积尤为显著。H3K4me3是活跃转录区域的经典标志，其水平由COMPASS家族甲基转移酶和KDM5等去甲基化酶动态调控。一个关键的矛盾在于，缺氧虽能诱导某些去甲基化酶的转录，但这些酶的催化活性本身是氧依赖性的，因此在低氧环境下其功能实际受到抑制，最终导致H3K4me3的净增加【5】。这种缺氧诱导的表观遗传改变，是否正是驱动上述TSS选择变化的直接诱因？尽管此前有零星的线索将缺氧下的TSS切换与翻译变化联系起来，但绝大多数此类事件是否独立于HIF1α的经典转录程序？其背后是否普遍由H3K4me3这种表观遗传修饰所介导？这一从染色质到翻译的调控通路，其全局性和功能性影响始终未被阐明。

近日，来自加拿大皇后大学的Lynne-Marie Postovit团队在Nature Cell Biology上在线发表题为Epigenetic alterations facilitate transcriptional and translational programs in hypoxia的文章，通过多维组学分析发现，缺氧通过抑制KDM5活性引起H3K4me3表观遗传重塑，进而驱动广泛的TSS切换。这种切换重塑5‘UTR异构体景观，独立于HIF1通路和mRNA丰度变化，通过改变mRNA的翻译效率来调控关键代谢因子（如PDK1）的合成，有助于形成适应性翻译组。实验证实，抑制KDM5可模拟缺氧诱导的TSS切换，而抑制含有MLL的COMPASS甲基转移酶则能阻断此过程并抑制细胞增殖。这些发现揭示了表观遗传调控TSS选择在建立适应性翻译组中的核心机制。

本文研究人员通过nanoCAGE技术对T47D乳腺癌细胞和H9人胚胎干细胞在常氧与缺氧条件下的5'UTR异构体进行全转录组定量分析，发现低氧环境下，两种细胞类型的TSS选择发生了显著变化，导致超过80%的蛋白编码基因表达多种5′UTR亚型，且超过20%的转录本发生5'UTR使用模式的显著改变，其中大量变化独立于mRNA总体丰度的波动。通过变革点分析量化TSS切换程度显示这种重塑具有细胞类型特异性模式：T47D细胞中偏向最短或最长5'UTR异构体的富集，而H9细胞中则主要表现为5'UTR的延长。不过，尽管切换模式复杂多样，涉及多个异构体的协调变化，但在不同细胞类型间仍存在586个共享的TSS切换转录本，其中约37%呈现高度相似的5'UTR异构体表达变化模式，这些共享基因显著富集于缺氧应答、葡萄糖代谢等核心生物学过程，且绝大多数不受HIF1α直接调控。这些发现表明，缺氧通过诱导TSS切换实现了5'UTR组的广泛重塑，且在很大程度上独立于 HIF1 而发生。

与此同时，研究还发现，在缺氧条件下整体翻译受到抑制，发生TSS切换的转录本表现出特定的翻译效率变化模式：在T47D细胞中，较高的TSS切换评分与翻译效率提升显著相关；而在H9细胞中，这种关联则表现为翻译抑制。在H9细胞中，强烈的TSS切换尤其与那些mRNA水平下降但翻译得以维持的转录本密切相关。由此表明，缺氧诱导的TSS切换也会影响翻译组。随后，研究人员通过建立“转录后网络模型（postNet）”，系统解析了缺氧条件下翻译组重塑的调控机制。研究结果证实mTOR信号抑制和ISR的激活在低氧翻译组重塑中发挥关键作用，同时揭示了5'UTR特征——包括长度、GC含量、折叠能以及uORF的重要影响。其中高GC含量与翻译抑制相关，而较长、AU富集且含uORF的5‘UTR则在mTOR抑制时翻译增强。研究还鉴定出一些此前未曾报道的调控因子（例如U34 tRNA修饰和DAP5）和5'UTR基序（例如AAGAAA和SGCSGCS），它们与低氧翻译组的变化密切相关，这提示在缺氧条件下存在着尚未被探索的翻译调控新机制。进一步地将TSS切换特征纳入翻译组模型的研究结果表明，缺氧诱导的翻译效率变化是由众多5'UTR特征驱动的——这些特征可通过TSS切换发生改变，并与翻译机制（例如mTOR抑制和ISR激活）的重塑协同作用。由此证实，TSS切换是一个先前未被重视的、参与低氧翻译组重塑的重要机制。

深入地，研究人员通过H3K4me3 ChIP-seq和ATAC-seq技术，发现缺氧显著改变了94%蛋白编码基因TSS区域的H3K4me3分布模式，包括下游/上游偏移及其他复杂变化，且这些变化模式具有细胞类型特异性。NucleoATAC分析发现，发生TSS切换的基因伴随着+1核小体占据度的下降和-2核小体占据度的上升。重要的是，使用KDM5抑制剂C48处理可在不稳定HIF1α的情况下模拟缺氧引起的H3K4me3分布变化，其中59%的改变方向与缺氧处理一致。而且仅抑制KDM5就足以诱导功能性TSS切换，这种切换能重现部分缺氧诱导的转换现象，并对蛋白质组改变产生贡献。因此，依赖于TSS切换的5'UTR组重塑能够在mRNA水平不变、且不涉及mTOR或ISR信号通路改变的情况下，直接调控蛋白质组的组成。

进一步地，研究人员使用COMPASS复合物抑制剂OICR-9429阻断缺氧条件下的H3K4me3积累，特异性逆转约30%的缺氧诱导性TSS切换事件，其中57.6%的最长5'UTR异构体富集和26.0%的最短异构体富集被成功拮抗。而且这种靶向性干预虽然只影响部分TSS切换，却足以显著抑制缺氧环境下细胞的增殖能力。研究结果表明，缺氧诱导的H3K4me3改变驱动了相当大一部分TSS切换事件，揭示了这种表观遗传修饰在决定5'UTR的TSS选择中一个前所未有的新功能，该功能促进了细胞在缺氧条件下的适应性反应。以代谢关键酶PDK1为例探究TSS切换是否调节特定的生物学过程，研究结果显示缺氧诱导PDK1发生显著的TSS切换，富集了更短的5'UTR异构体，这些短异构体无论在常氧或缺氧条件下均表现出更高的翻译效率。同时，研究证实，表达短5'UTR异构体的细胞在缺氧时能产生更多PDK1蛋白、乳酸生成能力显著增强。由此表明，缺氧通过TSS切换产生翻译效率更高的mRNA异构体，进而促进特定蛋白合成以驱动代谢重编程，最终实现细胞对缺氧的适应性调控。

综上所述，本研究揭示，缺氧通过协同调控表观遗传、转录和翻译程序，实现对基因表达的重编程。研究结果证实了一种新型基因表达调控机制，即染色质修饰能够指导交替TSS的选择，从而产生具有不同翻译效率的5'UTR异构体；阐明了在缺氧条件下，由表观遗传介导的TSS使用控制，通过影响5'UTR异构体库的组成，促进适应性翻译反应的新机制。这些发现进一步确立了"细胞应激在染色质层面被感知，并指导翻译组适应性重塑"这一新范式，为未来研究基因表达调控提供了新的视角。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01786-8

制版人： 十一

参考文献

1. Quail, D. F., Taylor, M. J. & Postovit, L.-M. Microenvironmental regulation of cancer stem cell phenotypes.Curr. Stem Cell Res. Ther.7, 197–216 (2012).

2. Lee, L. J. et al. Cancer plasticity: the role of mRNA translation.Trends Cancer7, 134–145 (2021).

3. Hinnebusch, A. G., Ivanov, I. P. & Sonenberg, N. Translational control by 5'-untranslated regions of eukaryotic mRNAs.Science352, 1413–1416 (2016).

4. Gandin, V. et al. nanoCAGE reveals 5′ UTR features that define specific modes of translation of functionally related MTOR-sensitive mRNAs.Genome Res.26, 636–648 (2016).

5. Batie, M. et al. Hypoxia induces rapid changes to histone methylation and reprograms chromatin.Science363, 1222–1226 (2019).

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