Cell | 程序性核糖体移码诱导翻译应激并促进RNA病毒复制

撰文 | 阿童木

RNA病毒基因组通常十分紧凑，却需要编码完成复制、组装和宿主调控所需的大量蛋白质。为了突破有限基因组容量的限制，许多RNA病毒进化出了特殊的翻译调控机制，程序性核糖体移码（PRF）是其常用策略之一：核糖体在特定RNA序列处改变阅读框，使同一段病毒RNA产生不同蛋白，从而扩大编码能力并调节病毒蛋白的表达比例【1】。

SARS-CoV-2就是典型例子（详见BioArt报道：）。其ORF1a和ORF1b之间存在一个−1 PRF位点，由滑移序列和下游RNA假结（pseudoknot）共同控制。部分核糖体在此发生−1移码后继续翻译ORF1b，产生包括RNA依赖的RNA聚合酶Nsp12在内的一系列复制相关蛋白【2】。类似机制也存在于HIV-1及部分黄病毒中。长期以来，PRF主要被视为扩大病毒编码容量、调节病毒蛋白比例的翻译机制。

然而，PRF中的稳定RNA二级结构也会阻碍核糖体前进。当前方核糖体停顿时，后方核糖体可能继续追赶并发生碰撞。近年来研究发现，核糖体碰撞本身可以作为应激信号，被GCN1、GCN20和ZAKα等因子感知，并进一步激活GCN2相关应激通路（详见BioArt报道：）。因此，一个重要问题是：病毒PRF是否还能通过制造核糖体停顿和碰撞，主动重塑宿主翻译状态？

近日，德国法兰克福歌德大学 Ivan Dikic实验室等在 Cell 在线发表了题为 Programmed ribosomal frameshifting triggers translational stress to promote viral replication 的研究。该研究发现，SARS-CoV-2的PRF元件可诱导核糖体碰撞，通过GCN1、IGF2BP3和DRG1激活GCN2–eIF2α–ATF4整合应激反应，抑制宿主翻译并促进病毒复制；这一PRF–GCN2轴在HIV-1和西尼罗河病毒中同样存在，提示程序性核糖体移码除了调节病毒蛋白表达外，还可以作为一种病毒来源的翻译应激信号，重塑宿主细胞的蛋白质合成环境。

为了判断PRF本身是否足以诱导宿主应激，作者构建了SARS-CoV-2 PRF报告系统，并以破坏假结结构的ΔL1突变体为对照。完整PRF元件能够诱导eIF2α磷酸化和ATF4积累。进一步干扰四种eIF2α激酶发现，只有抑制GCN2能够明显削弱这一反应，而且不会改变PRF效率，说明GCN2位于PRF产生的翻译事件下游。

在SARS-CoV-2感染条件下，GCN2在感染早期即开始活化，时间上与Nsp12出现以及eIF2α磷酸化、ATF4升高基本一致；PKR和PERK则在更晚阶段活化。作者进一步使用PRF抑制剂merafloxacin，并在报告系统中确认其能够降低移码效率；在感染细胞中，该处理显著抑制GCN2介导的应激反应。另一方面，破坏SARS-CoV-2复制子中的假结或核糖体相互作用位点，也会同时削弱应激反应和病毒复制。外源表达ATF4还能部分恢复ΔL1复制子的复制，说明ATF4本身能够主动促进病毒复制，而非仅仅随病毒复制水平被动变化。

GCN2介导的整合应激反应通常通过eIF2α磷酸化降低整体蛋白质合成。多聚核糖体分析显示，SARS-CoV-2感染过程中，多聚核糖体逐渐减少并向单核糖体转移；抑制GCN2可明显缓解感染早期和中期的宿主翻译抑制。单独表达PRF元件也足以造成较温和的翻译关闭，并与病毒蛋白Nsp1产生协同效应，说明PRF–GCN2也是SARS-CoV-2抑制宿主翻译的机制之一。

那么，GCN2感知的究竟是“移码”本身，还是PRF造成的核糖体状态？作者发现，如果核糖体在到达假结前便终止翻译，GCN2不能有效激活；相反，即使破坏滑移位点、显著降低移码效率，只要核糖体仍能到达完整假结附近，整合应激反应依然可以被激活。因此，触发GCN2的关键并不是核糖体是否成功改变阅读框，而是核糖体到达完整RNA结构后发生的停顿和碰撞。

与此一致，完整PRF元件可诱导耐核酸酶处理的双核糖体积累；使核糖体从RNA上解离后，GCN2与PRF RNA的结合也随之下降。GCN1缺失能够阻断这一过程，但ZAKα并非必需，PRF也没有明显激活其下游JNK和p38，说明这里存在一条不同于经典核糖体毒性应激反应的碰撞感知机制。

为寻找参与这一过程的调控因子，作者结合PRF RNA结合蛋白质组分析和siRNA筛选，鉴定出 IGF2BP3和DRG1。敲低两者均削弱PRF诱导的eIF2α磷酸化，并抑制SARS-CoV-2复制。敲低IGF2BP3会减少GCN2与PRF RNA的结合，提示其参与GCN2募集；敲低DRG1虽然不影响GCN2募集，却仍会削弱后续信号，其具体作用机制尚不清楚。IGF2BP3还参与多种其他应激条件下的GCN2活化，而DRG1对这些应激的影响并不明显，提示DRG1可能更特异地参与PRF相关的核糖体监控。

最后，作者在HIV-1和西尼罗河病毒中观察到相似机制：两者的PRF元件均可激活GCN2–eIF2α–ATF4通路，破坏相应茎环或假结结构后信号减弱，抑制GCN2则降低病毒复制。敲低IGF2BP3和DRG1同样会影响两种病毒的复制，表明这一调控轴并不限于SARS-CoV-2。

综上，该研究将PRF的功能从传统的病毒编码调控扩展到宿主翻译重编程。PRF结构通过制造核糖体停顿和碰撞，将病毒翻译过程转化为应激信号，激活GCN2–eIF2α–ATF4通路，在感染早期抑制宿主整体翻译并促进病毒复制。研究同时提示，整合应激反应在病毒感染中的作用具有阶段性，而不同类型的核糖体碰撞如何被选择性识别，以及IGF2BP3和DRG1如何调控GCN2，仍有待进一步研究。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.031

制版人： 十一

参考文献

1. Alam, S.L., Atkins, J.F., Gesteland, R.F. Programmed ribosomal frameshifting: Much ado about knotting!Proc. Natl. Acad. Sci. USA.1999; 96:14177-14179.

2. Bhatt, P.R., Scaiola, A., Loughran, G. et al. Structural basis of ribosomal frameshifting during translation of the SARS-CoV-2 RNA genome.Science. 2021; 372:1306-1313.

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