综述 | 钱书兵团队解读mRNA翻译过程中的核糖体动力学

翻译（Translation）是基因表达的中心环节，但远非一个匀速、流畅的过程。在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动的速度是动态变化的，会经历减速（slowdown）、暂停（pause）、停滞（stall）乃至碰撞（collision）。

生理性的暂停对于新生肽链的共翻译折叠至关重要，而异常的停滞和碰撞则会触发复杂的细胞应激和质量控制通路，以清除障碍或诱导细胞凋亡。然而，细胞如何精确区分功能性暂停与需要干预的病理性停滞，是该领域一个悬而未决的核心问题。

近日，康奈尔大学钱书兵团队在Journal of Biological Chemistry上发表了题为“Interpreting ribosome dynamics during mRNA translation”的综述文章。该文系统讨论了核糖体动力学的基础知识，概述了核糖体停滞和碰撞的原因、后果以及细胞的应对策略，并强调了核糖体动力学异常与人类疾病之间的机制联系。

综述整理

一、核糖体动力学的测量方法

核糖体在mRNA上并非匀速运动，而是呈现“走走停停”的交通模式。定量分析核糖体的动态行为，对于揭示翻译调控机制至关重要。

1.1) 核糖体印迹分析（Ribosome profiling, Ribo-seq）

通常认为，特定密码子位点的核糖体密度反映了其停留时间。起始和终止密码子处通常有较高的核糖体密度，分别对应较慢的起始和终止过程。

通过捕获双核糖体印迹（disome footprints），可以识别核糖体排队和碰撞事件，但这两种状态难以区分。

1.2) 报告基因检测（Reporter assays）

双荧光素酶等报告基因系统可用于定量评估特定序列对翻译效率的影响。

通过将待测序列插入两个报告基因之间，可以比较上下游报告基因的表达量来判断翻译是否受阻。该方法虽然定量准确，但无法揭示其背后的分子机制。

1.3) 单分子成像

利用荧光标记技术，可以在活细胞中实时可视化单个mRNA的翻译过程，解析翻译的“脉冲式”动态。

新近研究通过对环状RNA上单个核糖体的长期成像发现，核糖体之间频繁发生瞬时碰撞，而出乎意料的是，这种碰撞反而通过协同作用提高了翻译总产出。

尽管单分子成像能够实时观察，但其分辨率尚无法达到单个密码子水平。

二、 tRNA生物学对核糖体动力学的影响

tRNA的可用性和功能完整性是决定核糖体动力学的核心因素。

2.1) tRNA的可用性

细胞内不同tRNA的丰度决定了对应密码子的解码速度。

tRNA基因的突变或被核酸内切酶（如SLFN11、SAMD9）切割，都会导致tRNA库失衡，从而在特定密码子处引发核糖体停滞。

例如，在中枢神经系统中，tRNA-Arg UCU的突变会导致在AGA密码子处发生核糖体停滞，引发神经退行性疾病。

2.2) tRNA的氨酰化

氨酰-tRNA合成酶（ARSs）负责将氨基酸连接到对应的tRNA上。

当细胞缺乏某种氨基酸时，相应的氨酰化tRNA水平下降，也会导致核糖体停滞。例如，精氨酸饥饿会导致在CGC和CGU密码子处出现核糖体暂停。

然而，不同氨基酸的缺乏对翻译的影响不同，例如亮氨酸缺乏会通过抑制mTORC1信号通路来降低翻译起始，从而在整体上缓解了延伸阶段的停滞。

2.3) tRNA的修饰

tRNA上存在超过110种化学修饰，这些修饰对于维持翻译的保真度和效率至关重要。

例如，tRNA可变环中的m7G修饰或摆动位置的τm⁵U修饰出现缺陷，都会在相应的密码子处引起核糖体停滞，这些修饰的异常也与线粒体功能障碍等疾病相关。

三、mRNA自身特征对核糖体动力学的影响

mRNA序列的内在特征直接影响核糖体的翻译速度。

3.1) 密码子优化性

通常认为，最优密码子由丰度较高的tRNA解码，翻译速度更快。

然而，非最优密码子则会减慢翻译速度。这种减速有时是有益的，例如可以帮助新生肽链进行共翻译折叠。

密码子的优化性还具有位置依赖性，例如在编码序列（CDS）的起始区域富集非最优密码子，有助于减少翻译起始后的“交通拥堵”。

3.2) mRNA结构与修饰

• 二级结构: mRNA上的发夹环等二级结构会阻碍核糖体的移动，导致瞬时暂停。

  
  

• m⁶A修饰: 作为mRNA上最丰富的修饰，N⁶-甲基腺苷（m⁶A）对翻译的影响是双重的。一方面，它会减慢核糖体的解码过程；另一方面，它倾向于破坏RNA的二级结构，从而促进核糖体移动。

  
  

3.3) 新生肽链

新生肽链在通过核糖体出口通道时，其自身特性也会影响翻译速度。

• 正电荷氨基酸: 富含精氨酸或赖氨酸等正电荷氨基酸的序列会与带负电的出口通道相互作用，从而减慢延伸速度。

  
  

• Poly(A)序列: 翻译mRNA上的多聚腺苷酸（poly(A)）序列会产生带正电的多聚赖氨酸肽链，这二者共同作用，通过重构核糖体解码中心和肽酰转移酶中心，导致强烈的核糖体停滞。

  
  

• 脯氨酸序列: 脯氨酸由于其独特的环状结构，本身就是一种翻译速度较慢的氨基酸。细胞进化出了eIF5A等因子来专门帮助翻译多聚脯氨酸序列。

  
  

  

  
  

四、核糖体动力学异常的翻译结果

生理性的翻译暂停有其调控意义，而非生产性的停滞则会触发细胞的应急机制。

• 移码 (Frameshifting): 在tRNA供应不足时，核糖体可能会在暂停位点发生-1或+1的移码，继续翻译，但会产生截短或错误的蛋白质。

  
  

• 密码子重分配 (Codon reassignment): 在特定压力下，细胞可能发生tRNA的错误氨酰化，导致密码子被错误解码为另一种氨基酸。

  
  

• 密码子绕越 (Codon bypassing): 极为罕见的情况下，核糖体可能直接“跳过”难以解码的密码子。

  
  

• 翻译终止 (Aborted translation): 当停滞无法解决时，翻译过程可能被中断，未完成的肽链会被降解。

  
  

  

  
  

五、细胞对核糖体动力学异常的响应

核糖体是细胞压力的“传感器”。当翻译受阻时，细胞会激活多种信号通路来应对。

5.1) 整合应激反应（ISR）

ISR是细胞应对各种压力的核心通路。其关键事件是eIF2α的磷酸化，这会抑制翻译起始，从而减少进入mRNA的核糖体数量，缓解“交通拥堵”。

GCN2是启动ISR的激酶之一，能被氨基酸缺乏时积累的未充电tRNA激活，也能被停滞的核糖体直接激活。

5.2) 核糖体毒性应激反应（RSR）

在哺乳动物中，核糖体损伤会激活MAP激酶（如p38和JNK），触发RSR通路。上游激酶ZAKα能感知停滞核糖体的构象变化并被激活，最终导致细胞周期停滞和凋亡。

5.3) 核糖体碰撞反应

当核糖体发生碰撞时，碰撞界面会被特定的质量控制因子识别。E3泛素连接酶ZNF598会泛素化碰撞核糖体上的蛋白，标记其进行降解。EDF1则作为早期响应因子，结合到碰撞的核糖体上，招募其他因子抑制翻译起始。

5.4) 核糖体相关质量控制（RQC）

RQC是专门拯救停滞核糖体的监视机制。它主动分裂停滞的核糖体大小亚基，并通过Ltn1等因子泛素化降解未完成的新生肽链。

六、病理性核糖体动力学与人类疾病

• 神经退行性疾病: 许多神经退行性疾病都与翻译异常有关。ARS基因突变可导致核糖体停滞，引发腓骨肌萎缩症（CMT）。亨廷顿病等三联体重复序列扩张疾病中，重复序列的翻译困难导致核糖体暂停和移码，产生有毒蛋白。

  
  

• 癌症: 癌细胞通常上调翻译以满足其快速增殖的需求。某些癌细胞通过上调特定tRNA来高效翻译富含特定密码子的癌基因。因此，通过诱导核糖体停滞来触发癌细胞凋亡，成为一种潜在的治疗策略。

  
  

• 感染性疾病: 许多病原体通过劫持宿主的翻译机器来复制。例如，军团菌分泌的效应蛋白可以抑制延伸因子eEF1A。反之，宿主也能通过SAMD9/9L等干扰素刺激基因来切割tRNA，引发核糖体停滞，从而抑制病毒复制。

  
  

• 代谢疾病与衰老: ISR和RSR信号通路在维持代谢稳态中起关键作用。RQC通路的衰退与衰老过程中的蛋白质稳态失衡和蛋白聚集密切相关。

总结与展望

解码遗传密码的六十多年后，我们仍未完全理解决定蛋白质产量的设计原则。当前面临的核心问题是：细胞如何区分生理性的暂停和病理性的停滞？一个可能的模型是，核糖体碰撞的丰度和持续时间充当了分子变阻器，但其具体机制尚不清楚。尽管Ribo-seq等技术为研究提供了有力工具，但内源性mRNA上微弱信号的检测仍是巨大挑战。

未来，结合高通量合成基因文库、先进测序技术和机器学习方法，将有助于我们揭示核糖体动力学的未知规律，从而优化蛋白质生产，并为神经退行性疾病和癌症等开发新的治疗策略。