Mol Cell | eIF4E缺乏导致氨基酸代谢基因表达紊乱

导读

蛋白质合成是基因表达的重要步骤，受营养状态和环境信号的严格调控。大部分调控作用影响翻译起始这一关键限速步骤。

在真核生物中，保守的路径是通过控制mRNA上独特的5'帽的识别和起始tRNA的招募来调节蛋白质合成水平。

抑制性的上游开放阅读框（uORF）会干扰起始核糖体对主ORF的翻译，这种抑制在应激状态下可以解除。酵母中氨基酸饥饿反应主调节因子GCN4的翻译是这种uORF依赖性调控的一个重要例子。

帽结合蛋白eIF4E通过识别5'端的m7G帽，在帽依赖性翻译起始途径中起核心作用，并通过防止去帽和降解来调节mRNA稳定性。在哺乳动物系统中，帽结合蛋白与特定mRNA的差异结合调节了对环境应激的翻译响应。

2024年6月6日，加州大学伯克利分子与细胞生物系Nicholas T. Ingolia团队在Molecular Cell上发表了一篇题为“Depletion of cap-binding protein eIF4E dysregulates amino acid metabolic gene expression”的论文，文章发现eIF4E的降低通过一种非典型机制激活GCN4的翻译，而并非依赖已知的eIF2a磷酸化。该研究发现由Pcl5介导的反馈控制调节Gcn4活性，揭示了eIF4E在酵母中营养响应基因调控网络中的作用，其与人类中LARP1介导的调控类似但机制不同。

文章索引

【标题】Depletion of cap-binding protein eIF4E dysregulates amino acid metabolic gene expression

【发表期刊】Molecular Cell 

【发表日期】2024年6月6日

【作者及团队】加州大学伯克利分子与细胞生物系Nicholas T. Ingolia团队

【IF】15.58

研究结果

一. eIF4E耗竭后的持续生长和蛋白质合成

为了研究eIF4E在翻译调控中的作用，作者通过AID系统耗尽了酿酒酵母中的eIF4E，并测量其翻译情况。结果显示，eIF4E几乎完全耗尽，没有显著抑制细胞生长，但导致mRNA不稳定和蛋白质合成减少。

相比之下，耗尽eIF4G对翻译和细胞生长影响更大，表明细胞可能有应对eIF4E活性降低的机制或eIF4E数量更多。

尽管eIF4E耗尽后eIF4G水平略有下降，但过表达eIF4G未能缓解生长缺陷，表明eIF4G水平降低不是主要原因。

二. eIF4E缺失会破坏短而稳定的转录本，对翻译影响则较小

作者用RNA-seq和ribo-seq（核糖体印迹分析）研究了eIF4E耗竭对mRNA稳定性和蛋白质合成的影响。

短时间内的耗竭导致了广泛的转录组变化，但这些变化并未直接影响翻译水平。然而，长时间的耗竭显示出一致的RNA和核糖体占有率的变化。

作者发现长寿命mRNA在耗竭后丰度下降，而短转录本的翻译效率降低。这表明eIF4E通过稳定某些mRNA并促进短转录本的翻译来调控基因表达，细胞在eIF4E缺失时也能够通过其他机制恢复翻译水平。

三. 翻译减少促进Ehrlich途径基因的激活

研究发现，eIF4E耗竭后，两个基因ARO9和ARO10的表达显著上调，它们编码的酶参与Ehrlich途径，用于在氮限制条件下利用芳香族氨基酸作为氮源。

基因组范围的筛选显示，ARO10诱导不是对eIF4E耗竭的唯一反应，而是由于多个靶向翻译机制的gRNA引起的。

这些结果暗示，eIF4E耗竭诱导了ARO9和ARO10的表达，通过Tat1导入的芳香族氨基酸触发Aro80介导的反应。

四. eIF4E耗竭以GCN2独立的方式激活GCN4的翻译

eIF4E耗竭8小时后，作者观察到氨基酸生物合成途径普遍上调，表明对氨基酸的需求与相关基因的调控之间出现了失调。

团队建立了一个报告系统来监测ARO10的转录和翻译，并发现eIF4E耗竭后尽管eIF2a的磷酸化水平下降，但GCN4的翻译轻度上调。

实验证实，这种非典型的GCN4激活是特定于eIF4E耗竭的，而不是由于翻译缺陷引起的。

五. PCL5翻译受到其5' UTR中的uORFs和poly(A)序列的调控

PCL5是Gcn4的转录靶点，参与负反馈调控。其5' UTR具有多个uORF和长poly(A)序列，可能调节翻译。

eIF4E耗竭导致转录上调但未增加翻译，反而5' UTR核糖体密度增加，翻译效率降低。

删除uORF增加转录但降低翻译，而删除poly(A)序列降低转录和翻译。eIF4E耗竭导致转录上调、翻译下调，eIF4G耗竭则导致转录的下调。

六. PCL5表达调控的基因要求

该研究表明，eIF4E和eIF4G的耗竭可影响PCL5的表达，同时调控其转录和翻译水平，并识别了调节其翻译的5' UTR序列特征。

为了进一步了解其表达调控机制，作者进行了CiBER-seq遗传筛选，利用与ARO10报告相同设计的间接报告。他们发现了影响PCL5表达的许多引导物，大多数具有Gcn4依赖性。

这些结果揭示了PCL5的复杂调节机制，表明其调控是不同信号通路整合的关键点。

总结

eIF4E是蛋白质合成的关键节点。本文发现短期降低eIF4E水平对细胞生长和蛋白质合成的影响不大，然而会导致与氨基酸分解相关的基因上调，同时也会激活氨基酸生物合成调控。研究还发现了对Gcn4的负调节因子PCL5的翻译控制，这受到PCL5 5' UTR中长poly(A)序列和聚腺苷酸结合蛋白的调节。这些结果揭示了eIF4E在调节蛋白质合成和代谢基因表达方面的重要作用。

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