Mol Cell | 选择性翻译起始产生具有不同定位和功能的突触组织蛋白体

导读

真核生物的mRNA大多是单顺反子的，核糖体从5'端扫描后在AUG起始位点开始翻译，产生一条多肽链。虽然偏离这一模型的现象如内部核糖体进入、移码和终止密码子通读较为罕见，只常见于病毒mRNA，但高通量翻译组测序（Ribo-seq）研究表明，许多未注释的ORF被发现并验证，可能显著增加蛋白质组复杂性。然而，这些替代翻译事件在生理功能中的作用尚不明确。

大量选择性ORF在可替代的TIS处启动，产生N端延长或截短的蛋白亚型，少数已得到功能验证，但可替代的TIS是否普遍调节蛋白功能仍不清楚。

神经五聚体蛋白家族通过与AMPA受体相互作用调节突触功能。NPR（神经五聚体受体）是其中一种Ⅱ型膜蛋白，研究发现其N端的CUG TIS在脊椎动物中高度保守，可能具有独特功能，无法被AUG TIS替代。

2024年9月23日，耶鲁大学医学院神经科学系Junjie U. Guo团队在Molecular Cell上发表了一篇题为“Alternative translation initiation produces synaptic organizer proteoforms with distinct localization and functions”的论文，探讨NPR mRNA中这种非经典TIS的功能角色，揭示了一种通过替代TIS使用改造N端信号序列并改变其产生的蛋白质亚型定位的机制。

文章索引

【标题】Alternative translation initiation produces synaptic organizer proteoforms with distinct localization and functions

【发表期刊】Molecular Cell
【发表日期】2024年9月23日

【作者及团队】耶鲁大学医学院神经科学系Junjie U. Guo团队

【IF】15.58

研究结果

一. NPR mRNA的选择性翻译产生两种N端蛋白亚型

NPR在前脑突触体中表达为两种N端蛋白亚型，依赖于CUG和下游AUG/CUG的选择性翻译起始。

作者通过突变实验确认，短型NPR并非翻译后修饰或降解产物，而是由CUG TIS和可替代的TIS产生。这种替代翻译机制在大脑区域广泛存在，尤其小脑中短型NPR表达较低。

二. 稳定的RNA二级结构促进哺乳动物中CUG起始翻译

NPR的CUG和AUG起始位点在脊椎动物中是保守的。实验表明，人类和小鼠的CUG起始效率高于青蛙和斑马鱼，主要由于下游稳定的RNA二级结构。突变实验进一步证实，这种RNA结构对于增强CUG起始效率至关重要。

三. 可替代的AUG起始将NPR转化为分泌型蛋白亚型

选择性TIS使用使NPR产生两种亚型：长型NPR作为跨膜蛋白定位于细胞表面，短型NPR由于N端截短，被分泌到细胞外。

实验表明，短型NPR的分泌源自下游AUG起始，而非长型NPR的降解，这一现象也在小鼠体内得到验证。

四. 神经元活动调节NPR的替代翻译起始位点（TIS）的使用

刺激神经元后，短型NPR的胞内和分泌水平显著增加，而长型NPR保持不变，此变化依赖于CaMKII信号通路及mRNA中的茎环结构。此外，神经元兴奋后替代AUG TIS使用增加，在小鼠的富集环境中也观察到短型NPR的分泌增加。

五. 分泌型NPR在体外实验中促进AMPA受体的突触聚集

研究通过敲低内源性NPR并分别重建长或短NPR表达，发现短NPR能显著增加AMPA受体聚集，而长NPR没有同样效果。此外，短NPR的分泌形式通过扩散促进AMPA受体聚集，不依赖细胞直接接触。

六. 体内NPR蛋白形态比例的改变降低PV神经元的GluR4并影响行为认知

作者研究表明，神经五聚体通过改变NPR亚型比例影响PV+中间神经元的GluR4+ AMPA受体表达和小鼠的行为。利用CRISPR-Cas9技术生成Nptxr基因小鼠模型后，他们发现短NPR丰度显著降低，而总NPR不变。

结果显示，KI/KI小鼠的PV神经元中GluR4表达显著减少，导致工作记忆和短期条件反射学习受损，强调了NPR亚型多样性对PV神经元功能和认知行为的重要性。

七. 通过上游替代翻译起始位点（TIS）的N端延伸，将分泌型C1QL转化为跨膜蛋白亚型

研究发现，C1QL蛋白通过上游替代翻译起始位点（AUU TIS）将分泌形式转化为跨膜形式。短C1QL预测为可切割信号肽，而长C1QL具有N端跨膜域。实验表明，短C1QL主要分泌，而长C1QL则结合膜，验证了信号肽向信号锚的转化。

八. 预测其他介导替代翻译起始位点的蛋白质形式转换

研究者探讨了替代翻译起始位点（TIS）在其他mRNA中的信号锚定蛋白与信号肽的转换。分析显示，39种分泌蛋白可能通过上游TIS获得跨膜结构，23种蛋白在N末端截短后可能转变为可切割信号肽。

这些结果表明，可替代的TIS的使用使N末端信号序列具备灵活性，能够同时编码分泌型和跨膜型蛋白。

总结

本研究揭示了选择性翻译起始位点（TIS）在神经五聚体受体（NPR）mRNA中的作用。下游AUG起始位点导致分泌性NPR的形成，促进AMPA受体的突触聚集。此外，上游AUU起始的C1q样突触组织因子通过N末端延伸锚定在膜上。结果表明，可替代的TIS调控的N末端信号序列具有可塑性，可能广泛影响蛋白质定位和功能。

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