Nature | Ribo-seq应用：核内eIF1的释放限制了有丝分裂期间的起始密码子选择

导读

人类细胞通过可变转录、剪接和翻译差异性解码遗传物质，从而产生广泛的蛋白质多样性。

翻译调控使细胞能迅速改变正在生成的蛋白质集合，而无需等待转录组的变化，这在转录受抑时尤为重要。

在翻译调控中，起始密码子选择的调控能够通过差异化产生上游开放阅读框、经典蛋白质和替代翻译亚型来重塑蛋白质组。然而，起始密码子选择改变的具体条件尚不清楚。

2024年10月23日，美国麻省理工Iain M. Cheeseman团队在Nature上发表了一篇题为“Nuclear release of eIF1 restricts start-codon selection during mitosis”的论文，发现eIF1从细胞核释放并在核膜分解后与40S核糖体结合，介导了分裂期的选择性翻译，揭示了细胞在有丝分裂周期中通过调控全局翻译起始的选择性，从而在细胞周期中维持分裂期的细胞生理稳定。

文章索引

【标题】Nuclear release of eIF1 restricts start-codon selection during mitosis

【发表期刊】Nature

【发表日期】2024年10月23日

【作者及团队】美国麻省理工Iain M. Cheeseman团队

【IF】64.8

研究结果

一. 有丝分裂期间的起始密码子选择

在有丝分裂过程中，细胞的翻译起始选择发生广泛变化，影响特定蛋白质的合成，从而对有丝分裂功能和细胞存活至关重要。

作者通过Ribo-seq核糖体印迹分析在HeLa细胞中识别出15902个翻译起始位点，约3993个在有丝分裂和分裂间期之间使用模式不同，表明有丝分裂期间启动密码子的选择更为严格。

这些变化主要表现为主要开放阅读框（ORF）的使用减少，同时替代N端异构体和上游ORF（uORF）的翻译受到抑制。

以MDM2为例，其uORF在有丝分裂期间被优先翻译，进而抑制主要ORF的翻译，这种翻译调控机制在有丝分裂延迟条件下增强细胞的存活能力。

二. 有丝分裂期间翻译起始的选择性增强

Ribo-seq数据分析表明，有丝分裂期间翻译起始的选择性增强，偏向AUG起始密码子和强Kozak序列，抑制低效率非AUG起始，重新塑造了细胞的蛋白合成模式。

这一调控机制在有丝分裂中确保特定蛋白质的优先生成，有助于维持细胞稳定。

三. 有丝分裂中的eIF1与核糖体相互作用

有丝分裂期间翻译起始严格性显著变化，表明翻译机制的差异。尽管翻译因子和核糖体蛋白总水平相似，eIF1在有丝分裂时在40S分馏中显著富集，而eIF5则减少。

eIF1增加起始密码子的选择严格性，eIF5则降低。两者的竞争可能导致它们在有丝分裂期间的相对变化，进而影响翻译起始严格性。

四. eIF1在细胞核内被隔离

研究发现，eIF1和eIF5在细胞周期中的总水平相似，且磷酸化状态没有显著变化。通过分析亚细胞定位，作者发现GFP-eIF5仅定位于细胞质，而GFP-eIF1则在细胞质和细胞核中均有分布。

内源性eIF1在多种细胞类型中主要定位于细胞核，并与多种核蛋白相互作用，这表明eIF1在不同细胞类型和生物体中都存在于细胞核。

五. 在有丝分裂期间核内eIF1的释放

有丝分裂细胞中，起始密码子选择的严格性增加，核内eIF1在此过程中发挥重要作用。进入有丝分裂时，核膜破裂释放eIF1至细胞质，促进与40S核糖体的相互作用。

作者发现eIF1在有丝分裂中保持在细胞质中，并在结束后迅速回核。此外，小鼠卵母细胞也在减数分裂中释放eIF1，这些结果说明核内eIF1的释放提高了有丝分裂期间起始密码子选择的严格性。

六. 核内eIF5抑制核内eIF1

有丝分裂期间，核内eIF1释放后，细胞质中eIF1的增加可能增强翻译起始的严格性。由于eIF1和eIF5竞争结合40S核糖体，eIF1的释放会减少结合的eIF5。

研究人员在HeLa细胞中外源性表达了带核定位序列的eIF5（NLS–eIF5），结果发现NLS–eIF5部分抑制了有丝分裂期间的翻译严格性变化，并导致EIF5 5′ UTR荧光素酶报告的特异性抑制，表明核内eIF5池可以部分中和eIF1释放的影响。

七. 核内eIF1控制有丝分裂的严格性

作者研究了外源性表达核内eIF1对有丝分裂期间起始密码子选择严格性的影响。结果表明，外源性GFP标记的eIF1在有丝分裂期间能抑制内源性eIF1约十倍，而特异性核内eIF1（NLS–GFP–eIF1）在间期不影响严格性。

此外，消除核内eIF1会显著降低CUG荧光素酶报告基因的抑制程度，表明核内eIF1的释放在提高有丝分裂期间翻译严格性中起关键作用。因此，调节eIF1的核质比率可差异性调控翻译起始严格性。

八. 核内eIF1促进有丝分裂的生存能力

核内eIF1的缺失降低了有丝分裂期间的翻译起始严格性，导致核编码线粒体mRNA的翻译受抑制，并使细胞的线粒体膜电位下降，最终导致细胞死亡。这表明核内eIF1及其增加的翻译严格性对有丝分裂停滞期间的细胞生存至关重要。

九. 核内eIF1调节有丝分裂滑脱

缺乏核内eIF1的细胞在有丝分裂中滑脱（mitotic slippage ）的比例显著降低。CDC20的替代翻译亚型比率调节有丝分裂滑脱，缺乏核内eIF1的细胞无法积累CDC20 M43亚型，抑制滑脱，外源性表达CDC20 M43则可拯救这一缺陷。

总之，eIF1的核释放增加起始密码子的选择严格性，调节有丝分裂滑脱与细胞死亡的平衡，影响对抗有丝分裂化疗药物的敏感性。

总结

有丝分裂期间，起始密码子选择的严格性增加，低效起始位点被优先抑制，导致蛋白质翻译变化。本研究发现这种严格性增强源于核膜破裂时核内eIF1的释放，增强了eIF1与40S核糖体的结合。耗竭核内eIF1会消除翻译严格性变化，影响大量蛋白质合成，且阻止翻译重编程会增加细胞死亡并减少细胞滑脱。

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