DC | Polysome profiling应用：斑马鱼胚胎发育中5′ UTR在翻译调控中的作用景观

导读

翻译调控在胚胎发生中决定蛋白质合成的时机和程度。经典的真核翻译起始需要核糖体前起始复合物（PIC）先招募到5'帽结构，再扫描5'非翻译区（UTR），直到找到起始密码子，这使得5' UTR成为选择性翻译的调控点，而翻译起始可能是蛋白质合成的限速步骤。

5' UTR包含影响翻译输出的元素，如RNA结构和上游开放阅读框（uORFs），或能够招募RNA结合蛋白（RBPs）的序列。

目前，研究者缺乏对脊椎动物胚胎发生过程中5' UTR调控作用的系统理解，部分因为翻译还受其他因素（如密码子组成、3' UTR和多腺苷酸尾等）的影响。尽管已有研究发现5' 和3' UTR变体可能影响翻译能力，但尚未明确5' UTR序列的独立调控作用。

大规模平行报告基因检测（MPRA）可以用于研究不同序列的调控能力，并已识别出斑马鱼MZT期间调控mRNA降解和多聚腺苷酸化的3' UTR序列。

2025年1月15日，瑞士巴塞尔大学生物中心Alexander F. Schier团队在Developmental Cell上发表了一篇题为“The regulatory landscape of 5′ UTRs in translational control during zebrafish embryogenesis”的论文，开发了一种与Polysome profiling多聚核糖体分析相结合的体内5' UTR MPRA，为研究5' UTR序列在胚胎发育过程中翻译起始中的作用提供了全面的资源，并介绍了DaniO5P作为预测5' UTR调控效应的强大工具。

文章索引

一. 构建5' UTR报告基因库

研究者利用CAGE数据重建了斑马鱼发育过程中13309个5' UTR序列，发现约10%的基因存在5' UTR同种型切换。

他们构建了一个包含这些5' UTR的报告基因库，通过体外转录生成，为研究5' UTR在翻译起始中的作用提供了工具。

二. 体内斑马鱼5' UTR MPRA揭示翻译起始调控

为了研究5' UTR在斑马鱼胚胎早期发育中的翻译起始作用，研究者设计了体内5' UTR MPRA，并结合Polysome profiling多聚核糖体分析和二代测序。

结果表明，5' UTR序列本身足以调节翻译起始，不同的5' UTR具有不同的翻译调控效果。

进一步验证显示，5' UTR的翻译调控作用与蛋白质积累变化一致，该系统地揭示了5' UTR在胚胎发育中的翻译调控潜力。

三. 5' UTR调控元素在早期发育中塑造翻译起始

研究表明，5' UTR的结构、长度、uORFs和TIS序列背景在胚胎发育过程中对翻译起始和mRNA稳定性具有显著影响。

A）含有uORFs的5' UTR显著降低核糖体招募，且uORFs数量越多，抑制作用越强。

B）5' UTR的长度与翻译起始呈负相关，较长的5' UTR通常降低翻译效率。

C）RNA二级结构的稳定性与翻译起始关系不大，但TIS前的AAACAUG序列对翻译起始至关重要。

D）较慢衰变的mRNA通常具有较高的翻译起始速率，表明翻译起始对mRNA稳定性有重要影响。

四. MPRA识别5' UTR顺式调控序列

作者通过两步方法识别了与发育阶段间核糖体招募动态相关的5' UTR顺式调控序列。

首先，通过序列富集分析发现61个序列，其中特别是富集CA的序列促进核糖体招募，而富集G和富集GC则抑制招募。随后，通过聚类分析发现与RRS动态相关的富集UGU序列。

研究者共识别出86个序列，其中44个为未研究过的新序列，可能参与翻译启动调控。

五. DaniO5P预测5' UTR序列对翻译动态的影响

作者训练了DaniO5P神经网络模型，结合5' UTR序列预测翻译动态和mRNA降解。

该模型解释了60%-93%的翻译变化，并揭示了与翻译起始和稳定性相关的序列特征，说明DaniO5P是研究5' UTR在翻译调控中的作用的有力工具。

六. 5' UTR同种型在MZT期间展现不同的翻译起始能力

斑马鱼胚胎发育过程中，TSS切换产生具有不同5' UTR的母源和合子转录本异构体，调节翻译起始。5' UTR异构体切换显著影响核糖体招募，且异构体长度和uORF数目影响翻译能力。

通过分析发现，切换改变了特定的motif序列，进一步调控翻译。实验结果表明，TSS切换通过调节5' UTR特征，为胚胎发育中的蛋白质表达提供时序调控。

总结

本文通过大规模平行报告实验和多聚核糖体分析研究了5' UTR在斑马鱼胚胎发育中的翻译调控作用，发现5' UTR长度、翻译起始位点、上游AUGs和序列motif协同作用影响核糖体招募。深度学习模型DaniO5P能够预测母源和合子5' UTR异构体的翻译活性，为5' UTR调控提供了定量模型。

点击图片查看

点击图片查看