肇濤瀾，張碩,2，錢文峰,2

特邀綜述

翻譯延伸的順式調控機理與生物學效應

肇濤瀾1，張碩1,2，錢文峰1,2

1. 中國科學院種子創(chuàng)新研究院，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，植物基因組學國家重點實驗室，北京 100101 2. 中國科學院大學，北京 100049

翻譯延伸是核糖體將信使RNA (mRNA)蘊含的遺傳信息解碼為蛋白質的有序過程，是細胞維持基本代謝活動的核心步驟。多種人類疾病(如神經(jīng)退行性疾病、癌癥等)都與翻譯延伸的異常有關。翻譯延伸作為中心法則的關鍵步驟曾是現(xiàn)代分子生物學研究的重點內容，然而方法學上的限制卻阻礙了對其動態(tài)過程以及調控規(guī)律的進一步研究。近年來，對翻譯延伸調控相關方法的突破讓與其相關的生命科學研究獲得了長足的發(fā)展，尤其是近10年來的研究揭示了翻譯延伸的復雜調控機理和多種生物學效應，為理解蛋白表達調控和疾病發(fā)生的關聯(lián)提供了新的理論視角。本文在總結翻譯延伸研究方法的基礎上，重點探討了順式調控元件(mRNA與新生肽鏈序列)對局部翻譯延伸速率的調控作用，同時列舉了翻譯延伸調控對模板mRNA和蛋白質產(chǎn)物功能的影響，包括mRNA穩(wěn)定性、蛋白質的合成與降解、蛋白質亞細胞定位以及蛋白質共翻譯折疊等，以期吸引生命科學各領域的學者共同參與翻譯延伸領域的研究。

翻譯延伸；核糖體；核糖體印跡測序；蛋白質共翻譯折疊；密碼子使用偏好；RNA二級結構；新生肽鏈

蛋白質是生命代謝最重要的有機大分子，是細胞功能的主要執(zhí)行者。生物體內所有的蛋白質都是以信使RNA (mRNA)作為遺傳信息的載體通過核糖體合成的，這一過程被稱為翻譯(translation)。翻譯過程是分子生物學的重要研究對象，3位美國科學家Holley、Khorana和Nirenberg憑借對三聯(lián)體核苷酸密碼子(codon)的破譯工作于1968年獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

翻譯過程通常包括4個步驟：起始(initiation)、延伸(elongation)、終止(termination)和核糖體循環(huán)利用(recycling)。其中，翻譯起始長久以來被認為是一條mRNA單位時間合成蛋白質數(shù)量的主要調節(jié)因素[1]，受到翻譯起始因子、Shine-Dalgarno (SD)序列等多方面的調控。然而近年來的研究表明，翻譯延伸——核糖體從mRNA的5′端到3′端定向移動的同時將三聯(lián)體核苷酸密碼子的信息解碼為氨基酸序列的過程——同樣受到精細且嚴格的調控。翻譯延伸的異常將引發(fā)mRNA的降解、錯誤的蛋白質亞細胞定位和折疊以及蛋白質的非生理性聚集[2]，進而阻礙胚胎發(fā)育與神經(jīng)系統(tǒng)的功能維持，研究顯示這些影響與包括脆性X染色體綜合征(fragile X syndro-me)、神經(jīng)退行性疾病(neurodegenerative diseases)和癌癥在內的多種人類疾病的發(fā)生有關[3]。

翻譯延伸的過程可以分解為3個過程：(1)解碼過程——在核糖體中mRNA上的三聯(lián)密碼子被特定轉運RNA (tRNA)上的反義密碼子(anticodon)所識別；(2)肽鍵合成過程——將該tRNA上攜帶的氨基酸連接到肽鏈羧基端，同時核糖體構象發(fā)生改變；(3)移位過程——核糖體向mRNA的3′端移動一個密碼子，并恢復至延伸初始構象[4]。具體而言，核糖體內部有3個可容納tRNA的位點，從mRNA的5′端至3′端依次被稱為核糖體E (Exit)位點、P (Peptidyl)位點和A (Acceptor)位點。其中，A位點用于接納攜帶單個氨基酸的氨酰tRNA (aminoacyl-tRNA或aa-tRNA)并完成密碼子識別；P位點用于裝載攜帶多肽鏈的肽酰tRNA (peptidyl-tRNA)；而脫?；蟮膖RNA (deacylated tRNA)則通過E位點被核糖體釋放。翻譯延伸需要延伸因子(elongation factor，EF)的輔助。結合有高能分子GTP的延伸因子eEF-1 (真核生物)、aEF-1 (古細菌)或EF-TU (真細菌)攜帶氨酰tRNA進入核糖體的A位點；如果該氨酰tRNA的反義密碼子可以與A位點處mRNA的密碼子配對識別，則引發(fā)GTP水解，促使EF-1/EF-TU離開核糖體A位點；GTP水解提供的能量引起核糖體發(fā)生構象變化，使位于A位點的氨酰tRNA的3′端與位于P位點的肽酰基tRNA緊密接觸；當兩個tRNA同時完成A-P位點轉移(A位點的tRNA部分移動到P位點)和P-E位點轉移后，肽鍵合成發(fā)生，此時由剛移動到P位點的tRNA攜帶多肽鏈，并且在羧基端增加了一個氨基酸，而剛移動到E位點的tRNA則成為脫氨酰tRNA；接下來，另一個延伸因子eEF-2 (真核生物)、aEF-2 (古細菌)或EF-G (真細菌)進入A位點，并通過水解其攜帶的GTP分子將核糖體恢復至延伸初始構象(圖1)。在上述過程的不斷重復中，多肽鏈持續(xù)延伸，直到mRNA上的終止密碼子進入核糖體的A位點為止。

雖然翻譯延伸過程是上述核心步驟的循環(huán)往復，且在真核和原核生物間高度保守，但眾多研究結果表明mRNA不同區(qū)域的解碼速度并不恒定，在翻譯過程中會存在核糖體在mRNA特定位置的短期暫停(pause)甚至中止(stall)等事件，暗示著翻譯延伸過程受到了嚴格的調控[5]。本文將主要從研究方法、順式調控機理和生物學效應3個角度介紹翻譯延伸領域的主要研究進展。

圖1 翻譯延伸過程示意圖

第一步：解碼過程。結合高能分子GTP的翻譯延伸因子EF-1(EF-TU)攜帶氨酰tRNA (aa-tRNA)進入核糖體A位點進行密碼子配對，E位點的脫氨酰tRNA離開核糖體。第二步：肽鍵合成過程。GTP水解引發(fā)核糖體的構象變化，使其內部兩個tRNA緊密接觸，肽鍵合成發(fā)生。第三步：移位過程。核糖體向mRNA的3′端移動一個密碼子，并通過水解翻譯延伸因子EF-2(EF-G)所攜帶的GTP分子提供能量，使核糖體恢復至初始構象。圖制于Biorender.com。

1 翻譯延伸的研究方法

1.1 核糖體結構解析

核糖體結構的解析是研究翻譯過程的重要手段，主要包括X射線晶體解析法(X-ray crystallography)、核磁共振波譜測定法(nuclear magnetic resonance [NMR] spectroscopy)以及冷凍電鏡技術(cryogenic electron microscopy, cryo-EM) 3大類。X射線晶體解析法獲得的核糖體結構分辨率最高(2.0~3.5?)[6]，并且常常用于翻譯延伸相關復合物的結構解析[7,8]。2009年，美國科學家Ramakrishnan、Steitz和以色列科學家Yonath以X射線晶體解析法為基礎的核糖體結構研究獲得了諾貝爾化學獎。X射線晶體解析法需要首先對核糖體進行結晶。然而，核糖體是大量蛋白質與多條RNA組成的大分子復合物，且在翻譯延伸過程中存在一些能量不穩(wěn)定的中間態(tài)構象，這些因素使得核糖體很難形成結晶。即使成功結晶，也會破壞構象的異質性。上述問題阻礙了生理狀態(tài)下對核糖體結構的全面與快速解析。核磁共振波譜測定法也可對核糖體結構域[9]或者新生肽鏈的結構動力學[10]進行測定。盡管Nygaard等[11]通過固態(tài)NMR方法解析了大腸桿菌()完整核糖體的化學組成和分子間相互作用，但在大多數(shù)情況下NMR測定對象的大小局限于500 kDa范圍內，不足以解析完整的原核核糖體(2000 kDa)或真核核糖體(3200 kDa)結構。最近10年來，伴隨技術的突破，冷凍電鏡對核糖體結構的分辨率已經(jīng)可以與X射線晶體解析法相媲美[12,13](圖2A)。冷凍電鏡技術無需結晶，核糖體可保持其生理狀態(tài)下的異質性特征與翻譯延伸過程的中間狀態(tài)，因此，在研究核糖體及其與翻譯延伸因子等形成的大型復合物的結構時，發(fā)揮了越來越重要的作用[14~17]。

1.2 生化動力學研究法

翻譯延伸速率(特別是肽鍵形成的速率)可以通過生化動力學方法研究。這通常需要人工配制的體外翻譯體系，該體系包含翻譯過程所需的所有組分，并且可以通過放射性同位素或熒光對新生蛋白質產(chǎn)物進行標記和濃度測定。通過檢測多個時間點的蛋白質合成量，可以繪制模型曲線，進而推算翻譯延伸速率[18,19]。例如，Wohlgemuth等[20]為了研究不同氨基酸提供羧基時形成肽鍵的速率，在翻譯體系中加入了嘌呤霉素(puromycin)(圖2B)。嘌呤霉素可以作為氨酰tRNA類似物進入核糖體A位點與位于P位點的肽鏈發(fā)生類似肽鍵形成的生化反應，在反應結束后終止翻譯延伸并釋放翻譯產(chǎn)物。該研究在嘌呤霉素濃度飽和時測定特定氨基酸與嘌呤霉素形成肽鍵的速率常數(shù)，發(fā)現(xiàn)氨基酸在提供羧基時的肽鍵形成速率不盡相同：(賴氨酸 = 精氨酸) > 丙氨酸 > 絲氨酸 > (苯丙氨酸 = 纈氨酸) > 天冬氨酸 >> 脯氨酸。

1.3 報告基因檢測法

使用人工構建的報告基因載體，將待檢測序列插入報告基因特定位置，則可以通過分析報告基因的表達水平估算插入序列對于翻譯延伸的影響。例如，Chu等[21]采用熒光素酶(luciferase)報告系統(tǒng)，將待檢測的序列插入到螢火蟲熒光素酶(firefly-luciferase)的起始密碼子下游，并將位于同一載體上且具有獨立啟動子的海腎熒光素酶(renilla-luciferase)作為內參，通過比較兩種熒光信號的強度推測該待檢測序列對翻譯延伸速率的影響。

伴隨著單分子熒光技術的發(fā)展，在活細胞中觀察單條mRNA翻譯動態(tài)的方法日趨成熟[22]。單分子翻譯檢測技術可將人為設計的報告mRNA錨定在細胞膜結構上，并采用不同的熒光分子分別標記mRNA和新生肽鏈，在較長的時間范圍內持續(xù)記錄翻譯延伸的進程[23~25]。例如，Yan等[23]通過抑制劑阻斷翻譯起始，并統(tǒng)計單位時間內從mRNA上釋放的帶有熒光標記的核糖體的數(shù)目，該數(shù)目越大則意味著翻譯延伸越快。針對mRNA序列進行修改，則可以進一步探究翻譯延伸速率的順式調控因素(圖2C)。該方法目前的局限性在于只適用于對單一基因翻譯過程的逐個研究，尚無法推廣到高通量研究之中。

圖2 翻譯延伸的研究方法

A：釀酒酵母80S核糖體冷凍電鏡解析模型(http://www.rcsb.org/structure/6SNT)。B：肽鍵形成生化動力曲線示意圖。fMet：甲酰甲硫氨酸，Puromycin：嘌呤霉素，X：待檢測氨基酸。C：單分子mRNA動態(tài)翻譯檢測示意圖。D：ribo-seq與disome-seq實驗流程示意圖。圖制于Biorender.com。

1.4 核糖體印跡測序(ribo-seq)法

在全基因組范圍研究翻譯調控可以通過ribo-seq實現(xiàn)。早在20世紀60年代，Steitz[26]就研發(fā)出通過密度梯度離心按照核糖體結合數(shù)目分離核糖體-mRNA復合物的實驗技術(polysome profiling)，用于檢測mRNA的翻譯狀態(tài)。伴隨著高通量測序技術的迅猛發(fā)展，polysome profiling技術與大規(guī)模測序技術的有力結合誕生出了ribo-seq技術。此技術采用RNA酶處理核糖體與mRNA的復合物，將因被核糖體保護而無法被RNA酶降解的mRNA片段用于高通量測序的文庫構建和序列信息讀取(圖2D)。該技術可以實現(xiàn)對某一時刻細胞內所有轉錄本上核糖體的位置信息與狀態(tài)信息的高通量捕獲，并可達到單堿基的分辨率[27]，因此，在內源基因翻譯延伸調控的研究領域具有得天獨厚的優(yōu)勢。除ribo-seq技術外，Pelechano等[28]建立的5PSeq技術也可以在單堿基分辨率下高通量捕獲核糖體的位置信息。這一技術的開發(fā)基于mRNA共翻譯降解的原理——mRNA在5?脫帽后由5?外切酶自5?端至3?端逐個堿基降解，由于外切速率大于翻譯延伸速率，5?外切酶緊跟正在進行最后一輪翻譯的核糖體行使其降解功能。因此，對無帽mRNA的5?端堿基進行測序即可獲得這些核糖體的位置信息。上述高通量技術已成為測定翻譯延伸速率和檢測翻譯延伸遲滯事件的重要手段[29,30]。

如果一個基因內部的翻譯延伸速率無差異，則核糖體應該大致均勻分布于轉錄本編碼區(qū)的各個區(qū)域。反之，如果檢測到核糖體在某段編碼區(qū)上嚴重堆積，則提示該區(qū)段存在翻譯延伸的遲滯。根據(jù)這一原理，通過ribo-seq實驗以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析可以推斷核糖體停滯的位置[31]。進一步的工作針對ribo- seq數(shù)據(jù)創(chuàng)立了算法，可以系統(tǒng)性地檢測翻譯延伸遲滯的順式調控因素，并將其應用于估算61個編碼氨基酸的密碼子各自的解碼時間[32]。

需要特別注意的是，為了防止在樣品制備過程中核糖體在mRNA上的進一步延伸，往往需要在核糖體提取的試劑中加入翻譯延伸抑制劑——放線菌酮(cycloheximide)。早期釀酒酵母()的ribo-seq實驗通常還包含細胞與放線菌酮在室溫下共孵育的步驟[27]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，室溫下的放線菌酮處理并不能完全阻止翻譯延伸過程，而且會對不同密碼子產(chǎn)生不同的抑制作用，從而影響延伸速率的測量[33,34]。因此，在使用ribo-seq研究翻譯延伸遲滯事件時應盡量避免細胞與放線菌酮在室溫下的共孵育。

當一個核糖體發(fā)生翻譯延伸遲滯時，如果其上游正常延伸的核糖體距離不遠，則可能與其發(fā)生碰撞(ribosome collision)并在mRNA上形成串聯(lián)的雙核糖體結構。因此，該結構可以更為特異地反映翻譯延伸遲滯事件的發(fā)生?；谶@一想法，一些研究工作通過改造ribo-seq實驗體系，建立了串聯(lián)雙核糖體(disome)的檢測技術disome-seq (圖2D)，并成功地在細胞內捕獲到了翻譯延伸遲滯的信號。例如在缺失亮氨酸和絲氨酸的培養(yǎng)基中生長的大腸桿菌內，可在編碼亮氨酸與絲氨酸的密碼子處觀察到大量串聯(lián)雙核糖體的富集[35]。同樣，當釀酒酵母的組氨酸合成被抑制時，可在編碼組氨酸的密碼子處觀察到串聯(lián)雙核糖體信號[36]。

ribo-seq可以用于研究同一基因不同區(qū)域的翻譯延伸速率，然而這一方法在研究不同基因的翻譯延伸速率時會失效。其原因是，不同基因上核糖體的分布除了由其延伸速率決定，也受到翻譯起始速率的影響。特別值得注意的是，在計算中通常使用的對mRNA水平的均一化并不能解決這個問題。從ribo-seq數(shù)據(jù)中拆分翻譯起始速率和延伸速率在計算上仍然存在一定困難，因此僅有少量研究工作通過實驗方法系統(tǒng)地比較了不同基因的翻譯延伸速率。例如，Ingolia等[31]在小鼠()的胚胎干細胞培養(yǎng)液中添加了翻譯起始抑制劑用以阻斷核糖體在mRNA上的持續(xù)起始，在之后的多個時間點分別進行ribo-seq分析，進而通過測定核糖體單位時間內從mRNA上的釋放數(shù)目來估算翻譯延伸速率。此外，將ribo-seq與蛋白質組聯(lián)合分析可估算翻譯起始速率，進而間接推算翻譯延伸速率[37]。

2 翻譯延伸的調控機理

順式和反式因子均對翻譯延伸有重要的調控作用。由于反式因子如翻譯延伸因子[38~40]、small RNA[41,42]等對翻譯延伸的調控作用已有較詳細的總結和討論，下文主要從順式元件角度出發(fā)，著重介紹mRNA與氨基酸序列對翻譯延伸速率的調控機理。

2.1 mRNA序列對翻譯延伸的調控作用

2.1.1 同義密碼子使用對翻譯延伸的調控作用

在大多數(shù)生物中，20種氨基酸由61種密碼子編碼。其中，18種氨基酸由不止一種密碼子編碼。人們將編碼同一氨基酸的不同密碼子稱為同義密碼子(synonymous codon)。研究發(fā)現(xiàn)，不同物種之間、同一個物種的不同基因之間以及同一個基因的不同區(qū)域之間，同義密碼子使用頻率均存在差異[43~46]。一個基因組內部基因之間同義密碼子差異使用的現(xiàn)象被稱為密碼子使用偏好性(codon usage bias)[46,47]。高表達基因傾向于使用的同義密碼子被稱為偏好密碼子(preferred codon)，其他的被稱為稀有密碼子(rare codon)。

密碼子的使用偏好參與了翻譯調控。一些學者認為偏好密碼子具有更高的解碼準確性[48,49]。而以Ikemura為代表的另一派學者則認為偏好密碼子具有更高的翻譯延伸速率(圖3A)，因此獲得更高的核糖體使用效率[44,50,51]。該“效率”假說指出，在細胞中偏好密碼子通常對應含量充足的同工tRNA (cognate tRNA)，而識別稀有密碼子的同工tRNA則拷貝數(shù)較低且含量稀少[3,52]。當稀有密碼子出現(xiàn)在核糖體A位點時，由于其對應的氨酰tRNA在細胞內濃度低，核糖體需要花費更長的時間才能完成tRNA的識別與裝載。因此，稀有密碼子具有更低的翻譯延伸速率[53]。

Curran和Yarus[54]巧妙地通過和的非同框融合基因報告系統(tǒng)檢測了29個YNN (N代表A、C、G、T四個堿基之一，Y代表C或T)密碼子的識別效率。的基因內部存在滑動序列(slippery sequence)，可以促進核糖體以一定概率在特定位點發(fā)生單堿基移位讀碼。Curran和Yarus將該滑動序列(23個堿基)下游連接YNN密碼子，并整體插入基因的上游。只有當在該滑動序列上發(fā)生向3′端的單堿基核糖體移碼時，基因才能在正確的開放閱讀框中翻譯。兩位作者假定核糖體的移位讀碼在單位時間內以一定的概率發(fā)生，且與正常的翻譯延伸構成競爭。因此，若密碼子YNN被快速識別，則移位讀碼不會發(fā)生，報告基因無法產(chǎn)生功能蛋白；當密碼子YNN識別較慢時，則發(fā)生核糖體移碼的概率上升，從而合成出正確的lacZ蛋白。他們發(fā)現(xiàn)偏好密碼子的識別速率顯著快于稀有密碼子，且密碼子之間的識別速率差異可高達25倍。S?rensen等[55]也發(fā)現(xiàn)在lacZ基因內插入偏好密碼子檢測到的翻譯延伸效率比插入稀有密碼子的版本快6倍。需要注意的是，上述研究均使用了少數(shù)報告基因，因此統(tǒng)計學上無法完全排除mRNA二級結構、堿基GC含量以及特定基序等干擾因素。通過對ribo-seq數(shù)據(jù)進行分析則可以從海量內源基因中歸納密碼子使用偏好對翻譯延伸的調控作用。Qian等[32]開創(chuàng)了依據(jù)ribo-seq數(shù)據(jù)演算每個密碼子翻譯延伸速率的先河，發(fā)現(xiàn)了同義密碼子與同工tRNA的平衡使用可以避免核糖體的閑置并促進細胞整體的蛋白質合成效率。在認識到放線菌酮共孵育所帶來的影響后，采用速凍法(flash frozen)產(chǎn)生的ribo-seq數(shù)據(jù)定性地支持了前人報告基因的研究結果——即偏好密碼子的使用可提高翻譯延伸速率。然而，同義突變對翻譯延伸速率的影響在數(shù)值上仍然存在分歧意見[33,34,56]。

圖3 翻譯延伸的調控機理與生物學效應

A：同義密碼子使用對翻譯延伸的調控作用。當位于核糖體A site的是稀有密碼子(黃色線段)時，由于其對應的同工tRNA濃度較低，因此在該區(qū)域翻譯延伸速率變慢(紅色線段)。B：mRNA二級結構對翻譯延伸的調控。位于編碼區(qū)的mRNA二級結構抑制翻譯延伸。C：肽鍵合成速率對翻譯延伸的調控。氨基酸可以通過與PTC的相互作用影響肽鍵合成速率。D：新生肽鏈序列對翻譯延伸的調控。新生肽鏈序列可通過與核糖體肽鏈輸出通道相互作用調控翻譯延伸速率。E：核糖體關聯(lián)的蛋白質質量控制(RQC)。由于翻譯延伸中止導致的串聯(lián)雙核糖體可被E3連接酶識別并進行泛素化修飾，從而引發(fā)核糖體大小亞基解離和RQC過程。在RQC過程中，已解離的核糖體大亞基中的新生肽鏈在E3連接酶Ltn1和Rqc1蛋白的協(xié)同作用下被泛素化修飾。F：非行進性降解(NGD)。內切酶切割串聯(lián)雙核糖體結合處的mRNA序列，殘余的mRNA片段則被降解。G：調控蛋白質合成速率。翻譯延伸的調控(如同義密碼子的使用)對蛋白質合成速率具有重要影響。H：調控mRNA穩(wěn)定性。含有稀有密碼子的mRNA傾向于具有更低的穩(wěn)定性。I：調控蛋白質亞細胞定位。分泌蛋白氨基端的信號序列(藍色線段)被翻譯完成后的翻譯暫停會促進其與信號肽識別因子的結合而實現(xiàn)正確的亞細胞定位。J：調控蛋白質共翻譯折疊。同義密碼子的使用和mRNA二級結構可通過影響翻譯延伸速率調控蛋白質折疊。另外，核糖體關聯(lián)分子伴侶與新生肽鏈的結合也可以輔助蛋白質的共翻譯折疊。圖制于Biorender.com。

2.1.2 mRNA二級結構對翻譯延伸的調控作用

RNA二級結構是指RNA分子通過堿基互補配對而形成的莖環(huán)(stem loop)或假結(pseudoknot)等結構。位于mRNA 5′-UTR區(qū)的二級結構可以阻礙核糖體小亞基對起始密碼子的掃描，而位于3′-UTR區(qū)的二級結構則可能削弱小RNA介導的翻譯抑制[57,58]。由于翻譯延伸過程消耗GTP中高能磷酸鍵的能量，部分學者認為核糖體及其結合蛋白可以有效打開位于編碼區(qū)的mRNA二級結構[59]。

然而，一些報道又顯示位于編碼區(qū)的mRNA二級結構可能具有翻譯延伸抑制效應(圖3B)。例如，釀酒酵母基因編碼調控交配型轉換的轉錄因子，該蛋白質在出芽繁殖時主要定位于子細胞而非母細胞中，研究發(fā)現(xiàn)這種蛋白質的極性定位是通過編碼區(qū)的mRNA二級結構抑制該基因位于母細胞中的轉錄本的翻譯實現(xiàn)的[60]。另外，單分子光鑷技術檢測單核糖體在mRNA上移動速率的結果也顯示，穩(wěn)定的mRNA二級結構可以導致核糖體的延伸暫停[61]。基于ribo-seq的高通量數(shù)據(jù)分析結果則顯示，位于核糖體入口處的mRNA二級結構對延伸速率的影響最為明顯[37]；且高表達基因傾向于具有更高的mRNA二級結構，可以通過降低翻譯延伸速率的方式確保翻譯的準確性[37]。還有研究指出，mRNA二級結構傾向存在于編碼蛋白質結構域的連接區(qū)(protein domain junction)或無序區(qū)(disordered region)[62~64]。由此Tang等[63]提出假說，當核糖體行進至這些區(qū)域時，其延伸速率會被mRNA二級結構下調，確保新生肽鏈有充分的時間實現(xiàn)蛋白質結構域的正確折疊。

在病毒中，mRNA二級結構常常與滑動序列成對出現(xiàn)。當核糖體的延伸被mRNA莖環(huán)或假結等二級結構阻攔后會滯留在上游緊鄰的滑動序列區(qū)，并因此有一定概率在此區(qū)域發(fā)生核糖體的移位讀碼，進而將新的讀碼框延伸到下游序列[65]。這種發(fā)生在固定位置的核糖體移位讀碼是程序性的，借此，病毒可使用有限的基因組編碼更多種類的蛋白質[66]。導致新冠肺炎(COVID-19)疫情的新冠病毒(SARS- CoV-2)，在其第一個開放閱讀框()中就存在一個程序性核糖體移位讀碼位點[67]，以此維持該基因編碼的pp1a和pp1b兩段多肽的劑量平衡。此外，也有報道顯示在原核與真核生物的基因組中存在程序性核糖體移位讀碼事件[38,68]。上述發(fā)現(xiàn)從另一角度表明了一些mRNA二級結構對翻譯延伸的抑制作用。

但也有研究結果指出大多數(shù)mRNA二級結構對翻譯延伸的影響力可能較弱。例如，大腸桿菌的體內mRNA二級結構譜圖分析顯示，mRNA二級結構對翻譯的調控作用似乎僅局限于翻譯起始過程，對翻譯延伸效率幾乎沒有影響[69]。對熱激處理水稻()的mRNA二級結構與ribo-seq譜圖的比較分析結果也表明，mRNA二級結構的改變與熱誘導的翻譯水平變化無顯著相關性[70]。Beaudoin等[58]甚至提出了“因果互換”的新假說：翻譯過程中的核糖體塑造了mRNA的二級結構，而非mRNA二級結構指導了核糖體的翻譯延伸。上述各類研究結果的矛盾之處使得mRNA二級結構在翻譯延伸過程中的調控功能顯得撲朔迷離，其相關機理亟待進一步的分析與挖掘。

2.2 氨基酸序列對翻譯延伸的調控作用

除mRNA序列外，氨基酸序列——位于核糖體A位點和P位點的氨基酸之間的肽鍵形成以及位于核糖體肽鏈輸出通道(exit tunnel)內的新生肽鏈序列——也是調控翻譯延伸速率的重要因素。

由于氨基酸側鏈的空間結構和化學性質存在差異，其形成肽鍵的速率各不相同(圖3C)。脯氨酸是20種生物體主要氨基酸中最為特殊的一種，其氨基(-NH2)與側鏈成環(huán)后僅存余亞氨基(-NH-)結構，因此準確地說是亞氨基酸。這使得其在位于核糖體A位點處時成為肽鍵形成的弱受體[20,71,72]。近期，A位點含有脯氨酰-tRNA類似物的核糖體結構進一步顯示，脯氨酸作為底物在肽基轉移酶中心(peptidyl transferase center, PTC)內處于不利的空間位置[73]。此外，不利的空間位置也使得位于核糖體P位點處的脯氨酸成為肽鍵形成的弱供體[74]。由于脯氨酸既是肽鍵形成的弱供體也是弱受體，當其串聯(lián)出現(xiàn)時，對翻譯延伸的抑制作用尤為明顯[74~79]。

除脯氨酸外，另一個推測可以降低肽鍵形成速率的氨基酸是甘氨酸[80]。大腸桿菌的ribo-seq結果顯示富含甘氨酸的三肽在三肽組合中具有最強的翻譯延伸抑制作用[77]。此外，對小鼠ribo-seq數(shù)據(jù)的分析也發(fā)現(xiàn)，在核糖體P位點富集的氨基酸中，甘氨酸緊隨脯氨酸之后位列第二，暗示了其對翻譯延伸的抑制作用[31]。

2.2.2 新生肽鏈序列對翻譯延伸的調控作用

阻礙肽鍵形成的氨基酸通過與核糖體肽基轉移酶中心區(qū)域的相互作用來抑制翻譯延伸，而某些新生肽鏈序列則可以通過與核糖體肽鏈輸出通道的相互作用降低翻譯延伸速率(圖3D)[81,82]。

肽鏈輸出通道是核糖體內部緊鄰P位點的一段狹長的管道結構，此管道不同位置的內徑并不一致。其中內徑最小的區(qū)段被稱作狹窄段(constriction site)，研究者認為其可通過阻礙特定新生肽鏈的通過而抑制翻譯延伸。例如在一個被廣泛研究的細菌案例中，SecM蛋白包含一段長度為17個氨基酸的F150XXX-XWIXXXXGIRAGP166(X代表可變的氨基酸)序列[83]。此序列作為新生肽鏈通過核糖體的肽鏈輸出通道會導致核糖體的暫停，此時G165占據(jù)在P位點的位置[84]。此暫?？梢l(fā)mRNA二級結構的調整，其下游基因本來位于莖環(huán)內的翻譯起始位點因此暴露出來，從而促進SecA蛋白的合成[82]。在之后的研究中，越來越多的細菌多肽序列被發(fā)現(xiàn)對翻譯延伸具有抑制作用。例如，通過遺傳篩選的方法，F(xiàn)XXYXIWPP等肽段被鑒定為翻譯延伸的抑制信號[77,85]；通過生物信息學分析，一系列在蛋白質組中低頻出現(xiàn)的短肽段也被發(fā)現(xiàn)具有抑制翻譯延伸的作用[86]。

也有觀點認為核糖體的肽鏈輸出通道是通過電勢作用來調控翻譯延伸的。有報道顯示，肽鏈輸出通道內壁的靜電勢為負值[87]，當富含正電荷氨基酸(例如精氨酸和賴氨酸)的新生肽鏈通過帶負電的肽鏈輸出通道時，因電荷的異性相吸作用，抑制了核糖體的延伸[88]。例如，基于分子卷尺(molecular tape measure)的體外實驗表明，含連續(xù)精氨酸或賴氨酸的肽鏈在完全通過肽鏈輸出通道之前會引發(fā)核糖體暫停[88]。大腸桿菌和釀酒酵母的體內實驗結果也顯示，在熒光素酶報告基因的5′編碼區(qū)插入連續(xù)的賴氨酸密碼子(AAG或AAA)可顯著下調報告基因的蛋白質合成效率[89]。在基因組水平上，Charneski和Hurst[90]對釀酒酵母ribo-seq數(shù)據(jù)的分析顯示，新生肽鏈中的正電荷氨基酸是核糖體翻譯延伸速率的主要抑制因素；且他們發(fā)現(xiàn)正電荷氨基酸對翻譯延伸的抑制作用具有累加效應，即正電荷氨基酸密度越高則核糖體停滯現(xiàn)象越明顯。然而，也有實驗室對該結果提出了不同的看法。Artieri和Fraser[91]指出，Charneski和Hurst的報道可能是數(shù)據(jù)的低覆蓋度導致的假陽性結果。Sabi和Tuller[92]對9個物種的ribo-seq數(shù)據(jù)進行了聯(lián)合分析，卻僅在3個物種中檢測到了正電荷氨基酸對翻譯延伸的抑制作用，而他們還在5個物種中發(fā)現(xiàn)負電荷氨基酸也可抑制翻譯延伸。因此，肽鏈輸出通道中新生肽鏈是否可通過電荷相互作用調控翻譯延伸尚存在爭議，相關機理有待進一步的分析與探討。

3 翻譯延伸的生物學效應

諸多情況都可能導致核糖體無法繼續(xù)行進，例如細胞處于應激狀態(tài)下，在轉錄加工錯誤或化學損傷的mRNA上，或當翻譯終止錯誤造成核糖體行進至3′-UTR甚至poly(A)尾時。此時，滯留的核糖體將激活細胞內的質量監(jiān)控系統(tǒng)，降解模板mRNA和翻譯中間產(chǎn)物[93]。然而，相對于這些不可逆的翻譯延伸中止事件，細胞內更普遍存在的可能是那些核糖體可以恢復行進的翻譯延伸暫停事件。這些翻譯暫停事件通常被認為是程序性的且具有生物適應性意義[5]，參與調控多種分子生物學過程，如蛋白質表達水平、mRNA穩(wěn)定性、蛋白質亞細胞定位以及蛋白質折疊[3,94]。

隨著焊接次數(shù)的增加，螺柱卡頭十字槽與焊槍之間的同軸度不斷增大，導致螺柱與焊槍(支撐套筒)之間形成斜角；焊槍與工件之間主要通過三角支撐套筒保證，由于人工手動操作焊槍，支撐套筒與工件無法保證每次都是三點接觸，尤其是在施焊的瞬間，一致性無法保證。

3.1 翻譯延伸中止的生物學效應

當核糖體翻譯延伸中止時，細胞會啟動核糖體關聯(lián)的蛋白質質量控制(ribosome-associated protein quality control, RQC)，通過特定調控通路降解潛在有害的新生肽鏈；并同時啟動非行進性降解(no-go decay, NGD)，特異性地降解發(fā)生翻譯延伸中止的mRNA[93]。

3.1.1 核糖體關聯(lián)的蛋白質質量控制RQC

延伸中止的核糖體可能會與位于其同一mRNA上游的核糖體發(fā)生“碰撞”或“追尾”，形成串聯(lián)雙核糖體結構。近期的研究結果表明，串聯(lián)雙核糖體可能是引發(fā)RQC的關鍵結構單元(圖3E)。冷凍電鏡結果顯示，組成串聯(lián)雙核糖體的兩個核糖體40S小亞基之間緊密接觸，為E3泛素連接酶Hel2提供了良好的底物識別平臺。在釀酒酵母中，Hel2蛋白可在核糖體40S小亞基上添加賴氨酸連接的多聚泛素化修飾[95,96]。泛素化修飾的核糖體可被RQC觸發(fā)復合體(RQC-triggering complex)識別，并導致大小亞基的解離與RQC過程[95,97]。在RQC過程中，殘留于核糖體60S大亞基中的新生肽鏈在E3泛素連接酶Ltn1和Rqc1蛋白的協(xié)同作用下被泛素化修飾(圖3E)[97]。同時，Rqc2蛋白會在該多肽鏈的羧基端添加多聚丙氨酰和三酰殘基尾(CAT-tailing)[98]。最終泛素化的多肽鏈被Vms1從核糖體大亞基中釋放[99,100]，并由Cdc48蛋白攜帶進入蛋白酶體(protea-some)降解[97,101,102]。

3.1.2 非行進性降解NGD

串聯(lián)雙核糖體在引發(fā)RQC的同時還會引發(fā)NGD。在NGD過程中，被泛素化修飾的核糖體40S小亞基可誘發(fā)細胞內某尚未報道的內切酶在串聯(lián)雙核糖體結合的mRNA序列附近進行切割(圖 3F)[103]。之后，位于切割斷點5′一側的核糖體將被Dom34- Hbs1蛋白質復合體釋放[104~106]，殘余的5′-NGD mRNA片段則被Ski復合體和外切酶體(exosome)降解；而位于切割斷點3′一側的停滯核糖體可能被釋放，也可能重新啟動完成完整的翻譯過程。之后，殘余的3′-NGD mRNA片段由Xrn1外切酶降解[5]。

值得注意的是，迄今為止被觀察到的NGD和RQC事件大部分來自于含有人為設計的翻譯延伸中止序列的報告系統(tǒng)或處于惡劣環(huán)境條件下的細胞中。例如，Doma等[103]在釀酒酵母中首次發(fā)現(xiàn)NGD途徑時使用的是含有穩(wěn)定莖環(huán)結構的PGK1-SL報告載體。此后，含有串聯(lián)多聚腺苷酸[107~109]、串聯(lián)精氨酸稀有密碼子CGA[110]、多聚正電氨基酸[97]以及被氧化的mRNA[111]等可嚴重阻礙翻譯延伸的特定序列也被廣泛應用于人工報告系統(tǒng)研究NGD和RQC。此外，在氨基酸饑餓[36]、tRNA缺乏[112]和氧化脅 迫[111]等條件下也可檢測到NGD或RQC現(xiàn)象。在正常生長條件下的細胞內源基因上檢測到的NGD或RQC事件較為少見。造成這一結果的原因可能是：在正常生長的細胞中，發(fā)生翻譯延伸中止的mRNA比例較低，且其蛋白質中間產(chǎn)物和mRNA又會被NGD和RQC途徑迅速識別降解，以目前檢測手段的靈敏度尚無法及時捕獲這些中間產(chǎn)物。通過實驗方法鑒定在正常生長條件下NGD或RQC的目標內源基因，需要人為提高細胞內發(fā)生翻譯延伸中止但尚未完全被NGD途徑降解的mRNA比例。敲除或者敲降這兩條調控通路關鍵的調控蛋白(如Hel2、Dom34和Xrn1等)從而減緩相關過程可能是實現(xiàn)這一目標的有效手段[111]。

3.2 翻譯延伸暫停的生物學效應

在正常生長的細胞中，ribo-seq實驗觀察到了大量翻譯過程中核糖體的堆積位點，暗示了翻譯延伸遲滯事件的廣泛存在性[31]。如果這些核糖體以及被其翻譯的mRNA均進入降解途徑，將會是極大的細胞資源浪費并會引發(fā)嚴重的細胞代謝紊亂。例如，有約10%的真核生物蛋白質含有多聚脯氨酸序列[5]，如果這10%的蛋白質均因多聚脯氨酸序列對翻譯延伸的抑制作用而發(fā)生翻譯中止并且被降解，對細胞將是巨大的傷害，在這樣的情況下這些多聚脯氨酸序列理應在進化中被自然選擇淘汰。事實上，多聚脯氨酸序列對翻譯延伸的抑制作用可被翻譯延伸因子eIF5A (盡管從名字看是翻譯起始因子)所緩解[76,113]：在暫停后，核糖體可沿mRNA繼續(xù)行進，翻譯出完整的蛋白質。我們將這種現(xiàn)象與翻譯延伸中止相區(qū)分，稱之為翻譯延伸暫停。翻譯延伸暫停事件在細胞內的普遍存在暗示其具有功能性調控作用，下文將分別從蛋白質表達水平、mRNA穩(wěn)定性、蛋白質亞細胞定位和蛋白質折疊等研究較多的4個方面詳細探討其生物學效應。

3.2.1 調控蛋白質表達水平

翻譯起始一般被認為是翻譯的限速步驟，其速率直接影響蛋白質合成速率[23,114]。然而越來越多的證據(jù)表明，翻譯延伸速率對蛋白質產(chǎn)量也具有重要的調控作用(圖3G)。例如Carlini等[115]改造了果蠅()乙醇脫氫酶基因()，將它的1個、6個或10個偏好密碼子替換為稀有密碼子，體內實驗顯示稀有密碼子的使用降低了ADH蛋白的水平。反之亦然，將人類() HEK-HT細胞中的原癌基因編碼區(qū)的稀有密碼子替換為偏好密碼子之后，突變體中的KRas蛋白的表達水平上調，移植瘤生長實驗顯示腫瘤增大[116]。Chu等[21]的研究工作結合報告基因和計算模擬的手段，系統(tǒng)性地探討了翻譯起始與延伸對蛋白質合成速率的協(xié)同調控作用。該研究將報告基因分別設計為全部使用偏好密碼子、使用正常配比的同義密碼子、以及全部使用稀有密碼子3個版本。實驗結果顯示，當基因具有高翻譯起始速率時，偏好密碼子版本的蛋白質產(chǎn)量明顯高于稀有密碼子版本；而當基因具有低翻譯起始速率時，3個版本的蛋白質產(chǎn)量則無顯著差異。這一研究結果表明，只有當核糖體可以在起始密碼子下游快速延伸的時候，高的翻譯起始速率才可能獲得高豐度蛋白質產(chǎn)物；否則，與高起始速率不相匹配的緩慢的翻譯延伸將成為限速步驟。更為有趣的是，還有研究表明，釀酒酵母在脅迫條件下可以通過改變特定tRNA的濃度，調控同義密碼子的翻譯延伸速率，選擇性地加速合成響應該脅迫條件的蛋白質，促進環(huán)境適應[117]。

另外，Zhao等[118]發(fā)現(xiàn)擬南芥() mRNA的poly(A)尾中含有非腺嘌呤核苷酸(C、G和T)，而且腺嘌呤純度(即一條mRNA poly(A)尾中腺嘌呤所占poly(A)尾全長的比例)的下降可以抑制蛋白質的合成。這可能是因為腺嘌呤純度較高的poly(A)尾可以通過5′端帽子(5′-cap)結合蛋白(eIF4E)、腳手架蛋白(eIF4G)和poly(A)結合蛋白(PABP)構成的蛋白質復合體促進mRNA的首尾成環(huán)(cap-to-tail looping)，提升翻譯結束后被釋放的核糖體重啟翻譯的回收效率，進而提高翻譯起始速率和蛋白質合成速率。

3.2.2 調控mRNA穩(wěn)定性

翻譯延伸速率不僅可影響蛋白質表達量，還有報道顯示其對mRNA水平的調控：同義密碼子的使用可直接調控mRNA的穩(wěn)定性(圖3H)。例如，Chen等[119]通過構建報告基因的上千個同義突變體發(fā)現(xiàn)，含有偏好密碼子的基因傾向于具有更高的mRNA穩(wěn)定性和表達水平；在排除了mRNA二級結構與GC含量等干擾因素的影響后依然如此。Schikora-Tamarit和Carey[120]認為這是一種細胞識別“移碼”轉錄本并將其降解的機制，因為閱讀框移碼后偏好密碼子的使用可能會減少。Espinar等[121]進一步發(fā)現(xiàn)組成型表達的基因的mRNA水平受密碼子偏好性的影響更大，其機制與RNA解旋酶Dbp2有關。其他研究組的工作將密碼子使用偏好性、mRNA穩(wěn)定性和翻譯調控3方面進行聯(lián)系：在斑馬魚()和爪蟾(的卵母細胞向合子的轉變過程中，富含偏好密碼子的基因具有更高的mRNA穩(wěn)定性、更長的poly(A)尾和更高的翻譯效率[122]；釀酒酵母中的研究結果則表明，偏好密碼子在具有更快的翻譯延伸速率的同時，也具有更高的mRNA穩(wěn)定性[123]，而這一偶聯(lián)是由Dhh1蛋白介導的[124]。另一個斑馬魚中的研究工作更是直接指出，稀有密碼子介導的mRNA降解過程是依賴于mRNA翻譯的——當人為阻斷翻譯起始時，富含稀有密碼子的mRNA不再被快速降解[125]。

3.2.3 調控蛋白質亞細胞定位

翻譯延伸還可以調控蛋白質的亞細胞定位(圖 3I)。定位于內質網(wǎng)的分泌蛋白通常在其氨基端具有5~30個氨基酸的信號肽序列(signal peptide)，當此序列被翻譯完成后會與信號肽識別因子(signal recognition particle, SRP)結合，與此同時信號肽識別因子會將自身插入核糖體A位點，通過阻止氨酰tRNA進入的方式暫停翻譯延伸，直至翻譯暫停的mRNA-核糖體復合物正確定位至內質網(wǎng)后，翻譯延伸才重新恢復[126,127]。一些學者認為神經(jīng)退行性疾病亨廷頓綜合征(Huntington’s disease, HD)是由翻譯延伸調控紊亂引發(fā)的蛋白質錯誤定位導致的。亨廷頓綜合征的致病蛋白Htt的第一個外顯子從氨基端起依次編碼17個氨基酸的定位信號肽(N17)、19個谷氨酰胺的串聯(lián)序列以及長度為38個氨基酸的富脯氨酸序列[128]，其中谷氨酰胺串聯(lián)序列的加長突變(≥35個氨基酸)可引發(fā)疾病[129~131]。在正常的Htt中，脯氨酸序列位于信號肽N17序列下游的30~57個氨基酸的最佳位置來暫停翻譯延伸，此時N17剛剛從核糖體肽鏈輸出通道中暴露出來，為信號肽識別因子提供了最優(yōu)結合肽鏈長度和充足的識別時間，使得Htt蛋白可以在信號肽識別因子的幫助下正確定位于高爾基體、內質網(wǎng)或線粒體[132]；而在突變的Htt中，隨著N17序列從核糖體肽鏈輸出通道出現(xiàn)，其后方的加長谷氨酰胺區(qū)域將被快速翻譯(速率比脯氨酸快2~6倍)[71,91]，因此信號肽識別因子將沒有足夠的時間與N17結合，進而導致突變的Htt錯誤地聚集于細胞質并引發(fā)疾病[133]。

3.2.4 調控蛋白質折疊

新生肽鏈的正確折疊對蛋白質正常執(zhí)行其分子功能至關重要，而蛋白質的錯誤折疊和聚集則可導致多種嚴重的人類疾病，如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)、朊病毒(prion)相關疾病和帕金森病(Parkinson’s disease, PD)等[134~136]。模擬分析結果顯示，近1/3的胞質蛋白質存在共翻譯折疊現(xiàn)象(co-translational protein folding)[137]，暗示了翻譯延伸速率可能對蛋白質折疊發(fā)揮重要的調控作用(圖3J)。

核糖體在同一條mRNA上延伸速率的異質性可能直接影響新合成蛋白質的構象。迄今為止，大多數(shù)相關例證均與密碼子使用偏好性有關[138]。例如，稀有密碼子被發(fā)現(xiàn)在蛋白質結構域邊界區(qū)成簇出現(xiàn)，由其導致的翻譯暫停一般被認為可為其上游蛋白質結構域的正確折疊提供充足時間[119,139~142]。通過改變同義密碼子使用的方式改變翻譯延伸速率可生成構象和功能異常的蛋白質[143~146]。除同義密碼子的使用之外，一些基因組證據(jù)顯示mRNA二級結構也可通過調控翻譯延伸速率影響蛋白質折疊[147]。例如，擬南芥的mRNA二級結構傾向于在蛋白質結構域連接區(qū)或無序區(qū)增強，這可能會通過減緩翻譯延伸保證新生肽鏈有充足的時間折疊出正確的蛋白質結構域[63]；美國國家生物技術信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI) Koonin課題組通過分析兩個真核生物和3個原核生物的蛋白質結構數(shù)據(jù)也得到了類似的結論[148]。

蛋白質的共翻譯折疊在新生肽鏈進入核糖體肽鏈輸出通道的一刻即可開始[10]。核糖體肽鏈輸出通道可容納30~40個氨基酸長度的新生肽鏈，其寬度(10~20 ?)一般認為足夠容納α-螺旋(α-helix)等小型蛋白質二級結構在其內部折疊[149~153]。肽鏈輸出通道出口外的新生肽鏈則可以與核糖體表面相互作用，這也可能調控蛋白質的折疊[154~156]。位于肽鏈輸出通道外部的新生肽鏈還會接觸到大量細胞質中的核糖體關聯(lián)蛋白因子(ribosome-associated protein factor)與分子伴侶(chaperone)，這些蛋白因子與核糖體及新生肽鏈的動態(tài)結合也被認為對蛋白質的共翻譯折疊起到重要的調控作用[157~159]。例如，Liu等[160]研究顯示，細菌中唯一的核糖體相關分子伴侶——觸發(fā)因子(trigger factor)可通過結合EF-G的新生肽鏈來抑制結構域之間的錯誤相互作用，并防止未折疊區(qū)域的多肽對已折疊結構域的構象破壞。

4 結語與展望

翻譯延伸并非mRNA上密碼子解碼過程的簡單重復，mRNA的編碼序列攜帶的信息也并非只有氨基酸序列。相反，mRNA序列里蘊含著豐富的遺傳信息，可調控蛋白質的合成、折疊、亞細胞定位以及mRNA的穩(wěn)定性。伴隨著研究手段的不斷突破與創(chuàng)新，翻譯延伸的調控機理和生物學效應開始逐步被解析與認知?？紤]到生物體在不同的外界環(huán)境下、不同發(fā)育時間節(jié)點、不同器官組織細胞類型之間乃至同一細胞內的不同mRNA中，翻譯延伸過程均可能受到特異的調控，翻譯延伸過程的動態(tài)性與復雜性可能遠遠超過人們目前的認知。

關于翻譯延伸當下仍有許多問題有待進一步探索。例如，細胞內核糖體組分的異質性是否參與調控翻譯延伸速率？細胞如何區(qū)分翻譯中止與暫停產(chǎn)生的串聯(lián)雙核糖體并引導不同的下游響應？細胞是通過哪些反式作用因子調整翻譯延伸響應外界環(huán)境變化的？翻譯延伸調控機器是否參與應激顆粒(stress granule)的形成從而迅速響應外界環(huán)境變化？翻譯延伸調控的紊亂究竟是如何參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生與發(fā)展的？大量已有的以核糖體為靶點的藥物是否可以用于改善翻譯延伸速率并促進病理蛋白質的正確折疊？這一系列問題的解答必將為蛋白折疊相關疾病的診斷與治療提供新的見解。

另外，設計新的生物系統(tǒng)、賦予細胞嶄新的生物學功能的合成生物學方興未艾。還有一系列翻譯調控相關問題有待回答。例如，如何優(yōu)化mRNA序列以避免翻譯延伸遲滯對核糖體的占用和對細胞整體翻譯效率的影響？如何優(yōu)化mRNA序列以促進特定蛋白質的正確折疊與亞細胞定位？因此，對于翻譯延伸調控背后錯綜復雜的分子機理的解析還將幫助合成生物學建立未來人工設計的新規(guī)則。

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[159] Waudby CA, Dobson CM, Christodoulou J. Nature and regulation of protein folding on the ribosome., 2019, 44(11): 914–926.

[160] Liu KX, Maciuba K, Kaiser CM. The ribosome cooperates with a chaperone to guide multi-domain protein folding., 2019, 74(2): 310–319.e7.

-regulatory mechanisms and biological effects of translation elongation

Taolan Zhao1, Shuo Zhang1,2, Wenfeng Qian1,2

Proteins are biological macromolecules essential for cells to maintain their metabolic activities. Proteins are synthesized during translation elongation, a synergistic process in which ribosomes decode the genetic information transmitted in mRNA, using tRNA. Numerous human diseases, such as neurodegenerative diseases and cancers, are known to be related to abnormal translation elongation. Translation elongation, as one of the two critical steps for the central dogma, used to be the focus of research in molecular biology. However, limitations in methodology had hindered further investigations on the dynamic process of translation elongation and its regulation. Recently, breakthroughs in methodology have revived this research field. Studies in the past decade or so have revealed that, beyond simple decoding of genetic information in mRNA, translation elongation entails sophisticated regulatory mechanisms and multifaceted biological consequences; such insights have provided a novel theoretical framework for understanding the maintenance of protein homeostasis and the development of diseases. In this review, we summarize the most updated methods that can be used to investigate the processes of translation elongation and highlight the mechanisms by which mRNA and protein sequences modulate the local rate of translation elongation. We further enumerate the consequences of dysregulation in translation elongation, from various aspects such as mRNA stability, protein synthesis and degradation, protein subcellular localization, and co-translational protein folding. We anticipate that this review will serve to draw the attention of scholars in various research fields to participate in the study of translation elongation.

translation elongation; ribosome; ribo-seq; co-translational protein folding; codon usage bias; RNA secondary structure; nascent polypeptide

2020-03-18;

2020-06-28

國家重點研發(fā)計劃項目(編號：2019YFA0508700)和國家自然科學基金項目(編號：31900455,91331112)資助[Supported by the National Key R&D Program of China (No. 2019YFA0508700), and the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31900455, 91331112)]

肇濤瀾，博士，研究方向：翻譯調控。E-mail：tlzhao@genetics.ac.cn

張碩，在讀碩士研究生，專業(yè)方向：翻譯調控。E-mail: shzhang@genetics.ac.cn

肇濤瀾和張碩為并列第一作者。

肇濤瀾。

錢文峰，博士，研究員，研究方向：進化基因組學、翻譯調控、植物單細胞組學。E-mail: wfqian@genetics.ac.cn

10.16288/j.yczz.20-074

2020/7/9 10:44:43

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20200707.1642.002.html

錢文峰課題組的主要研究方向之一是蛋白質翻譯調控及其進化。建立在高通量的報告基因突變體蛋白質水平測定(sort-seq)和翻譯組學(ribo-seq)兩大技術的基礎上，以釀酒酵母、擬南芥、線蟲等多個具有進化代表意義的物種為研究材料，系統(tǒng)鑒定了參與翻譯調控的順式作用元件和反式作用因子，并探究了它們的細胞生物學效應。發(fā)現(xiàn)了反式剪接和poly(A)尾中的鳥嘌呤可以調控蛋白質翻譯效率，同義密碼子可以通過翻譯延伸速率調控mRNA穩(wěn)定性，以及蛋白質質量控制機制參與調控非整倍體細胞蛋白質的劑量平衡。相關研究成果發(fā)表在、、、等期刊上?，F(xiàn)主持國家重點研發(fā)計劃“蛋白質機器與生命過程調控”青年項目1項。

(責任編委: 朱衛(wèi)國)