陆剑课题组揭示uORF适应性进化及在果蝇不同发育阶段中的调控作用

2018年7月21日，国际着名学术期刊PLOS Biology以长文情势在线发表生命科学学院陆剑课题组题为“Genome-wide maps of ribosomal occupancy provide insights into adaptive evolution and regulatory roles of uORFs during Drosophila development”的研究论文。该论文借助核糖体图谱技术揭示了上游开放阅读框（uORF）的进化规律及其在果蝇不同发育阶段中起到的调控作用。

位于5’非翻译区的上游开放阅读框（uORF）在真核生物中广泛存在。uORF可以通过竞争性的结合蛋白质翻译机器核糖体来克制下流编码区（CDS）的翻译。不少人类疾病都与DNA突变引入新的uORF或者破坏已有的uORF有关。尽管大多数引入新uORF的突变都是有害的而且会在天然选择作用下从基因组中消灭掉，我们仍不清楚基因组中为什么照旧有许多比预期更保守的uORF。

为了诠释这一征象，陆剑课题组借助核糖体图谱（Ribosome Profiling）和RNA测序技术，绘制了果蝇生活周期不同发育阶段的全基因组水平高精度翻译图谱。在此基础上，该课题组发现果蝇基因组中90%左右的uORF都可以被核糖体翻译（图A），uORF结合核糖体的能力重要跟肇端密码子四周的Kozak序列的适合程度以及肇端密码子自己的保守性相干。结合果蝇群体中核苷酸多态性的数据，研究人员首次证实了在黑腹果蝇中新固定下来的引入uORF的突变是受到正选择的（图B），这一趋势在那些能够结合核糖体而被翻译的uORF上更加显明。

为了进一步探讨uORF怎样建立适应性功能，研究人员还从全基因组水平研究了uORF对CDS翻译的克制作用。分析发现5’非翻译区uORF的数目，uORF的Kozak序列和肇端密码子的保守性是影响uORF对CDS克制强弱的重要因素。通过比较uORF在不同发育阶段的表达和翻译情况，研究人员发现许多uORF在果蝇发育过程中是选择性使用的。uORF的选择性使用可以通过两种机制来调控下流CDS的翻译：1）通过可变剪切或者使用不同的转录肇端位点，基因可以表达具有不同5’非翻译区的mRNA，如许5’非翻译区的uORF数目可能会增长，从而对下流CDS有更强的克制作用，反之亦然；2）5’非翻译区序列不发生改变的情况下，可以通过改变uORF自身翻译的强弱来改变uORF跟下流CDS竞争核糖体的能力，也能实如今发育过程中对CDS翻译的动态调控。

本研究揭示了uORF的演化规律以及uORF如何在发育过程中通过选择性使用调控CDS的翻译，为该领域的研究提供了新思路。同时该研究产生的全基因组水平高精度的翻译图谱也将有助于许多其他相干的研究。

陆剑为该论文的通信作者，生科院博士生张宏、窦圣乾是论文的共同第一作者，生科院博士后何峰、罗俊杰、生科院魏丽萍先生也参与了这项工作。该项研究得到了科技部、国家天然科学基金、青年千人计划和北大-清华生命科学联合中间的大力支撑。

编辑：凌薇