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什么是上游起始密码子?

2022.4.19

约50%的智人(Homo Sapiens)基因带有上游起始密码子(上游AUG)。尽管真核细胞每条mRNA只表达一个蛋白,但其依然可以带有多个上游可读框和上游AUG,只是其并不翻译产生具有生物学意义的蛋白。理论上,真核细胞会翻译其mRNA上游到下游扫描遇到的第一个AUG,并且在翻译完成后解离。这意味着上游AUG的存在将阻碍下游AUG的启动,进而阻碍具有生物学意义的蛋白的表达。但这并不是绝对的,上游AUG/ORF的确起到负调控的作用,但不能完全阻止下游ORF的翻译。其具体机制尚不完全清楚。

上游密码子的克服

一般认为核糖体可以通过以下两种方式来克服上游AUG的阻碍:

(1)直接略过第一个AUG。

一般有两种猜想支持这一个方法:Kozak序列和二级结构。由于一部分上游AUG带有较为保守的Kozak序列:A/GNNAUGG,或许生物可以通过某种机制识别这一序列进而直接略过上游AUG的翻译。同时,也有研究表明在上游AUG周围出现二级结构可以使得其被核糖体略过而不启动翻译,而其在机制上并不容易理解,因为理论上eIF4A会解旋所有二级结构,保证翻译不受影响。

(2)翻译在上游ORF终止后重新启动。

由于ORF大多很短(只有3-10个氨基酸),核糖体小亚基或许在翻译结束后继续和mRNA互作,并持续扫描而并不解离下来。一般认为此类机制下的翻译重启也会受到下游终止密码子的影响。

上游密码子的调控作用

已有证据表明,上游密码子是细胞内经常采取的一种通用调节翻译的机制。下面以GCN4在响应低氨基酸应激过程中的翻译调控为例进行讨论。

GCN4作为一类蛋白因子,可以上调一大类氨基酸合成酶的表达。GCN4的mRNA具有非常特殊的5'端结构,大体如下:

GCN4的mRNA具有非常特殊的5'端结构

突变4个uORF的起始密码子AUG,依次建立了4个突变组M1~4,同时再另取一组将其ORF2~4起始密码子AUG均突变,建立了第5个突变组M5,保留一组野生型(WT)作对照,实验观察GCN4在高氨基酸和低氨基酸下的表达情况,可以得到如下结果(+表示表达,-表示不表达):

低氨基酸

高氨基酸

M1

-

-

M2

+

-

M3

+

-

M4

+

+/-

M5

+

+

WT

+

-

其调控机制是这样的:

GCN2是GCN4的同家族蛋白,可以响应低氨基酸状态,进一步作为激酶磷酸化eIF2。磷酸化的eIF2可以抑制eIF2B的鸟苷酸交换因子活性。不同寻常的是,核糖体在翻译经过ORF1起始密码子后,部分翻译起始因子得以保留,待经过终止密码子后,大亚基解离,小亚基和部分翻译起始因子继续保留在mRNA上。

①当氨基酸含量充足时,激酶GCN2 不响应,eIF2 未被磷酸化,eIF2B 鸟苷酸交换因子活性正常,将 eIF2 由 GDP 结合态转变为 GTP 结合态,后者状态的 eIF2 正常结合氨酰-tRNA 并转运至核糖体 P 位点;由于核糖体度过 ORF1 后可继续结合并在 mRNA 上移位。由于 eIF2·GTP·tRNA 三元复合物较充足,核糖体容易在 uORF 区域结合 tRNA 进而对 ORF2~4 中的任意一个进行翻译产生不具有生物学意义的短肽,而翻译后的核糖体从 mRNA 上脱离,不接触 dORF,GCN4 不表达;

②当氨基酸含量不足时,激酶GCN2 应激进而具有激酶活性,磷酸化 eIF2,磷酸化的 eIF2 无法被 eIF2B 交 换磷酸鸟苷,仍然处于 GDP 结合态,GTP 结合态的 eIF2 减少,则 eIF2·GTP·tRNA 三元复合物数量减少; 此时在 mRNA 上移位的核糖体小亚基不易遇到合适的 tRNA 并开始翻译,有更大机会度过 uORF 区域进入 大间隔区;由于大间隔区长度大,赋予了核糖体小亚基更多的时间让其有更大机会遇到合适的 tRNA 并在 dORF 区域开始翻译,GCN4 进而表达。

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