文章分享 | 基于翻譯組學(xué)技術(shù)揭示小麥籽粒發(fā)育過程中的翻譯調(diào)控機(jī)制

2023年發(fā)表在The Plant Cell上的“The translational landscape of bread wheat during grain development"文章，發(fā)現(xiàn)了上游開放閱讀框（uORFs）、下游開放閱讀框（dORFs）和長鏈非編碼RNA中的開放閱讀框（lncORFs）等翻譯元件上新的翻譯調(diào)控事件。文章主要結(jié)論包括：

l  許多功能基因的翻譯以階段特異性的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

l  小麥籽粒中廣泛存在的開放閱讀框（ORF）表達(dá)活躍。小麥籽粒發(fā)育中，上游開放閱讀框（uORFs）作為翻譯調(diào)控元件可以抑制或者激活mRNAs的翻譯。uORFs、dORF和microRNAs可協(xié)同調(diào)節(jié)基因翻譯。

研究首先對小麥籽粒連續(xù)發(fā)育階段（開花后5天、10天和15天）的總mRNA(RNA-seq)、多聚體mRNA(Poly-seq)和核糖體保護(hù)的mRNA片段(Ribo-seq)進(jìn)行了高通量測序（Fig. 1A）。為了檢查Ribo-seq文庫質(zhì)量，對與翻譯過程相關(guān)的RFs分布和reads基因組分布等特征進(jìn)行分析（Fig. 1B）。與RNA-seq和Poly-seq相比，Ribo-seq的reads主要定位于編碼區(qū)，UTR區(qū)較少（Fig. 1C）。研究對所有樣本進(jìn)行了基因表達(dá)分析、主成分分析（PCA）以及不同發(fā)育階段的多聚核糖體譜分析（Poly-seq），發(fā)現(xiàn)Poly-seq數(shù)據(jù)適合于轉(zhuǎn)錄豐度的定量，Ribo-seq數(shù)據(jù)適合用于揭示ORF的位置，得到的數(shù)據(jù)集可用于研究小麥籽粒發(fā)育過程中的翻譯調(diào)控過程（Fig. 1D和E）。

Figure 1. Polysome profiling and ribosome profiling expose translational dynamics during grain development.

研究還發(fā)現(xiàn)在小麥籽粒發(fā)育的不同階段，Ribo-seq、RNA-seq和Poly-seq中可檢測到許多相同的差異表達(dá)基因（DEGs），表明3種類型的文庫之間存在高度相關(guān)性。研究進(jìn)一步對這些DEGs的轉(zhuǎn)錄豐度進(jìn)行共表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)了C5和C6在轉(zhuǎn)錄組和翻譯組之間表達(dá)模式不一致，推測翻譯調(diào)控可能影響某些基因的表達(dá)（Fig. 2A）。研究隨后通過基因GO富集分析來確定差異翻譯基因可能涉及的生物學(xué)過程，表明了功能基因在谷物發(fā)育過程中受到廣泛的翻譯調(diào)控。

Figure 2. Translational dynamics of gene expression during grain development.

為了確定與小麥籽粒翻譯調(diào)控相關(guān)的序列特征，研究比較了mRNAs編碼序列（CDS）、5’UTR和3’UTR區(qū)域的序列長度、GC含量和標(biāo)準(zhǔn)化最小自由能（NMFE），發(fā)現(xiàn)這些序列特征可能導(dǎo)致了同源序列的翻譯不平衡（Supplemental Fig. S10）。

Supplemental Figure S10. Sequence features of mRNAs change their TSs.

研究使用RNA-seq和Ribo-seq數(shù)據(jù)計算了ORF的翻譯效率(TEs)，發(fā)現(xiàn)了uORFs可以通過調(diào)節(jié)mORF豐度影響基因的翻譯效率（Fig. 5A和B）。研究還發(fā)現(xiàn)uORFs的Kozak序列并不是保守的（Fig. 5C），而且uORFs的變異可能影響一些具有相似功能的同源基因的翻譯效率。研究使用了基于RNA-seq和Poly-seq數(shù)據(jù)的翻譯狀態(tài)（TSs），在全基因組范圍內(nèi)預(yù)測了miRNA介導(dǎo)的翻譯調(diào)控的關(guān)系，表明miRNA可能通過抑制翻譯來下調(diào)基因表達(dá)（Fig. 6A-E）。為了進(jìn)一步研究miRNAs和uORFs在翻譯水平上對基因表達(dá)的協(xié)同作用，研究將基因分為4組，結(jié)果表明u+m+（存在uORFs和miRNA靶點）組翻譯狀態(tài)低。研究還發(fā)現(xiàn)dORFs可能一定程度上增強(qiáng)mRNAs的翻譯，但與miRNA或uORFs之間無顯著協(xié)同作用（Fig. 6F）。

Figure 6. Combinatorial regulation of gene expression at the translational level by upstream open reading frames (uORFs), downstream ORFs (dORFs), and microRNAs (miRNAs).

小結(jié)

研究聯(lián)合Ribo-seq、Poly-seq和RNA-seq技術(shù)，全面分析小麥籽粒發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組和翻譯組，揭示全基因組范圍內(nèi)的翻譯調(diào)控事件。