被忽略的翻譯調(diào)控

在研究編碼基因表達豐度的時候，我們實際上最關心的中心法則的終產(chǎn)物——蛋白,，而不是中間產(chǎn)物mRNA,。但由于檢測的便利性，使用最普遍的卻是轉錄組測序（RNA-seq）,。

這意味著,，在這種情況下我們將基因的轉錄豐度看作是功能產(chǎn)物——蛋白的豐度。顯而易見,，這種替代式的方法（把mRNA當成蛋白）是有很大誤差的,。因為，細胞內(nèi)的mRNA不是以相同的速率被翻譯的,，mRNA的豐度并不一定能反應基因在細胞內(nèi)行使功能的狀態(tài),。

也就是說，細胞中有多少mRNA本身沒有意義,，大部分mRNA只有被真正翻譯為蛋白才能行使真正的作用,。那么這個關鍵步驟是什么呢？當然就是翻譯的過程,。

圖1 RNA只是中心法則的中間狀態(tài),，而不是終點

翻譯的過程是什么樣的

翻譯的過程是什么樣的呢？基本過程包括：

mRNA的5’帽子結構或IRES序列（核糖體進入位點序列）,，引導核糖體復合物與mRNA分子結合,。mRNA分子被夾在核糖體蛋白大亞基和小亞基之間。

核糖體在mRNA分子上滑動,。根據(jù)mRNA的三聯(lián)密碼子模式,，核糖體每移動3個堿基，將會停頓一次,，然后tRNA會轉運一個對應匹配的氨基酸過來,，進行一次肽段延伸（加一個氨基酸）,，依次不斷重復。

當核糖體遇到終止密碼子或其他因素刺激后,，翻譯終止,。那么，核糖體將從mRNA上分離,，一條新生肽段將宣告合成完畢,。

備注：當然，大部分肽段還需要后期的加工,，形成高級三維結構,，才能成為真正有功能的蛋白。但蛋白的豐度,，大部分是由翻譯這一步?jīng)Q定的,。

圖2 mRNA和核糖體結合的示意圖

不同mRNA分子的翻譯速率差異極大

另外，我們要摒棄1個mRNA分子同時只能合成一條肽段的想法,。因此,，正在翻譯的mRNA分子，大部分時候同時被多個核糖體結合（如下圖）,。如果把1條mRNA看成一條流水線的話,，這條流水線可不僅僅只有1個工人（核糖體），而是有幾個工人同步開工的,。

圖3 一條mRNA上可以同時結合多個核糖體

因此,，在細胞內(nèi)部從mRNA到蛋白的過程，是個充滿變數(shù)的過程,，這一點早有不止一篇文獻報道,。如下圖來源一篇nature文章的結果。

（1）如下圖（a）,，蛋白半衰期中位數(shù)是46h,，而mRNA僅僅為9h。

（2）在平均豐度上,，來源一個基因的mRNA分子在一個細胞內(nèi)拷貝數(shù)的中位數(shù)是17,，而蛋白卻高達50,000（圖b）。

（3）在合成速率上,，一個基因DNA分子平均一個小時僅僅可以合成數(shù)個mRNA分子（圖c）,。但蛋白合成卻是踩足了油門，1個mRNA分子一個小時平均可以合成上百個蛋白分子,，最高可以到上萬（圖d）,。

PS：當然，這種豐度上的差異主要是因為細胞內(nèi)核糖體復合物的數(shù)量要大大高于RNA聚合酶復合物（在大腸桿菌細胞中，核糖體的數(shù)量約為10,000~100,000個,，而RNA聚合酶復合物的數(shù)量約為1,000~10,000）。因此,，在單個RNA轉錄組和單個蛋白分子翻譯速率相似的情況下,，整個細胞水平的轉錄和翻譯速率則有巨大差異。

圖4 蛋白無論從半衰期,、合成速率和分子數(shù)上與mRNA都存在數(shù)量級的差異,。（SchwanhausserB, Busse D, Li N, et al. Nature, 2011, 473(7347): 337-342）

從這里我們可以看出，從mRNA到蛋白的翻譯過程,，還有大量變數(shù),。mRNA低豐度的基因，完全可以通過瘋狂翻譯產(chǎn)生大量蛋白分子,，實現(xiàn)咸魚翻身,。mRNA高豐度的基因，如果在翻譯階段被踩一腳剎車,，那么在蛋白階段也可能跌入低谷,。這就是翻譯調(diào)控，可以在不改變轉錄豐度的前提下,，快速應答從而改變蛋白的豐度,。

在1個mRNA分子內(nèi)部，翻譯也不是勻速的

正如上文提到的,，翻譯有3個關鍵步驟,，包括：翻譯起始，翻譯延伸和翻譯終止,。那么,，如果一個mRNA一旦核糖體結合，是不是就意味著大局已定,，宣告一條肽段即將合成了呢,？No，依然有變數(shù),。

有實驗推算,，小鼠細胞中單個核糖體翻譯蛋白的速率大概是6個氨基酸/秒（Cell147, 789–802, November 11, 2011），但這種速度并非是勻速的,。在現(xiàn)實的公路中,，車流順暢的時候，公路上車流速度快但公路上反而顯得車少,。如果道路施工而導致?lián)矶?，車流速度降低了而路上顯得堵滿了汽車。

在翻譯過程中，我們也可以看到類似的現(xiàn)象,。我們可以把mRNA看成公路,，核糖體看成在mRNA這條“公路”上行駛的汽車。一般而言,，在一個mRNA轉錄本內(nèi)部,，在翻譯速度較快的密碼子位置，核糖體快速掃過而較少停留,，所以核糖體足跡較少（即ribo-seq信號弱）,。

相反，出現(xiàn)核糖體翻譯速率降低甚至暫停的區(qū)域,，則核糖體足跡反而增多（ribo-seq信號強）,。以下圖小鼠基因Xbp1為例，核糖體在該基因上足跡明顯呈波動變化,。尤其在第256個氨基酸（天冬氨酸,，Asn）的位置，出現(xiàn)了翻譯暫停,，所以核糖體足跡的信號驟然提高,。

圖5 現(xiàn)實公路與核糖體在小鼠基因Xbp1上翻譯速率的波動變化

（Cell147, 789–802, November 11, 2011）

在不同基因內(nèi)部，這種翻譯速率變化的規(guī)律各不相同,。另外,，個體在不同的條件下（發(fā)育不同階段、逆境脅迫,、遺傳背景差異）,，mRNA分子在翻譯不同階段（起始、延伸和終止）都可能會受不同因素的影響,，從而導致整條mRNA鏈上的翻譯速度發(fā)生不斷變化,。

在一些嚴重脅迫條件下，核糖體不但會在翻譯延伸過程中暫停,，甚至會從mRNA上中途脫落,，從而導致特定蛋白的翻譯量大大降低，從而在mRNA分子的豐度沒有發(fā)生顯著變化的情況下,，蛋白的豐度卻發(fā)生了劇烈的變化,。

圖6 在應激條件下，基因翻譯延伸終止現(xiàn)象,。

(a)熱應激導致人和小鼠細胞在基因前200nt的位置出現(xiàn)翻譯停滯（MolecularCell, 2013, 49(3): 439-452.）; (b)過氧化氫脅迫導致Ribosome在酵母前150nt阻塞,。(PNAS,109(43), 17394-17399.)

小結一下

（1）根據(jù)中心法則，mRNA只是基因表達的中間步驟,，蛋白才是最核心的功能性產(chǎn)物,。

（2）轉錄組之后的調(diào)控,，還有很大的變數(shù)。

在細胞內(nèi),，mRNA的豐度與實際的翻譯豐度間有很大差異,。翻譯的過程，包括了翻譯起始,、延伸和終止等復雜的過程,，任何一個過程受到干擾和調(diào)控都會顯著影響蛋白的豐度。

（3）如果條件許可,，檢測翻譯豐度與檢測轉錄組豐度同等重要，甚至更重要,。

檢測轉錄組豐度有RNA-seq,，那么檢測翻譯豐度呢？則要使用Ribo-seq或RNC-seq,。在后續(xù)文章,，我們將會對這兩個技術逐步開展重點介紹。

基迪奧生物作為國內(nèi)領先的翻譯組技術實驗與生物信息服務商,，將持續(xù)為你帶來針對這兩個技術的介紹,。