文章分享 | 基于翻譯組學技術揭示小麥籽粒發育過程中的翻譯調控機制

2023年發表在The Plant Cell上的“The translational landscape of bread wheat during grain development”文章，發現了上游開放閱讀框（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控事件。文章主要結論包括：

l  許多功能基因的翻譯以階段特異性的方式進行調節。

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

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

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

研究還發現在小麥籽粒發育的不同階段，Ribo-seq、RNA-seq和Poly-seq中可檢測到許多相同的差異表達基因（DEGs），表明3種類型的文庫之間存在高度相關性。研究進一步對這些DEGs的轉錄豐度進行共表達分析，發現了C5和C6在轉錄組和翻譯組之間表達模式不一致，推測翻譯調控可能影響某些基因的表達（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過程，表明了功能基因在谷物發育過程中受到廣泛的翻譯調控。

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

為了確定與小麥籽粒翻譯調控相關的序列特征，研究比較了mRNAs編碼序列（CDS）、5’UTR和3’UTR區域的序列長度、GC含量和標準化最小自由能（NMFE），發現這些序列特征可能導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數據計算了ORF的翻譯效率(TEs)，發現了uORFs可以通過調節mORF豐度影響基因的翻譯效率（Fig. 5A和B）。研究還發現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數據的翻譯狀態（TSs），在全基因組范圍內預測了miRNA介導的翻譯調控的關系，表明miRNA可能通過抑制翻譯來下調基因表達（Fig. 6A-E）。為了進一步研究miRNAs和uORFs在翻譯水平上對基因表達的協同作用，研究將基因分為4組，結果表明u+m+（存在uORFs和miRNA靶點）組翻譯狀態低。研究還發現dORFs可能一定程度上增強mRNAs的翻譯，但與miRNA或uORFs之間無顯著協同作用（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

研究聯合Ribo-seq、Poly-seq和RNA-seq技術，全面分析小麥籽粒發育過程中的轉錄組和翻譯組，揭示全基因組范圍內的翻譯調控事件。