【中文題目】人腦中RNA翻譯的發(fā)育動(dòng)力學(xué)

【文章題目】Developmental Dynamics of RNA Translation in the Human Brain

【發(fā)表期刊】Nature Neuroscience（Q1，IF 25.0）

【發(fā)表年份】2022年

【研究團(tuán)隊(duì)】哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系Erin E. Duffy團(tuán)隊(duì)

【研究技術(shù)】核糖體印跡測序（Ribo-Seq）、RNA測序（RNA-seq）和蛋白質(zhì)組學(xué)

【研究材料】30個(gè)產(chǎn)前大腦皮質(zhì)樣本（孕齡范圍從12至23周）和43個(gè)成人大腦樣本（18至82歲）；人胚胎干細(xì)胞（hESC）衍生的神經(jīng)元細(xì)胞。

【研究方法】利用Ribo-seq和RNA-seq技術(shù)對(duì)73個(gè)大腦皮層樣本進(jìn)行高通量測序分析，定量評(píng)估人腦中活躍的mRNA翻譯，識(shí)別高置信度ORFs。之后，采用蛋白質(zhì)組學(xué)驗(yàn)證微蛋白質(zhì)。然后，進(jìn)一步通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、基因過表達(dá)、蛋白亞細(xì)胞定位來研究和驗(yàn)證smORF翻譯的微蛋白的表達(dá)情況和功能。

【研究概要】本研究繪制了人腦的動(dòng)態(tài)翻譯圖譜，探討了人腦發(fā)育過程中RNA翻譯相關(guān)動(dòng)態(tài)變化，揭示了基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并識(shí)別了數(shù)千個(gè)新的翻譯事件，包括編碼人腦特異性微蛋白的小開放閱讀框（sORFs）。該研究為理解大腦功能以及疾病機(jī)制提供了一個(gè)新視角。

人腦神經(jīng)發(fā)育與認(rèn)知功能依賴基因表達(dá)的精準(zhǔn)調(diào)控，轉(zhuǎn)錄和翻譯是其中兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前學(xué)界對(duì)人腦發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究較為充分，翻譯調(diào)控相關(guān)研究卻仍較為匱乏。

研究結(jié)果

1.構(gòu)建人腦的翻譯圖譜

為揭示人腦發(fā)育過程中的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，本研究聯(lián)合應(yīng)用RNA-seq與Ribo-seq技術(shù)，系統(tǒng)分析了大腦樣本中的mRNA表達(dá)譜與活躍翻譯的mRNA。通過Ribo-seq數(shù)據(jù)中三堿基周期性的特征，精準(zhǔn)定位了活躍翻譯的核糖體位置，共鑒定出172187個(gè)活躍翻譯的開放閱讀框（ORFs），覆蓋13305個(gè)基因，繪制了人類大腦皮層在整個(gè)發(fā)育過程中的高分辨率翻譯景觀。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，非典型ORFs使用非AUG起始密碼子的頻率顯著高于典型ORFs。

圖1. 采用Ribo-seq方法人腦組織中的活躍翻譯事件

2.人腦發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)控模式

通過對(duì)轉(zhuǎn)錄組與翻譯組數(shù)據(jù)的配對(duì)分析，將差異表達(dá)基因歸納為緩沖、強(qiáng)化、僅轉(zhuǎn)錄調(diào)控和僅翻譯調(diào)控四種發(fā)育調(diào)控模式，揭示了人腦發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄與翻譯之間的復(fù)雜協(xié)調(diào)機(jī)制。

圖2. 人腦發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控

3.鑒定人腦中的sORF和非規(guī)范翻譯

接下來，研究聚焦于鑒定和分析編碼微蛋白（通常不超過100個(gè)氨基酸）的小開放閱讀框。共識(shí)別出源自8278個(gè)基因的38187個(gè)活躍翻譯的sORF，其中許多來源于既往被注釋為非編碼的轉(zhuǎn)錄本，包括長鏈非編碼RNA（lincRNA）、假基因及反義轉(zhuǎn)錄本。

與典型ORF相比，sORF的核糖體密度較低，這一低翻譯水平現(xiàn)象與既往多項(xiàng)研究結(jié)果一致。許多sORF通過RNA豐度與翻譯效率的協(xié)同變化實(shí)現(xiàn)發(fā)育階段的調(diào)控，從而在大腦成熟過程中精細(xì)調(diào)節(jié)微蛋白的表達(dá)水平。通過將質(zhì)譜數(shù)據(jù)與Ribo-seq結(jié)果進(jìn)行匹配，研究從蛋白質(zhì)水平獨(dú)立驗(yàn)證了這些sORF的翻譯，顯著提升了對(duì)sORF衍生微蛋白的檢測能力。

圖3. 人腦發(fā)育相關(guān)微蛋白的表達(dá)驗(yàn)證

4.人神經(jīng)元中的sORF翻譯的調(diào)控機(jī)制

在hESC來源的培養(yǎng)神經(jīng)元中，研究進(jìn)一步分析了活動(dòng)依賴性的翻譯圖譜。采用三尖杉酯堿（lactimidomycin）抑制翻譯延伸，并結(jié)合Ribo-seq檢測，補(bǔ)充了對(duì)死后腦組織的分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多個(gè)既往被注釋為非編碼RNA的sORF實(shí)際上具有翻譯能力，蛋白質(zhì)組學(xué)分析也為其產(chǎn)物提供了生化水平的驗(yàn)證。其中，LINC00473是一種靈長類特異性、活動(dòng)依賴性的lincRNA，其翻譯產(chǎn)物可能參與關(guān)鍵神經(jīng)元功能的調(diào)控。

圖4. hESC衍生神經(jīng)元中活動(dòng)依賴性的翻譯分析

5.sORF的進(jìn)化保守性

圖5. 人腦smORF的進(jìn)化起源分析

6.uORF可能調(diào)控經(jīng)典蛋白質(zhì)的翻譯

上游開放閱讀框（uORF）與下游經(jīng)典ORF的翻譯呈負(fù)相關(guān)。例如，DLGAP1基因的uORF在產(chǎn)前樣本中翻譯顯著富集，伴隨經(jīng)典DLGAP1蛋白水平的下降。這一機(jī)制提示，在大腦發(fā)育過程中，通過選擇性使用替代轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典蛋白的特異性翻譯抑制。

圖6. uORF表達(dá)對(duì)下游經(jīng)典ORF翻譯的影響

7.人腦中微蛋白的理化特征分析

序列分析顯示，31%的sORF與已知或預(yù)測的人類蛋白質(zhì)具有顯著相似性。缺乏序列相似性的sORF，其蛋白產(chǎn)物通常三維構(gòu)象不穩(wěn)定，但這類無序蛋白仍可能通過調(diào)節(jié)蛋白相互作用特異性、親和力或形成生物分子凝聚體等方式發(fā)揮重要功能。值得注意的是，腦sORF中顯著富集了富含RGG基序的序列簇，這些基序在mRNA剪接、翻譯調(diào)控及RNA結(jié)合中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提示相關(guān)微蛋白可能參與RNA加工復(fù)合物，調(diào)控核內(nèi)mRNA剪接、翻譯或DNA損傷反應(yīng)。

圖7. 特定人腦微蛋白的體外驗(yàn)證

8.人腦微蛋白的體外功能驗(yàn)證

在異源細(xì)胞中過表達(dá)特定sORF可檢測到預(yù)期分子量的微蛋白表達(dá)，而起始密碼子突變則阻斷其翻譯，進(jìn)一步證實(shí)了這些sORF具有穩(wěn)定的翻譯產(chǎn)物。這些微蛋白呈現(xiàn)多樣化的亞細(xì)胞定位模式，異源表達(dá)系統(tǒng)為獨(dú)立驗(yàn)證其翻譯潛力和生物學(xué)功能提供了有效策略。

本文小結(jié)

通過對(duì)死后人腦組織及hESC衍生神經(jīng)元的系統(tǒng)分析，本研究揭示了人類大腦翻譯組的復(fù)雜性，強(qiáng)調(diào)了非典型ORF在腦發(fā)育與疾病中的潛在作用，為理解翻譯調(diào)控在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能提供了重要資源，并為探索人類腦特異性微蛋白開辟了新方向。然而，本研究尚存在一定局限，包括樣本處理方式、ORF預(yù)測算法的準(zhǔn)確性，以及難以區(qū)分翻譯的起始與延伸步驟等。未來需進(jìn)一步深入探索sORF功能及其在人腦發(fā)育和相關(guān)疾病中的作用。

研究意義

本研究繪制了人類大腦發(fā)育過程中的高分辨率翻譯圖譜，有助于闡明翻譯調(diào)控的分子機(jī)制。新鑒定的微蛋白為理解人類大腦特征及相關(guān)腦疾病的發(fā)生機(jī)制提供了重要線索。

參考文獻(xiàn): Duffy EE, Finander B, Choi G, Carter AC, Pritisanac I, Alam A, Luria V, Karger A, Phu W, Sherman MA, Assad EG, Pajarillo N, Khitun A, Crouch EE, Ganesh S, Chen J, Berger B, Sestan N, O'Donnell-Luria A, Huang EJ, Griffith EC, Forman-Kay JD, Moses AM, Kalish BT, Greenberg ME. Developmental dynamics of RNA translation in the human brain. Nat Neurosci. 2022 Oct;25(10):1353-1365.