北京大学陈雪梅等团队最新Nature子刊

学术 2024-11-16 23:11 四川

编者按

光合作用需要叶绿体，其中大多数蛋白质是由细胞核编码并通过细胞质翻译产生的。翻译起始因子eIF5B控制了从起始(I)到延伸(E)的转变，Kozak基序与翻译效率有关，但它们之间的关系此前尚不清楚。

2024 年 11 月 14 日，北京大学陈雪梅、Hang Runlai （第一作者）联合华南农业大学尤辰江共同通讯在 Nature Communications （IF=14.7）在线发表题为 “HOT3/eIF5B1 confers Kozak motif-dependent translational control of photosynthesis-associated nuclear genes for chloroplast biogenesis” 的研究论文。该研究将Kozak基序与翻译过程中eif5b介导的I-E转换联系起来，并揭示了HOT3在叶绿体生物发生和光合作用的细胞质翻译控制中的功能。

在这里，通过核糖体分析，作者确定了全基因组I-E转换效率。该研究发现，在拟南芥、水稻和小麦中，最普遍的Kozak基序与高I-E转换效率相关，从而暗示了Kozak基序在促进I-E转换方面的潜力。事实上，在拟南芥中，Kozak基序促进翻译的作用依赖于HOT3/eIF5B1。HOT3以Kozak基序依赖的方式优先促进光合作用相关核基因的翻译，这解释了HOT3突变体叶绿体缺陷和光合作用活性降低的原因。

在所有真核生物中，信使RNA （mRNA）的胞质翻译是一个在细胞稳态和重编程的巨大调控下的过程。在真核生物中，启动子AUG的三重密码子被核糖体中的蛋氨酸基启动子tRNA （Met-tRNAiMet）识别，这是由AUG周围的Kozak共识序列促进的，该序列在动物中具有-3位置的嘌呤和+4位置的鸟嘌呤（AUG的a被指定为+1）。虽然在植物中也观察到-3和+4位置的一致核苷酸，但它们的核苷酸特征在不同的植物物种之间存在差异。最优的Kozak共识序列被认为具有更高的翻译效率，然而，其基础机制尚未在任何生物体中得到很好的研究。此外，在任何生物体中都缺乏对各种Kozak基序介导的翻译起始效率的系统评估，这阻碍了我们对通过顺式调控元件介导的进化保守的翻译调控机制的理解。对植物中Kozak基序介导的翻译控制的分子理解将最终有利于在气候变化中保持作物产量的新技术的发展。

在拟南芥中，HOT TEMPERATURE 3 (HOT3)/eIF5B1 （AT1G76810）是eIF5B家族四成员之一。丧失功能的hot3突变体如hot3-2和hot3-3表现出多效性表型，如叶片淡绿色、侏儒症和对热胁迫的适应缺陷，而其他三个基因的突变体没有发育异常表型。HOT3优先影响一个基因子集。在hot3突变体中，约1000个转录本的多体关联减少，而在相似数量的其他转录本中多体关联增强。最近，我们报道了HOT3在18S rRNA 3 '端成熟中抑制rRNA衍生的小干扰rna （risiRNAs）的生物发生的新作用。然而，HOT3在翻译起始中的功能独立于其在调控risiRNAs中的作用。HOT3优先影响转录本子集的机制仍然难以捉摸。

HOT3/ eif5b1介导的翻译起始是叶绿体发育和光合作用所必需的（图源自Nature Communications）

叶绿体是植物光合自养生长所必需的光合作用活性质体。因此，叶绿体生物发生和维持对于植物发育过程中的细胞重编程和体内平衡至关重要。越来越多的证据表明，叶绿体的生物发生也需要在翻译水平上对PhANGs进行动态控制。在去黄化过程中，当幼苗从土壤中出来并第一次遇到光时，光促进PhANGs的翻译，开始从腐质体到叶绿体的转化。PhANGs的光诱导翻译是由光受体光敏色素A通过抑制组成型光形态形成1 （COP1）介导的雷帕霉素靶蛋白（TOR）和核糖体蛋白S6 （RPS6）活性的抑制而介导的。PhANGs的翻译也在昼夜循环中动态调节，并且可以在黑暗处理下迅速抑制。eIF4G亚基的植物特异性同工型eIFiso4G1和eIFiso4G2被证明是翻译PhANGs所必需的。来自番茄的富含甘氨酸的rna结合蛋白SlRBP1与真核翻译起始因子SleIF4A2相互作用，促进PhANG转录物的翻译。尽管取得了这些进展，但PhANGs作为一个群体的选择性翻译控制机制仍然难以捉摸。

通过比较野生型和HOT3 -2型植物在营养幼苗建立和生殖花序发育这两个涉及叶绿体生物发生的发育阶段的核糖体占有谱，作者揭示了HOT3在全基因组范围内促进从翻译起始(I)到延伸(E)过渡的功能。HOT3的功能缺失导致翻译起始位点（TIS）的核糖体普遍停滞，这表明从起始位点到延伸位点（I-E）的过渡存在缺陷。利用TIS和基因体的核糖体足迹，该研究定义了起始密码子的相对停顿（rPS）指数，定量评估I-E转换效率。利用rPS指数，作者对64个简化Kozak基序的I-E转换效率进行了综合分析，这些基序由TIS周围的-3/+4/+5核苷酸定义。

该研究结果表明，最普遍的Kozak基序具有较高的I-E转换效率和较低的rPS指数值，这种现象在拟南芥、水稻和小麦中都是保守的。值得注意的是，需要HOT3进行有效I-E转换和翻译的转录本具有最佳的A/GC Kozak共识，并且富含PhANGs，特别是那些编码类囊体膜上光合机构蛋白质的转录本。HOT3功能失调导致这些基因在I-E转换过程中出现严重缺陷，翻译效率（TE）降低，蛋白质丰度降低。这反过来又导致叶绿体缺陷，表现为类囊体层减少和光合作用异常。总的来说，这一研究揭示了Kozak基序与eif5b介导的从翻译起始到延伸的转变之间的遗传联系，并揭示了HOT3/ eif5b1介导的细胞质翻译起始促进叶绿体生物发生和优化光合作用的机制。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54194-1

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxNjM4NzkwMA==&mid=2247563037&idx=4&sn=52815f085666eec57dadbe6709b613cc

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