| 前言 | 为了在动态环境中生存和茁壮成长，植物必须不断监测周围环境，并相应地调整它们的发育和生理。基因表达的变化是这些发育和生理调整的基础，传统上被归因于广泛的转录重编程。然而，越来越多的证据表明，转录后机制在调整基因表达以适应植物环境中发挥着至关重要的作用。 未翻译区（UTR）作为转录后控制的调节中心，在其中包含的顺式作用元件影响着mRNA的加工、定位、翻译和稳定性，从而调节了编码蛋白质的丰度。 |
在这里，Hardy and Balcerowicz 回顾了最近在理解UTR在植物非生物环境中转录后基因表达控制中发挥的关键功能方面取得的进展。总结了参与的分子机制，介绍了由UTR控制的信号级联的示例，并讨论了UTR所具有的潜力，使植物更能适应不断变化的气候。
基因表达在转录水平和转录后水平上受到严格控制，通常所说的“转录后”指的是发生在mRNA水平的调控过程。这些过程由大量与RNA结合的蛋白质（RBPs）控制，这些蛋白质会在RNA聚合酶II产生时立即与其结合；事实上，一些RNA处理步骤在转录物仍与RNA聚合酶II相关联时发生，因此可以被视为共转录（Marquardt et al., 2023）。
由 RNA 聚合酶 II（RNA Pol II）转录后，前 mRNA 经历加工，包括在 5' 端连接 m7G 帽结构、在 3' 端进行剪切和聚腺苷酸化，以及剪接和核苷酸修饰，如 m6A（1）。随后，成熟的 mRNA 被紧密包装成核糖核蛋白复合物，并通过核孔复合物（2）输出到细胞质中。一些细胞质 mRNA 将立即进行翻译（3），这在起始水平上受到严格调节（包括预起始复合物的募集、5' UTR 的扫描和完整核糖体在 AUG 起始密码子上的组装）。RNA 也可以被隔离在生物分子凝聚物中，然后从其中重新释放（4）。最后，mRNA 受到降解（5），这可能是 mRNA 质量控制或特定 RNA 修饰的结果；它也可以在翻译过程中或在生物分子凝聚物内发生。实线箭头表示翻译过程中分子组分的移动；虚线箭头表示基因表达连续阶段中 mRNA 的进展。蓝色球体代表蛋白质或（核糖核蛋白）复合物；球体内的数字表示特定的真核起始因子（eIFs）。
UTR影响的途径
5'端加帽：通过RNA 5'三磷酸酯酶、RNA鸟苷转移酶和RNA（鸟苷-N7）甲基转移酶的连续活性形成的7-甲基鸟苷（m7G）帽结构，通过5'-5'三磷酸桥与第一个RNA核苷酸连接在一起；它保护RNA免受5'外切核酸酶的降解，并促进翻译起始（Shuman，2002）。
3'端聚腺苷酸化：3' UTR中的顺式作用元件（远端和近端上游元件和剪切元件）定义了剪切和聚腺苷酸化复合物切割mRNA和添加腺苷核苷酸链的位点。这个聚腺苷酸尾巴对于mRNA的核外转运、翻译和稳定性至关重要（Bernardes and Menossi, 2020；Yang et al., 2021）。
剪接：去除内含子并连接外显子对于产生可翻译的mRNA是必不可少的。这由一个大分子核糖核蛋白复合物——剪接体——催化，该复合物在识别包括含有保守的GU的3'剪接位点和含有保守的AG核苷酸对的5'剪接位点的核心顺式作用元件后为每个剪接事件重新组装（Lorković et al., 2000；Reddy et al., 2013）。
RNA修饰和编辑：RNA修饰一词表示单个核苷酸的化学修饰，总称为表观转录组。拟南芥中已知的修饰包括m7G、N6-甲基腺苷（m6A）、N1-甲基腺苷（m1A）、5-甲基胞嘧啶（m5C）、5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）和尿苷化。这些修饰可以影响mRNA代谢的大多数方面，包括剪接、核外转运、翻译和降解（Shen et al., 2019）。RNA编辑一词指的是主要核苷酸序列的酶性改变；在开花植物中，它似乎被限制在线粒体和质体中的U到C编辑（Takenaka et al., 2013）。
核外转运：成熟的mRNA以紧密包装的mRNA-核糖核蛋白复合物的形式从细胞核中输出。通过由运输受体蛋白介导的核孔复合物的转位，代表着核外转运的主要途径，但也存在涉及囊泡运输的机制（Natalizio and Wente, 2013）。
定位：一旦从细胞核输出，mRNA的定位是由顺式作用的“zipcode”元件决定的；许多mRNA被定位到内质网进行翻译，但也可以定位到线粒体、质体或胞间连丝（Tian et al., 2020）。此外，RBPs可以将mRNA隔离到生物分子凝聚体中，例如处理小体和应激颗粒，在那里翻译不活跃的mRNA可能会被储存以重新释放或进行降解（Kearly et al., 2022）。
RNA降解：mRNA的降解对于mRNA的数量和质量控制都是必需的。几个途径参与了mRNA的降解：（i）通过外切核酸酶（XRNs）或腺苷酸缺失后的外切体复合物进行的批量降解；（ii）通过XRN4进行的共转录降解；（iii）mRNA质量控制，它在识别具有早期终止密码子（NMD）、没有终止密码子（非终止性降解）或具有停滞核糖体（非启动性降解）的转录本时触发RNA降解；以及（iv）miRNA介导的裂解（Zhang and Guo, 2017）。
翻译：翻译过程分为启动、延伸和终止步骤，主要的调控过程被认为发生在启动期间。真核启动因子4（eIF4）识别5'端帽结构，并在多聚腺苷酸结合蛋白的帮助下，使mRNA分子环化。随后，前启动复合物（PIC），由小核糖体亚基、启动因子eIF1、eIF1A、eIF3和eIF5以及eIF2、GTP和起始甲硫氨酰-tRNA的三聚体复合物组成，被招募到mRNA上，并开始沿着5' UTR扫描以确定正确的翻译起始位点（Dutt et al., 2015）。一旦识别到起始密码子，启动因子将被释放，并招募大核糖体亚基形成一个具有翻译活性的核糖体，该核糖体在接受延伸tRNA并因此进入延伸阶段后催化第一个肽键的形成。随着mRNA逐个密码子地移位，核糖体催化的多肽形成过程进行，直到到达停止密码子，此时多肽链从核糖体中分离。这之后是核糖体的释放，然后核糖体亚基可以被再循环利用进行多轮翻译（Browning and Bailey-Serres, 2015; Merchante et al., 2017）。
（B）PNT1 在红光下招募活性光敏色素 phyB，抑制 PORA mRNA 的翻译，从而调节植物绿化。
（C）phyB 与剪接因子 RRC1 和 SFPS 一起，触发 PIF3 5' UTR 中的内含子保留；保留的内含子包含一个 uORF，在光下下调 PIF3 翻译，从而促进幼苗去绿化。
（D）lncRNA cis-NATPHO1.2 的结合在磷酸饥饿下触发水稻 PHO1.2 mRNA 的 5' UTR 和编码区的结构重排，从而增加大核糖体亚基对起始密码子的可及性。PHO1.2 的翻译增加，PHO1.2 转运蛋白水平升高，从而允许无机磷酸（Pi）的有效重新分配。
（E）PIF7 5' UTR 中的热敏发夹在高温下采用更松弛的构象，作为翻译增强剂。随后 PIF7 水平的增加促进了温度诱导的下胚轴伸长。
（F）MiR156/157 与 SPL3 的 3' UTR 结合，并通过 ARGONAUTE 1（AGO1）触发转录物的降解。在高温下，MiR156/157 水平降低，允许 SPL3 蛋白积累并诱导开花。
（G）PIF4 3' UTR 中的 m6A 修饰在红光下使转录物不稳定，从而促进光形态发生。
（H）在低温下，CORG1 3' UTR 中的 RG4 的形成可防止转录物的降解，从而减弱冷生长。
（I）在盐胁迫下，HKT1 3' UTR 中远端聚腺苷酸化位点的选择增强了翻译；HKT1 转运蛋白的增加随后增加了钠离子的输出，从而促进 Spartina alterniflora 的耐盐性。
箭头表示正向调节；钝箭头表示负向调节；虚线箭头表示环境效应。核糖体以亮蓝色描绘。
通过UTR提高作物抗性
除了阐明 UTR 元件运作的调控机制外，一个主要目标是利用这些机制来改善作物。随着气候变化的进展，作物面临着包括冷热波、干旱、高盐度和养分匮乏等恶劣环境。虽然改变关键发育和胁迫调节剂的表达是许多努力使植物对这些条件更具弹性的核心，但它们主要依赖于修饰基因转录。然而，利用转录后机制代表了植物育种工具箱的有希望的扩展——这些机制直接作用于现有转录物，从而允许对植物环境做出快速和动态的响应，并且现在可以使用基因编辑技术轻松修改 UTR 元件。
利用 UTR 功能改善作物的一种直接方法是利用 UTR 中存在的自然变异。在拟南芥中，UTR 多态性与昼夜节律内的温度调整、生长的热反应性和干旱耐受性背景下的根水力传导性有关。UTR 的自然变异也是作物物种中广泛存在的现象，并且几个多态性与胁迫和产量相关的性状有关：在玉米中，Na+CONTENT UNDER SALINE-ALKALINE CONDITION 1（ZmNSA1）的 3' UTR 中的 4 bp 缺失促进了盐碱耐性，而蛋白磷酸酶编码转录本 ZmPP2C-A 的 5' UTR 中内质网（ER）应激反应元件的缺失和 DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT BINDING PROTEIN 27（ZmDREB27）的 5' UTR 中的单个核苷酸多态性增强了耐旱性。uORF 中的多态性也与拟南芥和大豆中磷酸盐获取的变化有关，以及在玉米中对全株表型多样性的影响。因此，UTR 多态性代表了一种有希望的常规育种遗传资源，增加我们对 UTR 转录后调节的理解将有助于选择具有特定顺式调节 UTR 元件以传达所需的作物性状。
基因编辑代表了一种利用 UTR 改善作物的另一种方法，因为它允许对原位顺式调节元件进行精确修饰。工程化 uORF 序列已被用于提高莴苣中的维生素 C 含量和草莓中的糖含量，增加高度和分蘖数的变化并提高水稻的广谱抗病性。其他 UTR 修饰包括编辑 WAXY 5' UTR 中的剪接位点以提高水稻谷物质量和努力在植物中实施人工核糖开关以控制基因表达。病毒的顺式调节元件也被用来改变植物中的基因表达；烟草花叶病毒中的 Omega 元件已被广泛用于提高转基因的翻译，而最近，从苜蓿花叶病毒中靶向敲入翻译增强剂已被用于增强水稻的耐盐性。上述方法旨在对基因表达进行组成性改变，并且尚未获得关于 UTR 的遗传修饰可以定制这些变化以适应特定环境条件的证据。然而，随着我们对顺式调节 UTR 元件功能的机制理解的增加，我们预计未来会有更多这样的元件成为育种和基因编辑工作的目标，特别关注环境弹性。
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