2025年5月12日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、核糖核酸北京研究中心陸劍教授課題組與合作者在PLOS Biology雜志在線發(fā)表題為“Upstream open reading frames dynamically modulate CLOCK protein translation to regulate circadian rhythms and sleep”的研究論文。

論文截圖

mRNA翻譯調(diào)控作為真核生物基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的核心環(huán)節(jié)，在生命活動(dòng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。經(jīng)典翻譯過程可分為起始、延伸、終止及核糖體的循環(huán)利用四個(gè)階段，其中起始階段是決定全局翻譯效率的限速步驟。值得注意的是，在幾乎所有真核生物中都廣泛存在的uORF（Upstream open reading frames）作為CDS上游的開放閱讀框，可以通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合核糖體來抑制CDS的翻譯起始。經(jīng)過長期的研究，陸劍課題組系統(tǒng)解析了uORF的功能及演化規(guī)律并取得一系列研究成果：首次揭示真核生物uORF的起源與演化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)uORF動(dòng)態(tài)調(diào)控蛋白翻譯效率這一新機(jī)制（Zhang et al., 2018, PLoS Biol）；總結(jié)了uORF的功能和演化規(guī)律（Zhang et al., 2019, Trends Biochem Sci）；繪制了跨478個(gè)真核物種的uORF進(jìn)化圖譜，揭示uORF在物種間和基因間分布差異的驅(qū)動(dòng)機(jī)制（Zhang et al., 2021, Nat Commun）；提出uORF與microRNA通過“失效保護(hù)”機(jī)制協(xié)同調(diào)控靶基因表達(dá)的新范式（Zhang et al., 2021, Sci Bull），為理解翻譯調(diào)控的穩(wěn)態(tài)維持機(jī)制及物種間基因表達(dá)進(jìn)化提供了理論依據(jù)。

在生物復(fù)雜調(diào)控體系中，晝夜節(jié)律系統(tǒng)猶如一臺(tái)高精度計(jì)時(shí)器，協(xié)調(diào)著體溫波動(dòng)、代謝穩(wěn)態(tài)、睡眠周期乃至情緒調(diào)節(jié)等核心生理過程。盡管核心生物鐘基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已較為明晰，但uORFs在晝夜節(jié)律系統(tǒng)中的功能仍存在顯著研究空白，這一盲區(qū)限制了我們對(duì)晝夜節(jié)律系統(tǒng)多層級(jí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全景認(rèn)知。在此基礎(chǔ)上，本研究首次揭示了uORFs能夠作為“翻譯調(diào)控的節(jié)拍器”，通過精細(xì)調(diào)節(jié)核心節(jié)律基因Clock的翻譯效率，參與調(diào)控果蠅的晝夜節(jié)律、睡眠行為以及季節(jié)適應(yīng)性。

uORFs：隱藏在5’非翻譯區(qū)（UTR）中的“節(jié)律調(diào)速器”。本研究發(fā)現(xiàn)果蠅晝夜節(jié)律基因中富含uORFs（圖1A），其中核心時(shí)鐘基因Clock（Clk）中的uORFs尤其保守（圖1B）。白天正常條件下，Clk基因的uORFs在果蠅體內(nèi)有節(jié)律地大幅減弱CLK蛋白的翻譯，相當(dāng)于延緩生物鐘的“節(jié)拍”（圖1C）。而消除Clk uORFs會(huì)導(dǎo)致CLK蛋白在白天過度積累（圖1D和1E），并產(chǎn)生晝夜節(jié)律周期縮短的“快時(shí)鐘”表型（圖1F）。Clk uORFs缺失的果蠅通過降低多巴胺神經(jīng)元活性，顯著延長早晨的睡眠時(shí)間（圖2A和2B）。此外，在模擬季節(jié)變換實(shí)驗(yàn)中，該突變果蠅的睡眠調(diào)節(jié)能力明顯減弱，揭示Clk uORFs在環(huán)境節(jié)律同步中的重要作用（圖2C）。

圖1. Clock uORF精細(xì)調(diào)控CLOCK 翻譯。（A）uORFs富集于節(jié)律相關(guān)基因；（B）Clock基因擁有高度保守的uORFs；（C）Clock uORFs顯著降低其翻譯效率；（D）CRISPR-Cas9敲除Clock uORFs；Clock uORFs刪除導(dǎo)致CLOCK的積累（E）和節(jié)律周期長度的縮短（F）

圖2. Clock uORF影響果蠅睡眠等生理過程。（A）Clock uORFs缺失促進(jìn)果蠅睡眠增加；（B）多巴胺信號(hào)通路參與突變體睡眠異常；（C）Clock uORFs缺失突變體在模擬季節(jié)變換的實(shí)驗(yàn)中睡眠調(diào)節(jié)的能力明顯減弱；（D）Clock uORFs缺失導(dǎo)致果蠅后代數(shù)目、饑餓抗性等適應(yīng)性指標(biāo)下降

從時(shí)鐘到全身：uORFs調(diào)控作用廣泛而深遠(yuǎn)。除了節(jié)律與睡眠行為的變化，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果顯示，Clk uORFs缺失還引發(fā)了包括代謝與生殖在內(nèi)的多個(gè)生理通路改變。進(jìn)一步行為實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該突變株果蠅產(chǎn)卵量與后代數(shù)量減少，抗饑餓能力下降（圖2D），提示uORFs的翻譯調(diào)控作用遠(yuǎn)超單一節(jié)律功能，而是深入?yún)⑴c多層級(jí)生理穩(wěn)態(tài)的維系。這些結(jié)果表明，uORFs并非簡(jiǎn)單的“翻譯開關(guān)”，凸顯其作為適應(yīng)環(huán)境變化、在不改變基因轉(zhuǎn)錄水平情況下調(diào)控蛋白合成的精密模塊功能（圖3）。

圖3. Clock uORF通過調(diào)控CLOCK翻譯影響果蠅節(jié)律及睡眠的模式圖

綜上所述，本研究系統(tǒng)性揭示了uORFs在果蠅核心節(jié)律基因中的調(diào)控功能，不僅豐富了晝夜節(jié)律調(diào)控的分子層級(jí)圖譜，也為未來探索uORF在哺乳動(dòng)物甚至人類睡眠障礙中的潛在作用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著uORFs在神經(jīng)調(diào)控、代謝穩(wěn)態(tài)及疾病機(jī)制等領(lǐng)域研究的不斷深入，這一“隱藏在起點(diǎn)之前”的翻譯密碼，有望成為解碼生命節(jié)律調(diào)控新機(jī)制的關(guān)鍵鑰匙。

華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張珞穎教授和陸劍為該論文的共同通訊作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生孫元強(qiáng)（現(xiàn)山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬皮膚病醫(yī)院博士后）、華中科技大學(xué)已出站博士后稅珂（現(xiàn)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院副研究員）為該論文的共同第一作者，清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院倪建泉教授對(duì)該論文作出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、北京市自然科學(xué)基金委等機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目支持。

來源：北京大學(xué)