基因組編輯高效調控內源基因蛋白質翻譯新方法提出

2020-12-04 中國科學院

　　基因組編輯是在基因組水平對基因進行精確、定向修飾的一種高效生物技術方法。簡單、高效的CRISPR/Cas9編輯體系的出現給生命科學帶來了新的技術革命。CRISPR/Cas9通常在基因組靶向位點造成DNA鹼基的添加或刪除，導致基因功能的缺失。近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組建立了一個通過CRISPR/Cas9高效調控內源mRNA翻譯的方法。該方法可通過提高蛋白質翻譯效率，增加目標基因的編碼蛋白水平。

　　蛋白編碼基因的表達產物一般受到轉錄、轉錄後RNA加工、蛋白質翻譯及翻譯後加工、蛋白降解等多個水平的調控。真核細胞的mRNA由5』非翻譯區（5』Untranslated Region，5』UTR）、編碼蛋白的開放閱讀框區（Open Reading Fragment）及3』端非翻譯區（3』Untranslated Region，3』UTR）構成。研究發現，5』UTR存在一些具有翻譯能力的開放閱讀框，稱為上遊開放閱讀框（Upstream Open Reading Fragment，uORF）。與之對應，5』UTR之後的開放閱讀框被稱為主開放閱讀框（Primary Open Reading Fragment，pORF）。uORF通常能夠抑制下遊的pORF的翻譯。生物信息學分析表明，uORF在動植物中廣泛存在，人、小鼠、擬南芥、水稻、玉米中超過30%的mRNA含有預測的uORF，但還缺乏高效、精細的方法對uORF進行功能研究與遺傳操作。

　　高彩霞研究組利用CRISPR/Cas9對uORF進行編輯，發現能夠顯著提高目標基因的翻譯效率。通過CRISPR/Cas9編輯擬南芥和生菜中的4個基因的uORF翻譯起始區及周邊序列，獲得了多個相應基因的uorf突變體。這些uorf突變體目標基因的pORF的mRNA翻譯水平都有不同程度的提高。其中，通過突變維生素C合成途徑中關鍵基因GGP（GDP-L-galactose phosphorylase）上遊的uORF，可使生菜葉片中維生素C含量提高約150%。利用CRISPR/Cas9編輯uORF翻譯起始區會出現兩種結果：（1）完全破壞uORF的翻譯起始能力導致uORF功能缺失；（2）改變uORF的翻譯起始密碼子（例如ATG突變為翻譯起始能力較弱的GTG）及其周邊序列，使uORF對pORF的抑制效率發生微調。該研究展示了通過基因組編輯uORF操縱mRNA翻譯，調控蛋白質水平在植物分子生物學研究及遺傳育種中的應用前景。此外，該方法可能隨著新型基因組編輯工具不斷出現及方法的進一步優化，而變得覆蓋率更廣且更易操作。由於uORF在動植物基因中普遍存在，該方法也具有廣闊的應用前景。

　　相關成果於8月6日發表在《自然-生物技術》上。高彩霞研究組副研究員張華偉，博士研究生司小敏、姬祥為論文共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委基礎科學中心、中科院的資助。

CRISPR編輯uORF調控蛋白質翻譯水平

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