文章分享 | 基于翻译组学技术揭示小麦籽粒发育过程中的翻译调控机制

2023年发表在The Plant Cell上的“The translational landscape of bread wheat during grain development”文章，发现了上游开放阅读框（uORFs）、下游开放阅读框（dORFs）和长链非编码RNA中的开放阅读框（lncORFs）等翻译元件上新的翻译调控事件。文章主要结论包括：

1. 许多功能基因的翻译以阶段特异性的方式进行调节。
2. 小麦籽粒中广泛存在的开放阅读框（ORF）表达活跃。小麦籽粒发育中，上游开放阅读框（uORFs）作为翻译调控元件可以抑制或者激活mRNAs的翻译。uORFs、dORF和microRNAs可协同调节基因翻译。

研究首先对小麦籽粒连续发育阶段（开花后5天、10天和15天）的总mRNA(RNA-seq)、多聚体mRNA(Poly-seq)和核糖体保护的mRNA片段(Ribo-seq)进行了高通量测序（Fig. 1A）。为了检查Ribo-seq文库质量，对与翻译过程相关的RFs分布和reads基因组分布等特征进行分析（Fig. 1B）。与RNA-seq和Poly-seq相比，Ribo-seq的reads主要定位于编码区，UTR区较少（Fig. 1C）。研究对所有样本进行了基因表达分析、主成分分析（PCA）以及不同发育阶段的多聚核糖体谱分析（Poly-seq），发现Poly-seq数据最适合于转录丰度的定量，Ribo-seq数据最适合用于揭示ORF的位置，得到的数据集可用于研究小麦籽粒发育过程中的翻译调控过程（Fig. 1D和E）。

Figure 1. Polysome profiling and ribosome profiling expose translational dynamics during grain development.

研究还发现在小麦籽粒发育的不同阶段，Ribo-seq、RNA-seq和Poly-seq中可检测到许多相同的差异表达基因（DEGs），表明3种类型的文库之间存在高度相关性。研究进一步对这些DEGs的转录丰度进行共表达分析，发现了C5和C6在转录组和翻译组之间表达模式不一致，推测翻译调控可能影响某些基因的表达（Fig. 2A）。研究随后通过基因GO富集分析来确定差异翻译基因可能涉及的生物学过程，表明了功能基因在谷物发育过程中受到广泛的翻译调控。

Figure 2. Translational dynamics of gene expression during grain development.

为了确定与小麦籽粒翻译调控相关的序列特征，研究比较了mRNAs编码序列（CDS）、5’UTR和3’UTR区域的序列长度、GC含量和标准化最小自由能（NMFE），发现这些序列特征可能导致了同源序列的翻译不平衡（Supplemental Fig. S10）。

Supplemental Figure S10. Sequence features of mRNAs change their TSs.

研究使用RNA-seq和Ribo-seq数据计算了ORF的翻译效率(TEs)，发现了uORFs可以通过调节mORF丰度影响基因的翻译效率（Fig. 5A和B）。研究还发现uORFs的Kozak序列并不是保守的（Fig. 5C），而且uORFs的变异可能影响一些具有相似功能的同源基因的翻译效率。研究使用了基于RNA-seq和Poly-seq数据的翻译状态（TSs），在全基因组范围内预测了miRNA介导的翻译调控的关系，表明miRNA可能通过抑制翻译来下调基因表达（Fig. 6A-E）。为了进一步研究miRNAs和uORFs在翻译水平上对基因表达的协同作用，研究将基因分为4组，结果表明u+m+（存在uORFs和miRNA靶点）组翻译状态最低。研究还发现dORFs可能一定程度上增强mRNAs的翻译，但与miRNA或uORFs之间无显著协同作用（Fig. 6F）。

Figure 6. Combinatorial regulation of gene expression at the translational level by upstream open reading frames (uORFs), downstream ORFs (dORFs), and microRNAs (miRNAs).

小结

研究联合Ribo-seq、Poly-seq和RNA-seq技术，全面分析小麦籽粒发育过程中的转录组和翻译组，揭示全基因组范围内的翻译调控事件