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UTR中不可小觑的调控元件

伯远生物 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-09-04 09:00

主要观点总结

本文旨在分享植物中非翻译区（UTR）的相关内容，尤其是UTR中的一些重要调控序列的功能。文章介绍了UTR的类型及功能，并列举了相关文献案例介绍5' UTR和3' UTR中重要调控元件的调控机制。这些元件在mRNA的翻译调控、稳定性和亚细胞定位相关过程中都起着重要的调控作用。

关键观点总结

关键观点1: UTR是基因表达调控的重要区域，分为5' UTR和3' UTR。

5' UTR和3' UTR都参与mRNA的翻译调控、稳定性和亚细胞定位等过程。

关键观点2: uORF是5' UTR中的重要调控元件，能够抑制或促进主开放阅读框（mORF）的翻译。

通过基因编辑引入uORF可以实现基因敲低的目的。

关键观点3: 内部核糖体进入位点（IRES）是不依赖帽子结构的翻译起始元件，可以在特定条件下启动翻译。

PABP、eIF4G和eIFiso4G等蛋白与IRES结合后启动翻译过程。

关键观点4: 3' UTR中的调控元件包括AU富集元件（ARE）、G-四链体（RG4）和N6-甲基腺苷（m6A）修饰位点等。

这些元件参与mRNA的稳定性、定位和翻译效率等过程的调控。

关键观点5: 调控UTR区是一种有效的基因调控策略，可以通过改造UTR区中的重要调控元件来实现基因的上调和下调。

这种策略在植物品种改良和实际推广中具有重要意义。

正文

本文内容速览：

在植物基因功能研究中，作为“主角”的编码区（Coding DNA sequence，CDS）一直是研究所关注的重点，而作为“配角”的非翻译区（Untranslated region，UTR）往往被忽视，受到的关注也相对较少，甚至有时被认为是可有可无的序列。随着基因功能的研究越来越深入与全面，UTR在基因表达调控中的重要作用逐渐被揭示，尤其是在应答特定环境和发育过程中的重要作用。因此，UTR不仅仅只是简单的非编码序列，它也包含着丰富的调控信息，这些信息对基因的转录后调控起着至关重要的作用。本文旨在分享UTR的相关内容，尤其是 UTR 中的一些重要调控序列 如 开放阅读框 （Open reading frame，ORF）的功能，希望完善大家对UTR的认知。

UTR的类型及功能

UTR是指位于mRNA两端的非编码序列，分为 5' UTR 和 3' UTR 。5' UTR位于起始密码子之前，而3' UTR则位于终止密码子之后。总体来说，UTR的功能主要体现在其对mRNA的 翻译调控 、 稳定性 及 亚细胞定位 等方面。在特定条件下，UTR中的调控元件可以通过影响核糖体的加载、mRNA的降解和转运等途径，精细调控基因表达的时间和空间模式。具体来说，5' UTR通常包含 影响翻译效率的顺式作用元件 ，如 上游开放阅读框 （Upstream open reading frame，uORF）、 内部核糖体进入位点 （Internal ribosome entry site，IRES）、 G- 四链体 （RNA G-quadruplex，RG4）及具有复杂二级结构的 发卡环 （Hairpin）等。这些结构通过调控核糖体的结合效率、翻译起始以及mRNA的局部稳定性，精细调节下游编码区的蛋白质合成（图1B-E）。3' UTR则更侧重于对 mRNA 的翻译调控、 稳定性 及 亚细胞定位 的调控。3' UTR中通常包含 A U 富集元件 （AU-rich element，ARE）、 miRNA 结合位点 、 细胞内定位信号 以及 RG4 等调控元件，这些元件通过调节mRNA的降解速率、翻译抑制和亚细胞定位，在基因表达的精细调控中发挥重要作用（图1F-I）(Hardy et al., 2024)。接下来，小远将列举相关文献案例介绍5' UTR和3' UTR中重要元件的调控机制。

图1 UTR中的重要调控元件(Hardy et al., 2024)。（A）mRNA模式图及其UTR上的重要调控元件；（B-I）UTR上重要调控元件所参与分子调控过程的示意图。

5' UTR中的调控元件

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上游开放阅读框（uORF）

uORF广泛分布于植物基因组上，18~57%的基因都含有uORF。由于非常规起始密码子（非AUG）存在等原因，实际uORF的存在比例可能更高。 uORF 的种类共有三种 ，分别是不与mORF（uORF下游的主开放阅读框，有时可理解为CDS）重叠的uORF、与mORF部分重叠的uORF以及包含mORF的uORF（图2）(Niu et al., 2 020)。这三种中最主要的还是第一种uORF。对于这种广泛存在的序列，其功能主要是抑制 mORF 的翻译或引起 mRNA 的降解 ，此外也可以促进 mORF 翻译以及翻译成小肽 (Wang et al., 2023)。对于uORF翻译成小肽的过程在往期推文“ 个头小，作用大——植物中的小肽 ”中有所介绍，对小肽感兴趣的读者可以阅读回顾。近年来，随着基因编辑的发展，这使得对uORF的深入研究成为可能，此外鉴于uORF在育种中的潜力和前景，uORF在植物中的研究也愈来愈火热，相关文章也不断增多。接下来就给大家分享一篇关于植物中uORF的研究论文。

图2 uORF的三种类型(Niu et al., 2020)。

在往期推文“ 基因敲高——通过基因编辑改善作物农艺性状 ”中介绍了对uORF进行编辑实现基因敲高的目的。相反地，是否可以人为地通过基因编辑引入uORF实现基因敲低的目的呢？

2023年3月，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组在 Nature Biotechnology 杂志上发表了一篇题为“Tuning plant phenotypes by precise, graded downregulation of gene expression”的研究论文。因为已有研究发现 OsBRI1 的突变会导致水稻叶片夹角变小等表型(Morinaka et al., 2006)，所以这篇论文中以 OsBRI1 （植物激素油菜素内酯受体编码基因）为研究对象。通过引导编辑的方法在 OsBRI1 的5' UTR区域定向突变生成了一个ATG，相当于人为引入了一个uORF（图3A）。后续实验发现，相较于野生型，uORF _OsBRI1 （-99 bp , 28 aa， uORF起始于 OsBRI1 mORF起始密码子-99bp的位置，肽段长度为28个氨基酸）突变体中 OsBRI1 的表达量没有差异，但是蛋白丰度明显降低（图3B、C），这说明人为引入uORF确实导致了 OsBRI1 翻译水平降低。进一步观察表型发现uORF _OsBRI1 （−99 bp , 28 aa）突变体与已报道的 OsBRI1 突变后表型类似（图3D）(Xue et al., 2023)。这些结果说明，可以通过引入uORF可以抑制基因的翻译。

图3 通过引导编辑引入uORF实现基因敲低(Xue et al., 2023)。（A）在 OsBRI1 的5' UTR区域引入ATG；（B）野生型和 uORF _OsBRI1 （−99 bp , 28 aa）突变体中 OsBRI1 的mRNA水平比较；（C）野生型和 uORF _OsBRI1 （−99 bp , 28 aa）突变体中 OsBRI1 的蛋白水平比较；（D）野生型和 uORF _OsBRI1 （−99 bp , 28 aa）突变体叶夹角表型观察。

内部核糖体进入位点（IRES）

在介绍IRES之前，先给大家分享一下真核生物mRNA翻译的起始过程。翻译的起始过程非常复杂，涉及一系列蛋白及复合体，其中两个十分重要的复合体分别是 eIF4F 复合体 和 43S PIC 复合体 。在mRNA准备翻译时，eIF4F复合体中的eIF4E（mRNA 5' -帽结合亚基）结合在mRNA的m ⁷ G帽子上，随后eIF4F复合体招募43S PIC复合体。43S PIC复合体紧接着向mRNA 3'端扫描起始密码子，扫描到起始密码子后具有翻译能力的核糖体正式形成，这也标志着翻译的起始的结束和延伸的开始(Bhat et al., 2015)。此外值得注意的是，这个过程中poly(A)结合蛋白（Poly(A)-binding protein，PABP）能与相关复合物结合以稳定转录起始。

图4 翻译起始过程(Bhat et al., 2015)。

从上面的描述中可以发现，对于真核生物翻译起始过程来说m ⁷ G帽子必不可少。那么真核生物是否所有翻译过程都需要m ⁷ G帽子呢？2022年7月，杜克大学董欣年课题组在 Cell 杂志上发表了一篇题为“PABP/purine-rich-motif as an initiation module for cap-independent translation in pattern-triggered immunity”的研究论文，该研究发现在病原菌侵染条件下，脱帽蛋白（Decapping protein，DCP）会去除mRNA 上的 m ⁷ G 帽子，这会导致mRNA的降解。正常来说mRNA的降解会导致抗病相关蛋白的丰度下降，从而使植物表现出感病。然而有研究发现 DCP 的过表达并不会导致植物感病，这说明在生物胁迫时某些抗病基因的翻译并不会受到mRNA脱帽的影响（Yu et al., 2019）。作者进一步探索发现，在这些不受脱帽影响的mRNA的 5' UTR 存在富含嘌呤的R基序（R-motif），通过实验证明R-motif招募翻译起始的必须组分（PABP、eIF4G和植物中eIF4G的异构体eIFiso4G）后正常启动抗病基因的翻译过程，因此这些R-motif可以充当 IRES 的作用（简单来说就是不需要m ⁷ G帽子也可以招募核糖体等翻译的必须组分从而启动翻译过程）。这一过程涉及病原体侵染信号的转递以及PABP、eIF4G和eIFiso4G的磷酸化(Wang et al., 2022)（图5），对详细过程感兴趣的读者可以阅读原文。

图5 IRES调控mRNA翻译过程的模式图(Wang et al., 2022)。

3' UTR中的调控元件

AU富集元件（ARE）

对于3' UTR中的调控元件，伯小远本想首先给大家讲述miRNA的结合位点，因为研究miRNA对mRNA的调控，一般会关注miRNA在3' UTR上的结合位点，该内容在往期推文“ 基因敲高——通过基因编辑改善作物农艺性状 ”有所涉及，在此就不重复分享。因此，这里就首先给大家分享ARE这种“低调”但也十分重要的调控元件。

ARE是一种位于mRNA 3' UTR中的调控元件。ARE由 富含腺嘌呤（A）和尿嘧啶（U）的短序列 组成，典型的ARE通常包含多个 AUUUA重复序列 。这些元件的长度和确切序列可能有所不同，但它们通常富含AU两种核苷酸。ARE通常通过与特定的RNA结合蛋白相互作用，形成RNA-蛋白复合物从而 调节mRNA稳定性和翻译 等过程（Goss and Domashevskiy, 2016）。下面是一篇关于植物中ARE的文章。

2023年1月，福建农林大学马留银课题组联合苏州大学吴小惠课题组在 Plant Physiology 杂志上发表了一篇题为“Alternative 3' UTRs regulate high salt tolerance of Spartina alterniflora ”的研究论文，该研究前期发现盐胁迫下离子转运相关基因的3' UTR会延长，这提高了这些基因mRNA的稳定性和蛋白的丰度。为了深入探索这一现象的内在分子机制，作者以这些离子转运相关基因中的 SaHKT1 为突破口，分析 SaHKT1 3' UTR发现，盐胁迫下 SaHKT1 延长的3' UTR中发现了ARE，而未胁迫下 SaHKT1 的3' UTR未见ARE，这说明ARE可能对 SaHKT1 提高mRNA稳定性以响应盐胁迫至关重要。通过实验证明29nt ARE的缺失确实会导致SaHKT1蛋白丰度的下降(Wang et al., 2023)（图6）。

图6 互花米草中ARE提高mRNA稳定性以响应盐胁迫的模式图(Wang et al., 2023)。

G-四链体（RG4）

RNA的G-四链体（RNA G-quadruplex，RG4）是一种由 富含鸟嘌呤（ G ）的序列 形成的特殊二级结构。在RNA分子中，G-四链体通过碱基堆积和配位离子的稳定，形成由四个G通过氢键连接成的平面结构。多个这样的平面可以堆叠在一起，形成稳定的四链结构( Kwok and Merrick , 2017)。3' UTR中的RG4参与调控 mRNA 的定位以及稳定性 等，值得一提的是该结构也存在于5' UTR( Fay et al., 2017)。相比于ARE，RG4更加“冷门”，接下来与各位读者分享一篇有关植物中G-四链体的文章。

2022年10月，中科院分子植物科学卓越创新中心杨小飞课题组、东北师范大学张铧坤课题组联合约翰英纳斯中心丁一倞课题组在 Nature Communications 杂志上发表了一篇题为“RNA G-quadruplex structure contributes to cold adaptation in plants”的研究论文，该论文前期研究发现冷胁迫诱导了RG4的形成，所以作者猜测RG4可能在低温感知中发挥特别的作用，这种作用很可能是抑制mRNA的降解。为了进一步探索，作者选择了一个受低温显著诱导的基因 CORG1 为研究对象，将 CORG1 RG4中的G突变为A后获得 mutRG4-CORG1 突变体。实验后发现，冷胁迫条件下， mutRG4-CORG1 突变体中 CORG1 mRNA的降解速率高于野生型，此外， mutRG4-CORG1 突变体的生长抑制弱于野生型。这些说明RG4结构通过抑制mRNA的降解从而提高了植物对冷胁迫敏感度(Yang et al., 2022)。

图7 RG4通过抑制mRNA的降解提高植物对冷胁迫敏感度的模式图(Yang et al., 2022)。

N6- 甲基腺苷（ m ⁶ A ）

3' UTR上的重要调控元件除了上面介绍的两种之外，比较常见的还有 m ⁶ A 修饰位点。具体来说， m ⁶ A 指的是 RNA 分子中的腺苷（ A ）碱基的 N6 位点上附加一个甲基团（ -CH ₃ ）。 m ⁶ A 是真核生物mRNA上含量最高的化学修饰，在 基因表达调控 中起着重要作用，包括转录和 转录后调控 (Tang et al., 2023)。相比于动物，植物中 m ⁶ A 修饰位点主要位于3' UTR，而5' UTR和CDS上较少(Wang et al., 2024)。3' UTR及CDS上的 m ⁶ A 修饰主要与mRNA的稳定性有关，而5' UTR上的 m ⁶ A 修饰是否与翻译效率有关还存在争议。最近有研究发现，单个 m ⁶ A 在5' UTR中对翻译效率没有明显影响。由于 3' UTR上的 m ⁶ A 修饰比较常见，在此处讨论植物上的 m ⁶ A 的修饰还是主要把目光集中在3' UTR上。

2018年4月，北京大学贾桂芳课题组在 Plant Cell 杂志上发表了一篇题为“The m6A Reader ECT2 Controls Trichome Morphology by Affecting mRNA Stability in Arabidopsis”的研究论文，作者发现 m ⁶ A 结合蛋白ECT2主要富集在mRNA的3' UTR上，进一步探究发现3' UTR的m ⁶ A修饰可以提高毛状体形态发生相关基因mRNA的稳定性(Wei et al., 2018)。

图8 3' UTR的 m ⁶ A 修饰提高毛状体形态发生相关基因mRNA稳定性的模式图(Wei et al., 2018)。

本小节给大家分享了一些UTR上重要调控元件的相关研究，这些元件里有些已经逐渐走进了科研“舞台”的中心，如uORF等，而有些还徘徊在科研“舞台”的边缘，如RG4等。通过分享的文献案例大家可以了解到，这些元件在mRNA的 翻译调控 、 稳定性 及 亚细胞定位 相关过程中都起着重要的调控作用，由于篇幅有限的原因，并没有给大家列举所有调控元件的相关案例，例如，mRNA的定位可由RNA结合蛋白（RNA-binding proteins，RBPs）所介导，结合位置通常位于UTR和CDS(Tian et al.,2020)，感兴趣的小伙伴可以自行查阅相关资料。

小远叨叨

在植物基因功能研究过程中，研究人员通常通过基因敲除、基因沉默或过表达来调控特定基因的表达。然而，阅读本文后，相信大家也能意识到调控UTR区也是一种行之有效的方法。当实验仅需要基因敲除或过表达时，传统方法可能已经足够，但如果要求 不改变编码序列且不引入外源片段 ，就需要考虑其他策略。通过改造UTR区中的重要调控元件，不仅可以满足要求，还可以实现基因的上调及下调，这对品种改良和实际推广具有重要意义。总之，随着基因编辑技术的发展和基础研究的进步，越来越多的优良基因被发现。为了将这些基因应用于实际育种中，UTR区中的重要调控元件将成为一个重要的突破口。

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