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植物基因上游开放阅读框的研究进展

薛皦,朱庆锋,冯彦钊,陈沛,刘文华,张爱霞,刘勤坚,张琪,于洋

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2022-0793

植物的生长发育必须受到精细的基因表达调控,这一过程主要包括转录水平、转录后水平以及翻译水平等调控方式。由于翻译水平调控的存在,基因的 mRNA 丰度常常不能真实地反映出植物细胞内蛋白质的含量。上游开放阅读框(upstream openreading frame, uORF)是一类能够精确控制蛋白质翻译的 mRNA 元件,位于 mRNA 的 5 ‘ 端前导区(5 ‘leader region)。有研究报道,在拟南芥中至少有 35% 的基因含有 uORF。随着核糖体图谱分析(ribosome profiling)、质谱分析以及生物信息学技术的发展,越来越多物种的 uORF 也逐渐被发现,其在植物生长发育、代谢、抗病等重要生理过程中的功能也逐渐被揭示。

uORF 对 主 体 开 放 阅 读 框(main open reading frame, mORF)最常见的调控方式是抑制其翻译起始、调节其翻译速率。此外,还有研究报道 uORF可以通过无义介导的 mRNA 降解(nonsense -mediated mRNA decay, NMD)方式调节 mRNA 的稳定性。NMD 是真核生物重要的转录后监控机制,通过识别含有提前终止密码子的异常 mRNA,对其进行降解以避免生物体中积累对细胞造成毒害的截短蛋白。非常有趣的是,植物体也可通过自身调节或响应环境变化以减弱或规避 uORF 对其 mORF 的表达抑制。 近年来,生物信息学和翻译组学技术被用于植物uORF 的预测和鉴定,有力推动了真核生物翻译控制机制理论的研究发展。通过植物基因工程的手段和CRISPR 介导的基因编辑技术开展对 uORF 的利用,进一步展现了 uORF 在作物分子育种工作中的应用前景。

近日, 《生物技术通报》在 线发表了植物基因上游开放阅读框的研究进展 文章。本文对植物 uORF 的分类、功能机制、预测和鉴定方法、植物规避 uORF 的方式以及植物 uORF 的工程应用等进行综述归纳,旨在更系统和深入地理解植物 uORF 的功能与机制,并为 uORF 应用于作物分子育种工作提供参考。

本文主要包括以下几部分内容:

1 高等植物 uORF 的类型

2 植物 uORF 发挥功能的分子机制

3 植物 uORF 的预测和鉴定方法

4 植物规避 uORF 的方式

4.1 选择可变的转录起始位点

4.2 通过可变剪切排除或修剪uORF

4.3不依赖于帽子结构的翻译起始

5 uORF 对植物的调控作用

5.1 uORF对植物营养和代谢通路的调控作用

5.2 植物生长发育过程中uORF介导的翻译调控

5.3 uORF对植物其他方面的调控功能

6 植物 uORF 的应用

7 总结

uORF 是位于 mRNA 5 ‘UTR 中的编码短肽的序列,广泛存在于真核生物中,其主要以顺式作用形式在翻译起始阶段调节 mORF 的表达。研究表明,uORF 在植物基因组中普遍存在。 本文综述了近年来国内外植物领域 uORF 的研究进展,翻译组学技术和多组学信息关联分析技术的发展将进一步有助于挖掘鉴定 uORF,特别是利用群体关联分析数据可有效地发现有利或有害的 uORF 变异及植物材料,为后续 uORF 的应用提供候选亲本。植物 uORF 在营养代谢、生长发育、抗病免疫、生物节律等多方面多维度对植物产生调节作用,随着其对植物调控作用发挥功能的分子机制被不断发掘,可设计调控不同性状的分子育种载体,如更有针对性地设计生长发育与抗性相平衡的载体,利用基因编辑等植物基因工程手段将 uORF 更广泛地应用于作物育种中。

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《生物技术通报》是由中国农科院农业信息所主办的生物工程技术领域高水平综合性学术期刊,由知名科学家 谢旗研究员担任期刊主编。主要报道与农业科学相关的国内外生物技术领域最新基础研究成果,致力于为学术共同体打造学术成果传播和交流的优秀平台。目前是中文核心期刊、中国科技核心期刊,入选CSCD核心库、RCCSE核心,“百种中国杰出学术期刊” “中国精品科技期刊” “中国科技期刊卓越计划”入选期刊。

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