利用基因组编辑实现蛋白过量表达，中科院遗传所开发出调控内源基因蛋白质翻译效率的新方法

基因组编辑是在基因组水平对基因进行精确、定向修饰的一种高效的生物技术方法。简单、高效的CRISPR/Cas9编辑体系的出现给生命科学带来了新的技术革命。CRISPR/Cas9通常在基因组靶向位点造成DNA碱基的添加或删除，从而导致基因功能的缺失。近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组在Nature Biotechnology在线发表了题为“Genome Editing of Upstream Open Reading Frames Enables Translational Control in Plants”的研究论文，该研究建立了一个通过CRISPR/Cas9高效调控内源mRNA翻译的方法。该方法通过提高蛋白质翻译效率，增加目标基因的编码蛋白水平。





蛋白编码基因的表达产物一般受到转录、转录后RNA加工、蛋白质翻译及翻译后加工、蛋白降解等多个水平的调控。真核细胞的mRNA由5’非翻译区（5’ Untranslated Region, 5’UTR）、编码蛋白的开放阅读框区（Open Reading Fragment）及3’端非翻译区（3’ Untranslated Region, 3’UTR）构成。研究发现5’UTR存在一些具有翻译能力的开放阅读框，称为上游开放阅读框（Upstream Open Reading Fragment, uORF）。与之对应，5’UTR之后的开放阅读框被称为主开放阅读框（Primary Open Reading Fragment, pORF）。uORF通常能够抑制下游的pORF的翻译。生物信息学分析表明uORF在动植物中广泛存在，人、小鼠、拟南芥、水稻、玉米中超过30%的mRNA含有预测的uORF，但是对uORF的功能研究与遗传操作还缺乏高效和精细的方法。

高彩霞研究组利用CRISPR/Cas9对uORF进行编辑，发现能够显著提高目标基因的翻译效率。通过CRISPR/Cas9编辑拟南芥和生菜中的4个基因的uORF翻译起始区及周边序列，获得了多个相应基因的uorf突变体。这些uorf突变体目标基因的pORF的mRNA翻译水平都有不同程度的提高。其中，通过突变维生素C合成途径中关键基因GGP（GDP-L-galactose phosphorylase）上游的uORF，可以使生菜叶片中维生素C含量提高约150%。利用CRISPR/Cas9编辑uORF翻译起始区会出现两种结果：1）完全破坏uORF的翻译起始能力导致uORF功能缺失；2）改变uORF的翻译起始密码子（例如ATG突变为翻译起始能力较弱的GTG）及其周边序列，使uORF对pORF的抑制效率发生微调。



图：CRISPR编辑uORF调控蛋白质翻译水平

该研究展示了通过基因组编辑uORF操纵mRNA翻译而调控蛋白质水平在植物分子生物学研究及遗传育种中的应用前景。此外，该方法可能随着新型基因组编辑工具不断出现及方法的进一步优化而变得覆盖率更广且更加容易。由于uORF在动植物基因中都普遍存在，相信该方法在未来将有更加广泛的应用。

高彩霞研究组副研究员张华伟博士、博士生司小敏、姬祥为该论文的共同第一作者。该研究得到科技部、基金委基础科学中心以及中科院的资助。

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