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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

更新时间:2024-06-06   点击次数:95次

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:

l  许多功能基因的翻译以阶段特异性的方式进行调节。

l  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。uORFsdORFmicroRNAs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-seqPoly-seq相比,Ribo-seqreads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适合于转录丰度的定量,Ribo-seq数据适合用于揭示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. 1DE)。

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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-seqRNA-seqPoly-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C5C6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。

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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’UTR3’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)。

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

 

研究使用RNA-seqRibo-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. 5AB)。研究还发现uORFsKozak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-seqPoly-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miRNAsuORFs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uORFsmiRNA靶点)组翻译状态。研究还发现dORFs可能一定程度上增强mRNAs的翻译,但与miRNAuORFs之间无显著协同作用(Fig. 6F)。

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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-seqPoly-seqRNA-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。