华中农业大学李青团队发现一种新的活性转座子通过改变翻译速率来影响蛋白质丰度，从而产生等位变异

蛋白质翻译受到包括上游开放阅读框( uORFs )在内的多种机制的严格精确控制，但uORFs的起源及其在玉米中的作用在很大程度上是未知的。

2023年1月11日，华中农业大学李青团队在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“A novel active transposon creates allelic variation through altered translation rate to influence protein abundance”的研究论文，该研究在玉米自交系B73的扩繁过程中鉴定到一个活跃的转座事件。该转座子被命名为BTA，即'B73 active transposable element hAT '，并通过插入第1外显子的编码序列，创建了一个新的六碳糖转运蛋白基因Zm SWEET4c的剂量依赖性亚效等位基因，导致籽粒变小。

BTA的插入不影响ZmSWEET4c的转录本丰度，但降低了ZmSWEET4c的蛋白丰度，这可能是通过引入一个uORF实现的。此外，在其他基因的外显子中引入BTA序列可以在不影响其mRNA水平的情况下调控翻译效率。转座子捕获实验发现79个新的BTA和BTA - like元件插入。这些插入位点具有典型的常染色质特征，包括低水平的DNA甲基化和高水平的H3K27ac。研究人员还鉴定了一个可能动员BTA和BTA - like元件的自主元件。总之，该结果暗示了基于转座子的uORFs的起源，并证明了转座元件通过影响翻译速率来影响蛋白质丰度和表型多样性的新作用。

等位变异是可遗传表型变异的主要驱动因素。等位变异的类型很多，包括但不限于编码变异、调控变异和拷贝数变异。这些类型的变异对表型多样性的贡献不同。例如，对导致作物数量性状位点的功能等位变异的汇编表明，调控变异和编码变异是变异的两种主要类型。尽管已经鉴定了许多功能变异，但通过蛋白质翻译影响表型的等位变异的案例相对较少。

蛋白质翻译可以通过多种机制严格控制，包括microRNA、环状RNA、m6A等mRNA的表观遗传修饰，mRNA的二级结构和上游开放阅读框( uORFs )。uORFs发生在人类mRNA的40 %的5′-非转录区( UTRs )中，可以影响下游主要ORF ( mORF )的翻译。一般来说，uORFs通过减少mORF的翻译来调节基因表达。有研究认为u ORF功能缺失与人类疾病有关。在植物中的研究发现，u ORFs与抗病、营养吸收等性状相关。由于uORFs的重要性和广泛存在性，许多研究探讨了利用uORFs来操纵翻译和表型。

最近在玉米中的研究表明，u ORFs在自交系基因型间的等位变异会导致不同的蛋白质翻译速率，从而导致不同的蛋白质丰度，暗示了u ORFs在创造玉米表型多样性中的重要作用。然而，产生uORFs的机制并不十分清楚。一项针对人类的研究表明，10 %的u ORFs的ATGs具有可能的转座子来源。转座子占玉米基因组的85 % 。在玉米中有许多转座子插入的例子，它们通过调节附近基因的表达来调控一系列性状的表型变异，如开花时间、分蘖、抗病和耐旱。转座子可以在基因表达的各个水平上产生变异性。基因内部的转座子插入可以破坏ORF并导致表达水平的改变，这可能是由转座元件( transposable element，TE )上的DNA甲基化或其他机制引起的。在基因的启动子或5′- UTR内插入转座子可以提供新的调控序列，如增强子或启动子。此外，转座子可以通过产生小干扰RNA ( siRNA )来抑制翻译。然而，目前尚不清楚转座子是否可以通过产生uORFs影响蛋白丰度来影响表型。

smk的表型特征及潜在基因的鉴定（图源自Nucleic Acids Research ）

Ac/Ds转座子最早在玉米中发现，是h AT转座子家族的创始成员。Ac元件是一个自主转座子，编码一个包含四个结构域的转座酶：BED结构域、DNA结合结构域、催化结构域和插入催化结构域的额外结构域。Ds元件代表Ac的内部缺失，是一种非自主转座子，需要Ac编码的转座酶进行转座。在多个物种中已鉴定出多个活性Ac - like元件。

前期研究表明，编码己糖转运蛋白的ZmSWEET4c在种子灌浆过程中起关键作用。该基因在玉米和水稻中均受到趋同选择。该基因的功能缺失导致玉米和水稻籽粒发育受阻。在该研究中，研究人员鉴定出该基因的一个新的亚效等位基因(命名为' smk ')，其蛋白翻译效率和蛋白水平因转座子( BTA )插入而降低。该等位基因对籽粒大小具有剂量依赖效应。研究结果表明，转座子在外显子内的插入可以产生uORFs，增加了转座子作为"控制元件"的新的调控层。此外，研究人员发现BTA及其密切相关的转座子( BTA-like )具有活性，能够优先插入具有常染色质特征的区域，并鉴定了一个新的Ac - like自主元件。总之，该研究在玉米中鉴定了一个新的活性转座子，并为转座子在蛋白质翻译中的潜在调控作用提供了新的见解。

参考信息：

https://doi.org/10.1093/nar/gkac1195

转自：“iNature”微信公众号

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