Nature︱细胞生命律动：eIF1的释放和有丝分裂翻译调控的奥秘

更新时间：2024-11-27 08:38  浏览量：4

撰文 | 咸姐

在细胞的微观世界里，遗传信息的解码不仅仅是一场精确的分子舞蹈，更是一场充满变数的蛋白质交响曲。人类细胞通过转录、剪接和翻译的巧妙调控，创造出令人惊叹的蛋白质多样性。这一过程中，翻译调控尤为神秘，它赋予细胞一种能力：在不依赖于转录组变化的情况下，迅速调整蛋白质的生产阵容。特别是在转录活动受限时，这种调控显得尤为重要。然而，尽管目前人们对翻译的重要性有所了解，起始密码子选择的具体调控机制仍然是一个未解之谜。起始密码子的选择决定了蛋白质合成的起点，进而影响上游开放阅读框、标准蛋白质和替代翻译异构体的产生，这在理论上可以重塑整个蛋白质组【1,2】。但在实际的细胞生理过程中，这种选择是如何被精细调控的，以及在何种条件下会发生变化，我们知之甚少。这不仅是一个基础的科学问题，也关系到我们对细胞功能和疾病治疗的深刻理解。

近日，来自美国怀特海德生物医学研究所的Iain M. Cheeseman团队在Nature上在线发表题为Nuclear release of eIF1 restricts start-codon selection during mitosis的文章，通过全转录组翻译起始位点分析，揭示了哺乳动物有丝分裂期间起始密码子选择的严格性的整体增强，导致数千个翻译起始位点及其蛋白产物发生变化。这种增强的严格性由40S核糖体与起始密码子选择的关键调节因子eIF1的结合增加引起，而eIF1的核释放是核膜破裂的结果。耗尽核eIF1会改变有丝分裂期间的翻译严格性，影响蛋白亚型合成，并增加细胞死亡，减少有丝分裂滑移，尤其在抗有丝分裂化疗药物引起的有丝分裂延迟的细胞中。由此证明在哺乳动物细胞周期中，细胞通过全局调控翻译起始的严格性对维持有丝分裂细胞的生理状态具有关键作用。

在培养的人类细胞中，有丝分裂大约持续60分钟。然而，有丝分裂的一个关键特性是细胞能够感知有丝分裂错误并延迟进程，以确保在染色体分离前有足够的时间纠正这些错误。在有丝分裂期间，细胞的转录活动被全面抑制，因此本文研究人员首先评估了有丝分裂细胞活力对新翻译的需求。研究结果表明，在细胞经历有丝分裂延迟时，持续的翻译对于维持细胞活力是必需的。用KIF11抑制剂S-三苯甲基-L-半胱氨酸 （STLC） 处理的HeLa细胞对翻译抑制剂环己亚胺 （CHX） 极度敏感，导致细胞死亡，而间期细胞则能耐受。而用MG132抑制蛋白降解则部分抑制了由CHX引起的细胞死亡，表明有丝分裂期蛋白质更新对新合成蛋白的需求增加，即使翻译活动有所减弱。

随后，研究人员评估了有丝分裂期间的翻译格局。通过翻译起始位点测序、核糖体分析和RNA测序 （RNA-seq） ，研究人员在HeLa细胞中识别出在间期和有丝分裂期间翻译起始位点的使用变化。结果发现，循环有丝分裂细胞和有丝分裂阻滞细胞之间的翻译起始位点谱高度相关，这表明观察到的翻译起始效率的变化反映了有丝分裂状态本身的特点，而与细胞周期中的特定同步策略无关。通过比较间期和有丝分裂阻滞的细胞的翻译起始位点效率，研究人员还发现了3,993个翻译起始位点在这两种状态下存在使用差异，改变起始密码子选择对有丝分裂翻译控制具有重要作用，由此表明在有丝分裂过程中，数千个翻译起始位点的选择发生了广泛的变化。

为了了解有丝分裂和间期之间翻译起始变化的机制基础，研究人员建立了一个线性回归模型来识别导致翻译变化的序列特征。研究结果发现，与间期相比，有丝分裂时起始密码子的身份是决定翻译起始效率变化的最重要特征之一，AUG起始密码子和具有最佳Kozak序列的起始位点在有丝分裂期间更受青睐，而非AUG起始位点则受到抑制。此外，研究还发现，Kozak序列的优劣对翻译在有丝分裂期间的影响很大，具有优越Kozak序列的ORF在有丝分裂期间更倾向于被翻译，而那些Kozak序列较差的ORF则更倾向于被抑制。这些发现表明，有丝分裂期间的翻译严格性增加，导致对起始密码子的选择更加严格，从而改变了数千个ORF的相对合成。

对有丝分裂期间的翻译起始机制的探索发现，在有丝分裂与间期的细胞中，翻译因子和核糖体蛋白的总水平相似，但是研究人员观察到在有丝分裂期间，eIF1与40S核糖体亚基的关联显著增强，而eIF5则减少。由于eIF1直接增加起始密码子选择的严格性，而eIF5则减少这种严格性，并且eIF1和eIF5在40S核糖体上相互竞争，这些发现表明eIF1和eIF5与核糖体的关联变化可能有助于调节有丝分裂期间翻译起始严格性的变化。进一步地，研究人员发现eIF1在多个物种和细胞类型中普遍存在于细胞核，并可能在那里发挥功能。在有丝分裂过程中，原本在间期细胞核中定位的eIF1会在核膜破裂时被释放到细胞质中，并在整个有丝分裂期间保持在细胞质中，使得eIF1与40S核糖体亚基的相互作用增加。而在有丝分裂结束后，eIF1会重新被导入细胞核，迅速恢复到间期状态。与此同时，研究还发现，有丝分裂期间eIF1的核释放有助于有丝分裂期间起始密码子选择的严格性增加，调节eIF1的核/细胞质比例可以在间期和有丝分裂期间对翻译起始的严格程度进行差异调节。而核特异性eIF5的表达足以部分中和有丝分裂期间核eIF1释放的影响，抑制有丝分裂期间翻译严格性的变化，表明核eIF5可能通过与eIF1竞争结合到40S核糖体上，从而在有丝分裂期间调节翻译的严格性。

最后，研究人员评估了有丝分裂翻译严格性增加的生物学意义。研究结果显示，缺乏核eIF1的细胞对诱导有丝分裂延迟的化疗药物表现出高度敏感性，导致细胞死亡显著增加，表明在有丝分裂停滞期，需要一个eIF1核库和增加的有丝分裂翻译起始严格性来维持细胞的生存能力。此外，研究还发现缺乏核eIF1的细胞在有丝分裂期间的线粒体功能受损，这可能导致了核eIF1缺失细胞中发生的有丝分裂特异性死亡。与此同时，研究人员分析了缺乏核eIF1的细胞的细胞周期进程，发现在药物诱导的有丝分裂阻滞发生时，缺乏核eIF1的细胞更难以从有丝分裂状态中退出并进入G1期，即有丝分裂滑移的发生率降低，表明核eIF1对于维持细胞在有丝分裂过程中的正确进程至关重要，其缺失可能导致细胞无法正常完成有丝分裂，进而影响细胞的存活和增殖。

综上所述，本研究深刻揭示了有丝分裂期间细胞核内eIF1释放对起始密码子选择严格性增强的调控机制，从而在整体范围内重塑了蛋白质合成图谱（图1）。核eIF1的释放不仅精细调控了翻译过程，还平衡了有丝分裂滑移与细胞死亡之间的关系，对细胞周期的精确调控至关重要。这一发现不仅增进了我们对细胞如何通过翻译调控应对有丝分裂压力的理解，也为开发新型抗有丝分裂化疗药物提供了潜在靶点，有望通过调节核eIF1水平，增强癌细胞对化疗的敏感性，开辟癌症治疗的新途径。

图1

制版人：十一

参考文献

1. Wright, B. W., Yi, Z., Weissman, J. S. & Chen, J. The dark proteome: translation from noncanonical open reading frames.Trends Cell Biol.32, 243–258 (2022).

2. Parsons, G. G. & Spencer, C. A. Mitotic repression of RNA polymerase II transcription is accompanied by release of transcription elongation complexes.Mol. Cell. Biol.17, 5791–5802 (1997).

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