热休克诱导核糖体沉默并重组mRNA周转的机制研究

《Cell Reports》：Heat shock induces silent ribosomes and reorganizes mRNA turnover

本研究针对热应激如何影响mRNA周转的关键科学问题，通过开发RNA定量方法，揭示了热休克诱导大部分80S单核糖体成为不携带全长mRNA的“沉默核糖体”的新现象。该现象伴随Xrn1等降解因子核糖体结合减少，导致密码子依赖性mRNA差异稳定性降低，但热休克蛋白（HSP）mRNA能维持与核糖体的稳定结合。这项发表于《Cell Reports》的工作阐明了细胞通过动态重组mRNA周转以优先翻译应激蛋白的适应性新机制。

　　

在细胞的生命活动中，mRNA的周转——包括其翻译成蛋白质和最终的降解——是一个受到精细调控的核心过程。mRNA分子在细胞质中与核糖体结合，形成单核糖体（monosome）或多核糖体（polysome）复合物，从而进行蛋白质合成。大多数mRNA的降解是伴随翻译过程发生的。环境压力，如热休克（heat shock），会显著影响基因表达，已知其能抑制翻译延伸，并诱导分子伴侣和热休克蛋白的表达，同时抑制核糖体蛋白mRNA的翻译。然而，高温如何影响mRNA在结合核糖体（关联）与降解之间的平衡，即mRNA周转（mRNA turnover）的核心步骤，此前尚不清晰。高温也给测量mRNA半衰期等动力学参数带来了技术挑战。

为了解决这些关键问题，瑞士巴塞尔大学的研究团队在《Cell Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们旨在深入探究热休克如何改变mRNA的结合状态（游离、单核糖体结合、多核糖体结合）及其周转动力学。

为了开展研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们优化了酵母细胞在高温（42°C）下的4-硫尿嘧啶（4tU）代谢标记条件，以精确测量mRNA半衰期；其次，他们进行了多核糖体图谱分析，结合RNA测序（RNA-seq），系统评估了热休克后核糖体组装和mRNA分布的变化；此外，他们利用定量蛋白质组学（质谱分析）来表征与不同核糖体组分结合的蛋白质；最后，他们开发了一种基于RNA-seq数据的数学模型，用于估算mRNA与核糖体的关联速率和降解速率。

研究结果

热休克诱导核糖体组装发生与mRNA分布不匹配的重构

研究人员比较了30°C和42°C热休克30分钟后酵母细胞的多核糖体图谱。他们发现，热休克导致单核糖体峰显著增加，同时多核糖体峰减少，表明核糖体组装发生了剧烈重构。然而，当测量特定mRNA（如短CDS的HTB1和长CDS的ESC1）在梯度各组分中的分布时，并未观察到与吸光度图谱相匹配的向单核糖体的显著转移。通过计算全转录组的mRNA多核糖体倾向性（polysome propensity，即mRNA在多核糖体与单核糖体组分中的比例），发现其中位数仅轻微下降（0.72倍）。这表明，核糖体向单核糖体的显著聚集并未伴随单核糖体关联mRNA的相应增加，提示可能存在不携带mRNA的“沉默”核糖体。

大多数单核糖体在热休克下不携带全长mRNA

为了验证上述假设，研究人员比较了多核糖体梯度各组分中总mRNA与总rRNA（不包括异常的5S rRNA）的比值（∑mRNA/∑rRNA）。在30°C时，四核糖体（tetrasome）组分的该比值与热休克后相似，但单核糖体组分的比值在42°C时显著降低。通过线性回归分析估算，在42°C下，仅有约10-20%的单核糖体与全长mRNA结合，这意味着80-90%的单核糖体是“沉默”的。这一结果通过针对一系列基因的qRT-PCR分析得到了独立验证，表明热休克确实诱导了大部分单核糖体处于不活跃的沉默状态。

蛋白质组学揭示沉默核糖体缺乏翻译相关蛋白

为了进一步表征沉默核糖体的组成，研究人员对多核糖体梯度各组分进行了质谱分析。他们定义了TICMA（温度诱导的单核糖体关联变化）参数来量化蛋白质在热休克后单核糖体上的相对富集或耗竭。结果显示，绝大多数蛋白质（85%）在热休克后的单核糖体上关联减少（TICMA < 1）。基因本体（Gene Ontology）分析发现，在沉默核糖体上显著耗竭的蛋白质类别包括翻译起始因子、协助共翻译折叠的分子伴侣、tRNA氨酰化酶以及应激颗粒（stress granule）组分。相反，只有少数蛋白质在单核糖体上富集，如与休眠核糖体相关的Stm1和Lso2。这些发现表明，沉默核糖体在蛋白质组成上恰好是应激颗粒的互补，并且缺乏进行有效翻译所需的关键因子。

不同应激条件均诱导沉默核糖体形成

研究人员进一步检验了其他能诱导应激颗粒的条件，如葡萄糖剥夺和乙醇休克。多核糖体图谱显示，这些条件也导致了单核糖体峰的增大。通过qRT-PCR估算，葡萄糖剥夺后高达97.5%的单核糖体是沉默的，乙醇休克后约为71%，而热休克后约为90%。这表明沉默核糖体的形成是细胞应对多种应激的一个普遍特征，其比例随应激类型和严重程度而变化。

热休克降低密码子依赖性mRNA差异稳定性

研究人员注意到，在热休克条件下，关键的5‘-3''外切核糖核酸酶Xrn1与核糖体的结合显著减少（TICTRA，即总核糖体关联变化，为0.36）。Xrn1是介导密码子最优性（codon optimality）效应，即最优密码子能延长mRNA半衰期的关键因子。他们通过基因控制系统测量了具有不同CDS长度、且密码子被系统替换为最优或非最优的同义mRNA变体的半衰期。研究发现，虽然差异稳定性（differential stability，即最优与非最优密码子mRNA半衰期之比）出现的CDS长度阈值（约260-280核苷酸）在不同温度下保持稳定，但其最大值在42°C时（2.1）比在30°C时（5.3）降低了一半。这证实了热休克削弱了密码子对mRNA稳定性的调控作用，可能与Xrn1活性改变及游离mRNA池增加有关。

热休克以不同方式调节核糖体蛋白和热休克蛋白mRNA的周转

通过结合优化的代谢标记测得的mRNA半衰期和多核糖体图谱数据，研究人员建立了一个数学模型来估算mRNA与核糖体的关联速率常数和降解速率常数。整体上，热休克后mRNA的降解速率中位数增加，但与核糖体的关联速率中位数下降，这很可能与大量核糖体变为沉默状态而无法结合mRNA有关。值得注意的是，对于被热休克抑制的核糖体蛋白（RPS/RPL）mRNA，其关联速率显著降低，导致其降解速率超过关联速率，表达趋于下降。相反，对于被诱导的热休克蛋白（HSP）mRNA，其关联速率得以维持甚至略有增加，与降解速率的增加基本平衡，从而保证了它们在应激条件下的稳定表达。这种差异化的调控使得细胞能够优先保障热休克蛋白的合成，同时抑制生长相关的核糖体蛋白合成。

研究结论与意义

本研究揭示了细胞应对热应激的一种关键适应性机制：通过诱导形成不携带mRNA的“沉默核糖体”，动态重组mRNA的周转过程。该研究的主要结论和意义包括：

1. 1.
   发现新现象：研究明确证实，热休克导致的单核糖体积累主要源于“沉默核糖体”的形成，而非传统认为的翻译延伸暂停。研究人员开发了一种可靠的RNA-based方法来量化沉默核糖体的比例。
2. 2.
   阐明互补关系：蛋白质组学分析表明，沉默核糖体在成分上与应激颗粒互补，二者共同响应应激，可能通过分拣mRNA和翻译机器来调控基因表达。
3. 3.
   揭示广泛性：研究证明沉默核糖体是多种应激条件下的普遍反应，其比例反映应激强度，提示这在细胞适应中具有基础性作用。
4. 4.
   解析调控后果：沉默核糖体的形成减少了可用于翻译的核糖体池，进而降低了大多数mRNA与核糖体的关联速率。同时，关键降解因子如Xrn1的核糖体结合减少，削弱了密码子最优性对mRNA稳定性的调控。
5. 5.
   揭示优先级机制：最重要的是，研究阐明了细胞如何在应激下优先表达热休克蛋白：通过维持甚至提高HSP mRNA的核糖体关联速率，并使其与加速的降解速率相平衡，从而确保HSP的持续合成；而对于核糖体蛋白mRNA，则通过降低其关联速率，使其表达下降。这种mRNA周转的重组是细胞在不利环境中优化资源分配、停止生长并增强抗逆性的核心策略。

这项工作不仅深化了对蛋白质翻译和mRNA降解耦合调控的理解，也为研究其他生理病理过程中翻译抑制和基因表达重编程提供了新的视角和工具。