综述：解读mRNA翻译过程中的核糖体动力学

这篇综述系统阐述了mRNA翻译过程中核糖体动力学（Ribosome Dynamics）的调控机制与生理病理意义，重点探讨了核糖体停滞（Stalling）、碰撞（Collision）的分子特征，以及细胞通过整合应激反应（ISR）、核糖体毒性应激反应（RSR）等通路维持稳态的机制，并揭示了其与神经退行性疾病、癌症等人类疾病的关联。

　　

核糖体动力学的多维调控网络

Abstract
翻译在基因表达中占据核心地位，其对环境压力的快速响应具有进化保守性。当mRNA损伤或底物不足时，核糖体在延伸阶段停滞并中断蛋白质生产线。即使在正常生长条件下，翻译机器也持续面临密码子组成差异或新生链特性等障碍。然而，由于核糖体行为的天然异质性，实验界定这些动力学特征极具挑战性。

Introduction
mRNA经转录后开启翻译之旅，将核苷酸序列转化为蛋白质氨基酸序列。翻译分为起始、延伸、终止和回收四个阶段。起始阶段，43S前起始复合体识别起始密码子（通常为AUG），随后组装功能性80S核糖体。延伸是复杂的聚合过程，核糖体沿mRNA移动，通过tRNA逐个解码密码子（三核苷酸）。氨酰tRNA通过密码子-反密码子配对进入核糖体A位，需经过采样确保从tRNA池中选择正确tRNA。核糖体内部聚合氨基酸直至遇到终止密码子。据估算，大肠杆菌中延伸核糖体每秒添加5~10个氨基酸，哺乳动物细胞中为3~5个。

Measurements of ribosome dynamics
定量分析核糖体动力学对阐明翻译调控机制至关重要。核糖体图谱技术（Ribo-seq）通过测序核糖体保护片段（RPFs）展示mRNA上的核糖体位置，其分辨率受样本制备、cDNA文库构建等因素影响。单分子成像技术可实时观测活细胞中翻译事件，但无法达到密码子分辨率。

Ribosome dynamics by tRNA biology
tRNA的丰度与功能状态是解码速度的关键决定因素。例如，Schlafen家族成员SLFN11特异性切割tRNA-Leu^UAA导致翻译抑制；线粒体tRNA修饰酶SHMT2缺失会引起核糖体在赖氨酸AAG密码子处停滞。氨酰tRNA合成酶（ARS）介导的tRNA充电是解码过程的核心，而tRNA修饰通过影响密码子-反密码子配对调控解码保真度。

Ribosome dynamics by mRNA features
密码子偏好性（Codon optimality）反映带电tRNA供应与密码子使用需求间的平衡。最优密码子通常由高丰度tRNA高效解码。mRNA二级结构和修饰（如m⁶A）通过直接或间接方式调节延伸速率。新生肽链中富含特定氨基酸（如脯氨酸）会显著影响核糖体动力学——例如，eIF5A通过结合核糖体E位促进多脯氨酸序列的翻译。

Translational outcomes of altered ribosome dynamics
核糖体停滞可诱发非常规翻译事件：饥饿移码（Hungry frameshifting）使核糖体在空载tRNA情况下发生读框偏移；密码子重分配（Codon reassignment）导致非常规氨基酸掺入；极端情况下，翻译流产（Aborted translation）通过CAT尾标记异常产物。

Cellular response to altered ribosome dynamics
细胞通过多层监控网络应对翻译障碍：

• 整合应激反应（ISR）：GCN2感知未充电tRNA或停滞核糖体，磷酸化eIF2α抑制全局翻译
• 核糖体碰撞反应（RCR）：ZNF598泛素化核糖体蛋白，ASCC复合体介导核糖体解离
• 质量控制（RQC）：NEMF催化新生链添加CAT尾，LTN1泛素化异常产物促降解

Pathological ribosome dynamics in human diseases
神经退行性疾病
ARS突变导致周围神经病变，CAG重复扩展引起亨廷顿病中多聚谷氨酰胺蛋白异常。-1移码产生的多聚丙氨酸加剧病理。GTPBP2缺失会加剧tRNA-Arg^UCU突变导致的AGA密码子停滞。

癌症
肿瘤中tRNA-Arg^UCU上调促进富含AGA密码子的细胞周期调控基因高效翻译。DNA损伤剂通过SLFN11诱导亮氨酸密码子停滞触发p53非依赖性凋亡。

感染与代谢疾病
SAMD9/9L切割tRNA-Phe^GAA抑制痘病毒复制；ZAKα缺失小鼠表现出抵抗高脂饮食诱导的代谢紊乱。

Conclusion and perspectives
生理性暂停与病理性停滞的界限仍是未解之谜。核糖体碰撞可能作为分子变阻器调控细胞应激强度，而短暂碰撞甚至可能通过核糖体协作促进延伸。合成生物学与机器学习将助力解码核糖体动力学的设计原则，为疾病治疗提供新策略。