真核微生物蛋白

《Annual Review of Biochemistry》：Eukaryotic Microproteins

微蛋白是真核生物中未被注释的小型多肽，由smORF编码，通过ribosome profiling和质谱技术发现，参与代谢、免疫、癌症等多种生物学过程，并具有疾病诊断和治疗潜力。

　　微蛋白是一种具有重要生物学功能的小分子量蛋白质，在人类基因组中的数量庞大且广泛存在，并且与多种疾病的发生和发展密切相关。这些微蛋白的长度通常在100到150个氨基酸以内，它们通常不被传统的基因组注释方法所识别，因为这些方法基于某些标准，如蛋白质长度、起始密码子（AUG）以及单顺反子转录本等，排除了那些不符合这些标准的短开放阅读框（smORFs）。然而，随着技术的进步，尤其是核糖体图谱（Ribo-seq）的出现，科学家们能够系统地发现并研究这些微蛋白。Ribo-seq是一种能够检测翻译过程中核糖体足迹的高精度方法，使得科学家可以识别出许多未被注释的smORFs，并进一步探索其功能和调控机制。

在人类基因组中，微蛋白的数量被估计为数千种，它们参与了细胞和生理过程中的关键调控作用，并且在诸如神经退行性疾病和癌症等疾病中也扮演着重要角色。这些微蛋白的发现不仅加深了我们对基因组复杂性的理解，还揭示了新的生物学功能。此外，微蛋白的功能并不仅限于编码基因组中未被注释的区域，还可能来源于非编码RNA（如长链非编码RNA、环状RNA、微RNA前体等），这些微蛋白在不同生物体中表现出不同的表达模式和调控机制。

微蛋白的发现和研究涉及多种技术手段，包括核糖体图谱、质谱分析、遗传筛选以及计算生物学方法。核糖体图谱是一种广泛应用于微蛋白研究的方法，它能够精确地识别核糖体在翻译过程中形成的足迹，并通过深度测序来揭示微蛋白的表达情况。然而，由于微蛋白的长度较短，它们在核糖体图谱中的信号与噪音比例较低，因此需要结合其他技术手段，如质谱分析，以提高检测的准确性。质谱分析能够直接检测微蛋白的翻译产物，并且对于研究微蛋白的化学性质、反应性、定位、相互作用以及翻译后修饰具有重要意义。然而，由于微蛋白的短长度和低丰度，质谱分析在检测过程中可能会受到干扰，因此需要优化样品制备和数据处理流程，以提高检测的敏感性和特异性。

遗传筛选是一种重要的方法，用于鉴定微蛋白的功能。通过CRISPR等基因编辑技术，科学家可以系统地研究微蛋白在细胞中的作用。例如，在人类诱导多能干细胞和K562细胞中进行的CRISPR筛选表明，约有500个非典型开放阅读框（ORFs）在敲除后表现出细胞生长的表型，这说明微蛋白在细胞功能中具有重要的调控作用。此外，通过过表达筛选，科学家还发现了一些微蛋白能够改善酵母细胞的适应性和生存能力，即使它们是物种特异性的。这些研究不仅揭示了微蛋白在不同生物体中的功能多样性，还为理解其在疾病中的作用提供了新的视角。

计算生物学方法在微蛋白的预测和研究中也发挥了重要作用。通过分析基因组和转录组数据，科学家能够识别出可能编码微蛋白的smORFs，并进一步研究其功能。例如，PhyloCSF等工具能够基于进化保守性来预测可能具有功能的smORFs，从而帮助科学家筛选出潜在的微蛋白候选者。然而，计算方法仍然存在一定的局限性，例如对非典型ORFs的识别可能受到算法参数的影响，因此需要结合实验验证来确认微蛋白的功能。

微蛋白的分类依据其在基因组中的位置和表达方式，包括非编码RNA中的微蛋白、mRNA中的微蛋白、线粒体DNA中的微蛋白等。这些微蛋白可能具有不同的功能，例如调控代谢、细胞运输、基因表达、蛋白质稳态以及免疫反应等。在代谢调控方面，微蛋白如人类素（humanin）和短人类素样肽（SHLPs）被发现能够改善胰岛素敏感性和葡萄糖代谢，从而在糖尿病和衰老相关疾病中发挥重要作用。在细胞运输方面，微蛋白如alt-RPL36和NEMEP被发现能够调控细胞膜运输蛋白的功能，从而影响细胞内外物质的交换。在基因表达调控方面，微蛋白如SEHBP和NBDY被发现能够调控mRNA的降解和稳定性，从而影响基因表达水平。在蛋白质稳态调控方面，微蛋白如pTINCR和ASDURF被发现能够影响蛋白质的合成和降解，从而维持细胞内的蛋白质平衡。

此外，微蛋白还与免疫和炎症反应密切相关。一些微蛋白如Aw112010和MAVI1被发现能够调控先天免疫和适应性免疫反应，从而影响机体对病原体的防御能力。在癌症研究中，微蛋白如MIAC、miPEP133和SMIM30被发现能够调控肿瘤的生长、迁移和侵袭能力，因此成为癌症治疗的潜在靶点。同时，一些微蛋白如N1DARP和SMIM26被发现能够通过调控细胞周期相关信号通路来影响肿瘤的进展。这些研究不仅揭示了微蛋白在疾病中的作用，还为开发新的治疗方法提供了理论依据。

尽管微蛋白的研究取得了显著进展，但仍有许多未解之谜。例如，微蛋白的数量和功能仍然存在争议，因为它们的表达和功能可能受到多种因素的影响，包括基因组结构、翻译调控机制以及环境因素等。此外，微蛋白的稳定性也是一个重要的问题，因为它们可能在细胞内短暂存在，或者在某些条件下被稳定表达。因此，未来的研究需要进一步探索微蛋白的表达模式、功能机制以及其在不同生理和病理条件下的作用。

总的来说，微蛋白的研究为理解基因组的复杂性和调控机制提供了新的视角，并且在疾病诊断和治疗方面具有重要的应用前景。随着技术的不断进步，如核糖体图谱、质谱分析和计算生物学方法的优化，科学家们能够更准确地识别和研究微蛋白的功能。未来的研究不仅需要进一步揭示微蛋白的生物学作用，还需要探索其在不同生物体中的表达和调控机制，以及其在疾病治疗中的潜在应用。这些研究将有助于我们更好地理解微蛋白在生命活动中的重要性，并为开发新的治疗方法提供科学依据。