古菌氧化应激翻译调控新机制：Haloferax volcanii核糖体占据型非编码小RNA的发现与功能解析

【编辑推荐】本研究通过RNA-seq和Ribo-seq技术揭示极端嗜盐古菌Haloferax volcanii在氧化应激下的全局翻译调控图谱，发现281个差异翻译效率（TE）基因及42个具有核糖体占据特征的小非编码RNA（sRNA），其中12个sRNA呈现典型编码基因足迹模式并鉴定出7个sRNA编码的小蛋白。该研究首次系统阐明古菌氧化应激中翻译调控与核糖体-sRNA互作的多层次调控网络，为原核-真核生物进化研究提供新视角。

　　

氧化应激下古菌的翻译调控全景图谱

ABSTRACT

氧化应激会引发广泛的细胞损伤，而极端嗜盐古菌Haloferax volcanii却展现出非凡的抗性。本研究结合RNA测序（RNA-seq）和核糖体图谱（Ribo-seq）技术，首次绘制了该古菌在氧化应激下的全局翻译景观。研究发现281个具有差异翻译效率（TE）的基因，其中下调基因显著富集于核糖体蛋白、翻译相关因子以及过氧化物酶和三羧酸（TCA）循环组分。更引人注目的是，42个小非编码RNA（sRNA）表现出核糖体占据特征，其中12个sRNA的核糖体足迹分布模式与典型编码基因相似，并通过质谱（MS）验证了7个sRNA编码的小蛋白。这些发现揭示了古菌氧化应激响应中翻译调控的复杂层级结构。

Hundreds of genes, including known oxidative stress-responsive genes, had differential ribosome occupancy during oxidative stress

实验采用2 mM过氧化氢处理1小时诱导氧化应激，通过四组生物学重复的RNA-seq和Ribo-seq数据分析发现：559个基因呈现差异转录表达，而差异核糖体占据基因达966个。关键氧化应激响应基因如超氧化物歧化酶（HVO_RS03960）、过氧化氢酶（HVO_RS13250）等在两组数据中均显著上调。值得注意的是，67%的差异核糖体占据基因未发生转录水平变化，暗示翻译层面的独立调控机制。

Translation efficiency revealed global downregulation of translation during oxidative stress

TE分析显示70.1%的差异TE基因在应激期间下调，其中核糖体蛋白（GO富集倍数4.41）和翻译相关蛋白（富集倍数3.39）显著受抑。STRING数据库预测互作网络显示，下调基因形成以核糖体蛋白和TCA循环成分为核心的功能簇。有趣的是，过氧化氢酶基因KatG虽转录上调却呈现TE下降，这与前期蛋白质组学数据中其蛋白水平未变化的现象吻合，提示翻译抑制可能作为快速调控蛋白质丰度的"分子刹车"。

Many small noncoding RNAs had ribosome occupancy

在检测到的56个sRNA中，42个（75%）显示核糖体占据。通过核糖体足迹长度分布聚类分析，12个sRNA呈现编码基因特征，其中sRNA_KL（编码含锌指结构域的57aa蛋白）和sRNA_93（116aa）经Western blot验证表达。质谱仅检测到30aa以上的小蛋白，而足迹分析显示sRNA_61和SHOxi虽有高核糖体占据却无蛋白产物，暗示其可能以非编码形式发挥作用。

Discovery of small proteins encoded by sRNA transcripts

通过3×FLAG标签系统验证，sRNA_KL和sRNA_93编码的蛋白可被特异性检测，而核糖体占据量更高的sRNA_61和SHOxi却无对应信号。进化分析显示sRNA_KL和sRNA_93在嗜盐古菌中高度保守，但未发现明确功能域。这种核糖体占据与蛋白表达的"解耦"现象，为理解原核生物sRNA的双重功能（编码与非编码）提供了新线索。

Ribosome-associated sRNAs may play regulatory roles during oxidative stress

17个应激响应sRNA中，sRNA_77和sRNA_83的靶标预测显示30%以上预测mRNA靶标呈现差异翻译。LocARNA分析揭示这些sRNA具有保守二级结构，如sRNA_83的茎环结构在Halobacteriaceae中高度保守。尽管敲除实验未显现表型变化，但它们的核糖体共定位特征与细菌中调控型sRNA（如E. coli的SgrS）相似，可能通过"分子海绵"机制影响翻译进程。

DISCUSSION

该研究揭示了古菌氧化应激中翻译机器的动态重编程：全局性翻译抑制与特定通路（如TCA循环）的精确调控并存。核糖体占据型sRNA的发现拓展了对原核生物非编码RNA功能的认知——它们可能作为翻译调控的"分子开关"（如SHOxi）、编码小蛋白的载体（如sRNA_KL）、或通过核糖体互作影响mRNA翻译效率。这些发现为理解生命三域共有的应激响应机制提供了古菌范式。

（注：全文严格依据原文实验数据归纳，未添加非文献支持内容；专业术语如Ribo-seq、TE等均按原文格式标注；上标下标如H₂O₂按规范呈现；去除了文献引用标识[1][2]等及图表索引）