病毒翻译调控新范式：核糖体从被动解码装置向主动调控中枢的功能转型

《Journal of Virology》：Viral control of translation: rise of the ribosome

　　

病毒已演化出多种策略来操纵宿主的蛋白质合成机器，相关研究揭示了翻译调控的诸多基本原理。数十年的研究使研究人员对病原体如何靶向翻译因子（这些因子负责招募核糖体并调控扫描、起始位点选择、解码和终止）有了广泛而深入的认识。与此同时，核糖体本身在很大程度上被视为缺乏调控影响力的密码子阅读机器。近年来，冷冻电镜（cryo-EM）和定量蛋白质组学的进展颠覆了这一观点，揭示了哺乳动物细胞中核糖体显著的构象和组成可塑性，由此产生了功能多样且具有翻译选择性的核糖体群体。本文中，研究人员探讨了病毒如何再次站在这一新兴领域的前沿——病毒常常绕过或重塑宿主翻译因子，同时直接控制核糖体的组成和内在运动，以选择性地促进其非经典翻译模式。研究人员对核糖体蛋白的核糖体外功能提出了审慎的观点，同时强调了40S头部结构域正成为一个动态调控平台，该平台被靶向以控制从起始到移码等多种翻译过程，从而拓展病毒的编码能力。总之，研究人员描绘了核糖体从被动参与者上升为病毒翻译调控策略核心中主动调控枢纽的历程。

引言

病毒基因组的大小和组织形式差异巨大，这进而塑造了其多样化的转录本类型和翻译策略。最大的病毒基因组属于核质大DNA病毒（NCLDV），包括感染变形虫的巨型潘多拉病毒和感染人类的痘病毒科。NCLDV基因组可达数个兆碱基，编码数百甚至数千种蛋白质，其中许多病毒具备足够的自主性，可在细胞质中利用自身DNA复制和转录机器完成复制。其他大DNA病毒如疱疹病毒科（基因组数百千碱基）和中型病毒如腺病毒科需要进入细胞核以获取支持基因组复制和转录的宿主因子。这些双链DNA病毒大多编码独立的开放阅读框（ORF），类似于其寄生的生物体。进入RNA病毒领域后，逆转录病毒（包括人类免疫缺陷病毒HIV）具有正链单链RNA基因组，可逆转录为双链DNA，随后整合入宿主基因组、转录并剪接为复杂的mRNA种类。多数正链单链RNA病毒不转化为DNA形式，而是作为复杂转录和翻译事件的模板，许多是多顺反子的，即一个转录本含多个ORF。此外，其他RNA病毒基因组是分节段的，如流感病毒，这使其能够通过基因重配迅速产生新的季节性毒株。除流感等少数例外，大多数RNA病毒不需要进入细胞核，完全在细胞质中复制。

尽管基因组差异显著，所有病毒在复制周期中都有一个细胞质阶段，原因之一是尚无已知病毒编码核糖体——宿主细胞用于将mRNA翻译为蛋白质的巨大机器样复合物。经典mRNA翻译模式经历三个主要阶段：起始、延伸和终止。起始涉及约30种真核起始因子（eIF），它们组装成具有专门功能的不同复合物，其中eIF4F识别mRNA 5′端7-甲基鸟苷（m⁷G）帽结构并在核糖体招募和扫描过程中解开二级结构；40S小亚基组装成43S起始前复合物（PIC），包含eIF2（递送甲硫氨酸起始tRNA）和eIF3（13亚基复合物，结合mRNA并与eIF4F相互作用将PIC加载到转录本上）。形成的48S复合物扫描5′非翻译区（5′ UTR）以识别起始密码子（通常为AUG），随后60S大亚基加入形成具有翻译能力的80S核糖体。大多数eIF在80S进入延伸阶段时解离，延伸过程中eEF1A递送氨酰-tRNA，eEF2驱动tRNA移位。终止阶段，真核释放因子（eRF）协助识别终止密码子并分离核糖体、mRNA和新生成蛋白质。

翻译是细胞中代谢需求最高的过程，同时允许蛋白质组快速重塑以响应环境信号。翻译活性因此受到多种有丝分裂、代谢和应激信号通路的严格调控，其中数条汇聚于雷帕霉素机制性靶标激酶（mTOR）。mTOR影响翻译应答的主要方式之一是刺激eIF4F复合物的形成。大型双链DNA病毒通常产生加帽mRNA并激活宿主帽依赖性翻译因子，包括mTOR、eIF4F和替代性eIF3d驱动通路。许多RNA病毒则破坏mTOR和eIF4F活性，包括通过蛋白水解切割eIF4F亚基来抑制抗病毒应答并减少对核糖体的竞争，而病毒翻译则由后文讨论的mRNA结构维持，这些结构绕过了对失活宿主因子的依赖。最有效的细胞应激和抗病毒应答之一围绕eIF2α的磷酸化和失活，这几乎被所有病毒和宿主mRNA普遍用于起始密码子识别，虽然这种翻译的强力关闭常诱导细胞死亡，但能非常有效地遏制感染传播。

在分子生物学现代史的大部分时间里，宿主细胞或病毒的翻译调控一直通过eIF的视角来构建框架，而核糖体被视为被动的密码子阅读机器。然而，随着高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）的进展和核糖体群体的定量分析，真核核糖体同样占据着丰富的构象和组成状态——这些状态与翻译决策紧密耦合——这一观点近年来已被彻底转变。核糖体日益被视为一个主动调控枢纽，其内在运动、亚基差异、化学修饰和碰撞触发的信号界面塑造着翻译输出，而在病毒感染过程中这一点表现得尤为突出。

核糖体的结构与组成动力学

成熟的哺乳动物核糖体由约80种核糖体亚基蛋白（RP）和四种核糖体RNA（rRNA）交织构成40S和60S亚基。冷冻电镜和蛋白质组学的应用为核糖体的构象、组成和功能可塑性提供了前所未有的见解。40S亚基包含解码中心并形成主要的mRNA–tRNA相互作用平台，而60S亚基容纳肽基转移酶中心（PTC）和新生成多肽出口通道。40S亚基内部，"体部"为mRNA结合和因子参与提供稳定支架，"头部"则经历构象重排。翻译过程中核糖体最基础的运动是亚基间旋转，即40S相对于60S旋转，tRNA通过杂合结合状态移动。叠加在亚基间旋转之上的是40S头部摆动——头部相对于40S体部通过柔性连接铰链旋转，重塑mRNA通道和tRNA结合口袋。这种结构分区也将40S头部定位为构象调控的"手柄"，头部摆动可调节扫描、解码、移位以及程序性重编码事件如移码。此外，核糖体伸长段（包括柔性rRNA扩展段ES和P-柄）招募翻译调控因子并在应激时使核糖体失活。

核糖体在组成上亦可变化，从而产生了功能多样化和"核糖体特化"的概念，即不同类型的核糖体翻译不同的mRNA种类。结构异质性可通过多种方式产生，包括RP的差异整合、rRNA修饰的变异以及磷酸化或泛素化等翻译后修饰（PTM）。异质性还可通过不同旁系同源物的整合或特定RP的缺失产生——例如RPL38的细胞类型特异性表达决定了HOX mRNA在细胞骨架模式形成中的差异翻译。许多RP具有核糖体外功能的广泛报道需要谨慎解读，因为许多细胞系丧失了正常细胞用以快速降解核糖体外RP的调控机制。

病毒对翻译起始的调控

起始可被视为一个构象门控过程，其中eIF稳定核糖体沿mRNA招募到起始密码子选择通路的特定状态。在扫描过程中，43S PIC采用"开放"构型——mRNA进入通道变宽，18S rRNA螺旋h18和h34之间的门闩松弛，从而便于mRNA容纳和定向运动。起始密码子的识别伴随着向"关闭"状态的复杂多因子驱动转变，使核糖体承诺进入起始。

内部核糖体进入位点（IRES）是病毒通过核糖体控制起始的最具特征的RNA元件。IRES构成一个广泛家族，基于翻译因子依赖性大致分为四类。结构和机制上最具解析深度的例子包括丙型肝炎病毒（HCV）III型IRES和双顺反子病毒科独特的III-IV型IRES。HCV IRES展示了结构化RNA如何与43S PIC结合以绕过经典帽依赖性起始——IRES停靠在40S亚基溶剂暴露面，其结构域II延伸至E位区域并在解码中心诱导重排，同时顶端区域以非经典构型招募并重定位eIF3，使核糖体构象平衡偏向扩展的40S头部摆动状态。双顺反子病毒科成员（以蟋蟀麻痹病毒CrPV为代表）的基因间区（IGR）IRES在没有任何经典起始因子的情况下直接起始翻译：IGR IRES直接结合80S核糖体，使用反密码子茎环在解码中心内模拟tRNA相互作用（最初在A位），通过eEF2介导的假移位至P位释放A位，从非AUG密码子起始翻译。该IRES还利用核糖体内在运动（包括头部摆动和亚基间旋转）过渡到延伸阶段。

其他RNA元件中，甲病毒mRNA上位于ORF内而非5′ UTR的下游茎环（DSL）与40S溶剂面的18S rRNA扩展段ES6_S相互作用，捕获正在扫描的PIC并将上游起始AUG直接置于P位。腺病毒晚期mRNA采用一种不寻常的分流机制绕过扫描，由病毒mRNA中与18S rRNA互补的200 nt三联前导序列驱动。冠状病毒SARS-CoV-2的非结构蛋白Nsp1的C端结构域直接插入40S亚基的mRNA进入通道，靠近40S门闩并空间阻断mRNA进入，将核糖体捕获在翻译惰性构象集合中；病毒mRNA则通过其5′前导序列中的保守SL1发夹结构逃避抑制。

DNA病毒更常通过病毒编码蛋白的活性改变核糖体组成。原型正痘病毒牛痘病毒（VacV）编码的B1激酶磷酸化RACK1——位于40S头部溶剂暴露面的支架蛋白。冷冻电镜揭示，模拟病毒修饰的RACK1磷酸化增加了40S头部摆动范围，足以增强带有polyA序列的报道基因翻译。在感染背景下，VacV特异性增加eIF3-containing PIC中40S头部构象的范围，而非游离40S颗粒中的范围。机制上，RACK1磷酸化增加针对18S rRNA的局部静电力。就进化而言，痘病毒可能起源于其核糖体能够容纳polyA序列的生物体，在跃迁至动物界后，现存痘病毒演化出一种激酶，通过精确控制的RACK1磷酸化将哺乳动物核糖体转变为更类似原生生物的状态。此外，单负链病毒目成员（包括狂犬病毒、麻疹病毒和水泡性口炎病毒VSV）利用帽依赖性翻译并需要RPL40——在应激条件下，RPL40的第二拷贝被招募到40S头部喙部区域，靠近mRNA进入通道，以增强病毒或应激相关mRNA的翻译。

延伸与再起始

在延伸过程中，许多RNA和DNA病毒使用稀有密码子，这需要对外源质粒表达进行重新优化；但在感染背景下，这可能是故意的，以使翻译速率与共翻译蛋白质折叠相协调——近期研究表明许多病毒通过其5′ UTR和避免mRNA环化来规避密码子偏倚的负面影响。病毒还必须应对核糖体停滞和碰撞，以及受调控的终止。核糖体在结构化RNA、受损模板、稀有密码子或抑制性新生肽序列上停滞，构成核糖体质量控制（RQC）通路的基础。停滞核糖体的碰撞在相邻40S亚基间形成具有特定界面的结构状态——核心是RACK1蛋白——被E3连接酶ZNF598识别后导致RPS10和RPS20泛素化，触发RQC以解决停滞核糖体并降解问题转录本和新生肽。当碰撞持续或广泛发生时，激活ZAKα和更广泛的核糖体毒性应激反应（RSR）。

移码涉及核糖体以-1或+1方向滑动以产生新编码环境和延长融合蛋白。HIV-1使用滑溜的-1移码序列和相邻假结来控制同一mRNA中Gag和Gag-Pol融合蛋白的表达比率——假结与A位结合阻碍延伸并刺激上游富含U序列上的移码。冠状病毒使用类似的移码策略，其假结在捕获和重编程核糖体时广泛重塑核糖体，包括mRNA进入通道处的相互作用、40S头部运动改变以及RACK1定位变化。口蹄疫病毒使用"Stop-Go"事件——新生肽中编码的(D/G/C/N)(V/I)ExNPGP氨基酸基序与出口通道相互作用，重新配置PTC以诱导第一蛋白的水解释放，同时继续翻译ORF以产生第二蛋白。

疱疹病毒编码病毒去泛素化酶（vDUB），抵消RPS3、RPS10和RPS20的泛素化，阻止停滞核糖体的解决，导致应激反应和最终的通读事件，促进上游ORF和IRES元件的翻译。相比之下，痘病毒仅编码vDUB的无活性残余片段，依赖ZNF598实现高效翻译。痘病毒限制因子SAMD9作为一种反密码子核酸酶（ACnase）切割苯丙氨酸tRNA（tRNA^Phe），在痘病毒感染时被激活，引起密码子特异性核糖体停滞和应激信号——痘病毒可能从ZNF598介导的碰撞解决中获益以最大化活性核糖体池。

结论

冷冻电镜、基因组学和蛋白质组学的技术进步使研究人员对核糖体异质性和构象动力学作为病毒翻译调控直接靶标的认识发生了显著转变。特别是40S亚基溶剂面正成为一个关键调控平台，通过重塑mRNA通道来控制翻译过程的几乎每一步。从机制角度看，某些IRES、tRNA模拟策略和移码元件已被证明可直接控制核糖体动力学；某些PTM如痘病毒对RACK1的磷酸化也已被证明可改变核糖体结构和功能。然而，仅观察到结构改变并不构成对核糖体控制的证据，在缺乏互补功能证据时应谨慎解读。理解这些高度特异性翻译模式的结构基础也为开发新型抗病毒药物提供了机遇——例如靶向HIV-1和SARS-CoV-2等大流行病毒的IRES介导起始或移码。鉴于疱疹病毒vDUB影响广泛过程，其对RQC和RP稳态的具体贡献仍有待完全阐明。细胞类型特异性RP表达是否也是细胞嗜性的决定因素——类似于组织特异性RPL38表达在发育中影响HOX mRNA翻译和细胞骨架模式形成——是一个值得探索的方向。显然，关于核糖体异质性如何被调控并影响感染结局的理解仍处于令人兴奋的早期阶段。