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    利用基因組編輯實現蛋白過量表達,中科院遺傳所開發出調控內源基因蛋白質翻譯效率的新方法

    2018-08-10 12:37 | 作者: 遺傳所 | 標簽: 基因編輯

    基因組編輯是在基因組水平對基因進行精確、定向修飾的一種高效的生物技術方法。簡單、高效的CRISPR/Cas9編輯體系的出現給生命科學帶來了新的技術革命。CRISPR/Cas9通常在基因組靶向位點造成DNA堿基的添加或刪除,從而導致基因功能的缺失。近日,中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組在Nature Biotechnology在線發表了題為“Genome Editing of Upstream Open Reading Frames Enables Translational Control in Plants”的研究論文,該研究建立了一個通過CRISPR/Cas9高效調控內源mRNA翻譯的方法。該方法通過提高蛋白質翻譯效率,增加目標基因的編碼蛋白水平。





    蛋白編碼基因的表達產物一般受到轉錄、轉錄后RNA加工、蛋白質翻譯及翻譯后加工、蛋白降解等多個水平的調控。真核細胞的mRNA由5’非翻譯區(5’ Untranslated Region, 5’UTR)、編碼蛋白的開放閱讀框區(Open Reading Fragment)及3’端非翻譯區(3’ Untranslated Region, 3’UTR)構成。研究發現5’UTR存在一些具有翻譯能力的開放閱讀框,稱為上游開放閱讀框(Upstream Open Reading Fragment, uORF)。與之對應,5’UTR之后的開放閱讀框被稱為主開放閱讀框(Primary Open Reading Fragment, pORF)。uORF通常能夠抑制下游的pORF的翻譯。生物信息學分析表明uORF在動植物中廣泛存在,人、小鼠、擬南芥、水稻、玉米中超過30%的mRNA含有預測的uORF,但是對uORF的功能研究與遺傳操作還缺乏高效和精細的方法。

    高彩霞研究組利用CRISPR/Cas9對uORF進行編輯,發現能夠顯著提高目標基因的翻譯效率。通過CRISPR/Cas9編輯擬南芥和生菜中的4個基因的uORF翻譯起始區及周邊序列,獲得了多個相應基因的uorf突變體。這些uorf突變體目標基因的pORF的mRNA翻譯水平都有不同程度的提高。其中,通過突變維生素C合成途徑中關鍵基因GGP(GDP-L-galactose phosphorylase)上游的uORF,可以使生菜葉片中維生素C含量提高約150%。利用CRISPR/Cas9編輯uORF翻譯起始區會出現兩種結果:1)完全破壞uORF的翻譯起始能力導致uORF功能缺失;2)改變uORF的翻譯起始密碼子(例如ATG突變為翻譯起始能力較弱的GTG)及其周邊序列,使uORF對pORF的抑制效率發生微調。



    圖:CRISPR編輯uORF調控蛋白質翻譯水平

    該研究展示了通過基因組編輯uORF操縱mRNA翻譯而調控蛋白質水平在植物分子生物學研究及遺傳育種中的應用前景。此外,該方法可能隨著新型基因組編輯工具不斷出現及方法的進一步優化而變得覆蓋率更廣且更加容易。由于uORF在動植物基因中都普遍存在,相信該方法在未來將有更加廣泛的應用。

    高彩霞研究組副研究員張華偉博士、博士生司小敏、姬祥為該論文的共同第一作者。該研究得到科技部、基金委基礎科學中心以及中科院的資助。

    來源:BioArt植物

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