科学家开发出可预测的方法来下调植物中的基因翻译
中国科学院 (CAS) 遗传与发育生物学研究所的高彩霞课题组开发了一种通过精确设计上游开放阅读框 (uORF) 将植物基因翻译下调至可预测和所需水平的新方法。
该研究于 3 月 9 日在线发表在Nature Biotechnology上。
植物基因组编辑的开发和应用彻底改变了基于分子设计的作物育种。开发基于精确基因组变化的基因表达微调方法对于将新的和所需的性状培育成作物至关重要。广泛使用的基因编辑工具，如 CRISPR-Cas、CRISPR 干扰和 RNA 干扰，通常会完全阻止基因转录或将其降低到一个确定但不可预测的水平。
CRISPR-Cas9 驱动的启动子诱变提供了一种在转录水平上产生定量表型变化并产生广泛基因表达水平的方法。一种在翻译水平上可预测和递增地调节内源基因表达的方法将进一步扩展控制基因活性的方法。
2018 年，GAO 的团队领导开发了一种通过敲除内源性 uORF 来上调蛋白质表达的高效且可调的方法。2020年，他们将这项技术应用于草莓的遗传改良，培育出多种不同糖分含量的草莓新种质资源。
uORF 是真核生物中重要且普遍的顺式调控元件，被认为与减少的 mRNA 翻译有关。许多因素，例如 uORF 长度和 uORF 与初级开放阅读框 (pORF) 之间的距离，都会影响 uORF 的抑制活性。因此，研究人员提出了两种下调基因翻译的策略：在目标基因的5'非翻译区(5'UTR)引入从头uORFs和突变内源uORFs的终止密码子以扩展其编码序列并增强其抑制能力。
瞬时系统中的双荧光素酶和蛋白质印迹分析表明，新产生和扩展的 uORF 将 LUC/REN 活性比率下调至野生型水平的 9.5-86.9%，但对 LUC/REN mRNA 水平没有影响，从而证明了翻译控制。
研究人员利用碱基编辑器和初级编辑器等精准基因组编辑技术，获得了携带新的和扩展的uORFs的突变水稻植株。然后他们证实，这些工程化的 uORF 对表型和蛋白质表达水平的影响与在瞬时报告系统中观察到的相同。
为了逐步下调基因的翻译，研究人员结合上述方法，在OsTCP19、OsTB1和OsDLT的 5' UTR 生成了一系列具有不同抑制能力的 uORF 。瞬态系统显示这些 uORF 逐渐下调 pORF 的翻译至野生型水平的 2.5-84.9%。
此外，通过编辑水稻OsDLT的 5' UTR，它编码 DWARF AND LOW-TILLERING——参与油菜素类固醇 (BR) 转导途径的 GRAS 转录调节家族成员——他们获得了一系列具有不同 BR 的植物敏感性、株高和分蘖数与在瞬时原生质体测定中观察到的 OsDLT 水平相应降低相匹配。
通过对 uORF 进行工程改造，研究人员开发出一种有效且广泛适用的方法，可将植物中的基因翻译下调至可预测和所需的水平，这将大大改善未来的作物育种。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略先导计划和中国农业农村部的资助。
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