Nature：解压缩mRNA可以让植物细胞对抗感染

　　从植物到人类，生物必须不断调整细胞内的蛋白质，以适应压力或不断变化的条件。现在，研究人员已经确定了一种以前未知的分子机制，可以帮助解释它们是如何做到的。杜克大学领导的研究小组在《自然》杂志上发表文章，揭示了mRNA的发夹状结构，通过拉上和解下，帮助细胞改变它们在压力下产生的蛋白质组合。

　　

从细菌到植物，再到人类，生物必须不断调整细胞内的蛋白质，以适应压力或不断变化的条件，比如当营养物质缺乏或受到病原体攻击时。

现在，研究人员已经确定了一种以前未知的分子机制，可以帮助解释它们是如何做到的。

杜克大学领导的研究小组在研究一种名为拟南芥的细长植物时，发现了折叠RNA的短片段，在正常情况下，这些RNA片段可以使防御蛋白的水平保持在较低水平，以避免伤害植物本身。但是当植物检测到病原体时，这些折叠的RNA结构被解开，使植物细胞能够制造防御蛋白来对抗感染。

发表在《自然》杂志上的文章中指出，这一发现不仅适用于植物。他们还发现，这些RNA结构对人类细胞中的蛋白质产生也有类似的影响。

“这是我们工具箱中的另一个工具”来控制蛋白质的产生，杜克大学生物学教授、该研究的资深作者Xinnian Dong说。

在人体每一个细胞浑浊的内部，数以百万计的蛋白质分子执行着生命的任务：它们相当于细胞中的砖块和横梁，提供结构和支撑。它们也是细胞的化学信使，发送和接收信号。它们也是防御者，用来对付外来入侵者。

为了制造蛋白质，细胞核内的DNA蓝图片段被转录成信使分子mRNA，这是制造蛋白质的指令。这些指令被传递到细胞的其他部分，在那里，被称为核糖体的解码装置将mRNA的信息翻译成氨基酸链，氨基酸链是蛋白质的基本组成部分。

正常情况下，核糖体会沿着mRNA分子扫描，直到找到一个特殊的三个字母的序列，上面写着“从这里开始制造蛋白质”。

但在这项新研究中，Dong和实验室的博士生Yezi Xiang发现，当拟南芥幼苗检测到潜在的病原体时，植物的核糖体绕过通常用于蛋白质合成的“开始”信号，开始向下游翻译mRNA，构建一条完全不同的氨基酸链，从而产生对抗感染所需的不同蛋白质。

Dong和她的团队想知道:细胞是如何从一个起始点切换到另一个起始点的?

为了更好地理解植物检测到入侵者时发生的这种快速细胞决策，研究人员转向了一种称为SHAPE-MaP的技术，该技术允许他们检测活细胞内mRNA折叠的变化。

在通常启动蛋白质合成的“绿光”附近，研究人员发现了mRNA的短片段，它们折叠起来形成双链“发夹”结构。

在正常情况下，这些发夹起着刹车的作用，阻止核糖体制造指令在下游的防御蛋白。

但是当拟南芥幼苗感觉到它们受到攻击时，一种叫做RNA解旋酶的特殊酶就会产生，这种酶会解开发夹，这样核糖体就可以穿过发夹，继续沿着mRNA分子扫描。

“随着这些停止标志的移除，核糖体不会停止在那里，而是进一步向下翻译防御蛋白”。

尽管研究小组在拟南芥植物中进行了大量的实验，但在从酵母到人类的其他生物中也发现了类似的RNA解旋酶和发夹结构，这表明这种重编程蛋白质合成的机制可能很普遍。

在后续实验中，研究人员利用机器学习设计了一种实验室制造的mRNA发夹，并将其添加到人类基因中。这种合成发夹也能改变人类细胞中蛋白质的产生。

该团队已经为这一发现申请了临时专利。

Dong说，这些发现可能会带来新的方法来设计作物，“不仅能抵抗病原体，还能抵抗热、冷和干旱等环境压力。”

在未来，也有可能设计出用于基因组编辑的mRNA发夹，以帮助对抗感染或治疗人类疾病。

“我们的目标是帮助细胞在正确的时间和正确的地点产生适量的蛋白质，这是朝着那个目标迈出的一步。”

本工作得到了美国国家科学基金(IOS-1645589和IOS-2041378)、霍华德休斯医学研究所、中国国家重点研究发展计划(2019YFA0110002)、中国自然科学基金(32125007和91940306)和美国国立卫生研究院(R35-GM122532)的资助。

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Pervasive Downstream RNA Hairpins Dynamically Dictate Start-Codon Selection