利用大规模翻译组测定系统注释植物功能基因组并发现基因对翻译水平的调控作用

2021年3月23日华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室李林课题组在Plant Communications期刊发表题为“Large-scale translatome profiling annotates functional genome and reveals the key role of genic 3ʹ untranslated regions in translatomic variation in plants” 的研究论文。利用3’Ribo-seq 和经典Ribo-seq技术测定三种模式植物多个组织的翻译组，对它们基因组进行了系统地翻译组注释，并基于3’Ribo-seq利用翻译组表达水平的全基因组关联分析解析了翻译水平群体遗传变异的分子机制。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2021.100181

根据中心法则，基因经转录产生mRNA，mRNA翻译产生肽链，经一系列空间折叠，最终将遗传信息贮存至蛋白中并行使机体功能。因此，遗传信息的传递需要经过基因组、转录组、翻译组，然后到达蛋白组。随着翻译组测定技术的兴起与发展，越来越多生物的翻译水平不断得到解析。相较于转录组，翻译组作为蛋白产生的上游来源，与蛋白的表达更加密切。相较于蛋白质谱，翻译组测定技术通量更高，可以满足生物体内大量基因编码序列的测定。同时，编码序列的测定也为基因组功能的精确注释提供了契机。但是，由于技术水平的限制，导致测定成本较高，阻滞了翻译组学的进一步发展，尤其是翻译水平群体遗传变异的一些机制难以被解析。

图1. 3’Ribo-seq是一种低成本高精度测定翻译组水平的工具。

该研究结合传统翻译组分离技术与RNA 3’ 端测序技术，引入barcode标记不同样品，Unique Molecular Identifier (UMI) 去除PCR重复，发展出了低成本、低劳动密度且高准确性的翻译组测定技术——3’Ribo-seq（图1）。结合3’Ribo-seq与经典的Ribo-seq技术，成功测定了拟南芥、水稻及玉米多组织的翻译组图谱，并基于此对三个物种进行了基因组的重新注释。结果在拟南芥、水稻及玉米中分别鉴定到了896、4602及2572个新的翻译本，其中一些位于基因间区（拟南芥22个，水稻1385个，玉米775个），可能是潜在的新的翻译位点；同时，一些长非编码RNA也被发现可能进行翻译。部分位点通过基于Polysome Profiling分离RNA的RT-PCR及质谱搜库进行了检测与验证。进一步，该研究基于3’Ribo-seq技术对玉米159个自交系进行了群体翻译组的测定与翻译水平的全基因组关联分析，共鉴定到1777个eQTLs，其中顺式eQTL变异位点多分布于基因的3’UTR区，而进一步的分析发现3’UTR区polyA_signal 附近碱基的变化与基因翻译水平显著关联，因此可能是重要的基因翻译变化调控位点。

综上，该研究开发出了一种低成本分离测定翻译组的技术，并结合经典Ribo-seq技术，绘制了三个经典模式植物的多组织翻译图谱，基于此对它们的基因组注释做了进一步的完善。同时，利用3’Ribo-seq技术成功解析了翻译水平群体遗传变异的机制，发现3’UTR在基因翻译过程中扮演重要角色。

华中农业大学博士生朱万超与徐静为论文的共同第一作者，中国农业大学的赖锦盛教授与陈建博士以及诺禾致远公司张翠杰也参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、重大研究计划集成项目、优秀青年基金项目、十三五七大作物重点研发计划、作物遗传改良国家重点实验室竞争性课题项目、华中农业大学科技自主创新基金等项目的资助。