【3.2.3.1】翻译组-uORF-翻译效率

既然在说翻译组，我们应该一起回顾下翻译是如何发生的（见图1）。

图1 mRNA翻译过程

翻译（Translation）的过程大致可分为三个阶段：起始（Initiation）、延伸（Elongation）、终止（Termination）。翻译主要在细胞质内的核糖体（Ribosome）中进行，氨基酸分子在氨基酰-tRNA合成酶的催化作用下与特定的转运RNA（tRNA）结合并被带到核糖体上。在翻译过程中mRNA上的每个三联体密码子对应tRNA上的一个三联体反密码子，且这个反密码子只对应一个氨基酸，但是一个氨基酸可有多组密码子（密码子具有简并性）来表示。生成的多肽链（即氨基酸链）需要通过正确折叠形成蛋白质，许多蛋白质在翻译结束后还需要在内质网上进行翻译后修饰才能具有真正的生物学活性。

接着我们来讲在做翻译组研究时，首先需要知道的3个概念。它们将帮助大家更好地理解和使用翻译组产生的信息。

转录本丰度≠蛋白质丰度

在第一期中已经说到，转录组与蛋白质组数据相关性差主要是因为翻译并不是简单地把mRNA的信息照搬照抄，而是对这些信息进行了全局且精细地再编排（即翻译调控）。这种编排的直接结果是，转录本丰度≠蛋白质丰度（见图2）。由于翻译调控的作用，蛋白质比mRNA具有更长的半衰期，更高数量级的丰度。在图2的研究中，mRNA的平均细胞半衰期中位数是9 h，而蛋白质的高达46h； mRNA在细胞内平均拷贝数的中位数是17，而蛋白质的高达16,000[1]。

图2 蛋白质与mRNA具有不同的半衰期和分子数量

uORF

真核细胞的mRNA由5’端非翻译区（5’UnTranslated Region, 5’UTR）、编码蛋白的开放阅读框区（Open Reading Fragment, ORF）及3’端非翻译区（3’UnTranslated Region，3’UTR）构成。研究发现，5’UTR存在一些具有翻译能力的开放阅读框，称为上游开放阅读框（upstream Open Reading Fragment, uORF）(见图3)。与之对应，5’UTR之后的开放阅读框被称为主开放阅读框（primary Open Reading Fragment，pORF, 也称mORF）。根据uORF的翻译潜能性，又可分为Translated uORF和Untranslated uORF，Translated uORF通常能够抑制下游的pORF的翻译[2]。生物信息学分析表明，uORF在动植物中广泛存在，人、小鼠、拟南芥、水稻、玉米中超过30%的mRNA含有预测的uORF。采用Ribosome profiling(Ribo-Seq)可以对uORF进行全局分析，揭示它的调控作用。

图3 uORF抑制下游翻译

翻译效率

正如前面所提到的转录本丰度≠蛋白质丰度，翻译水平上对翻译效率（Translation Efficiency，TE）的调控是造成这个不等式的主要因素。TE代表样本中某个基因的总mRNA与核糖体结合并进行翻译的比例（见图4）。TE的计算公式为：TE＝Norm data in Ribo-seq / Norm data in RNA-seq。联合Ribo-seq和RNA-seq的数据，使用RiboDiff可以分析不同样本组间的TE差异[3]。与TE相关的有翻译起始速度，延伸速度，翻译暂停[4]，翻译终止效率等，后面有机会再说。

图4 翻译效率分析[5]

参考资料

• https://www.sohu.com/a/276631264_769248

1. Schwanhausser B, Busse D, Li N, et al. Global quantifcation of mammalian gene expression control. Nature, 2011, 473(7347): 337-342.

2. Anna M McGeachy, Nicholas T Ingolia. Starting too soon: upstream reading frames repress downstream translation. The EMBO Journal, 2016, 35(7): 699-700.

3. Zhong Y, Karaletsos T, Drewe P, et al. RiboDiff: detecting changes of mRNA translation efficiency from ribosome footprints. Bioinformatics, 2016, 33(1): 139-141.

4. Fredrick K, Ibba M. How the sequence of a gene can tune its translation. Cell, 2010, 141(2): 227-229.

5. Wang et al. N6-methyladenosine Modulates Messenger RNA Translation Efficiency . Cell, 2015, 161: 1388–1399