翻譯組學(xué)簡介

轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)能夠評估蛋白質(zhì)的表達(dá)水平，然而，越來越多的研究結(jié)果表明，mRNA的豐度和蛋白質(zhì)的豐度存在較大差異。這主要是由于在翻譯過程中存在復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。蛋白質(zhì)可以通過質(zhì)譜技術(shù)直接量化蛋白質(zhì)的豐度，但無法檢測出mRNA的翻譯效率和蛋白質(zhì)的合成速率。因此，迫切需要一種創(chuàng)新性技術(shù)，成為轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的重要橋梁和樞紐。因此，翻譯組學(xué)恰逢其時地應(yīng)運(yùn)而生。

在核糖體上以mRNA為模板進(jìn)行翻譯的示意圖

翻譯組學(xué)(Translatomics)是一種對核糖體結(jié)合的RNA進(jìn)行捕獲和測序的技術(shù)，通過對正在翻譯的RNA分子進(jìn)行測序和分析，可以精確地量化從基因到蛋白的轉(zhuǎn)錄和翻譯效率，并比較不同處理下，蛋白質(zhì)的翻譯調(diào)控機(jī)制。翻譯水平的調(diào)節(jié)是蛋白質(zhì)豐度的關(guān)鍵決定因素，而蛋白質(zhì)豐度又進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞狀態(tài)。對于蛋白質(zhì)來說，翻譯水平的調(diào)控程度超過了轉(zhuǎn)錄調(diào)控、mRNA代謝和蛋白質(zhì)代謝調(diào)控過程的總和。翻譯調(diào)控是細(xì)胞內(nèi)一種重要的調(diào)控機(jī)制，它能夠在轉(zhuǎn)錄后水平對蛋白質(zhì)的合成進(jìn)行精確控制，而且在生物體的生長、發(fā)育、代謝等多種生物學(xué)過程都發(fā)揮非常重要的作用。從基因組到轉(zhuǎn)錄組的調(diào)控研究成果有很多，相比之下，缺乏從轉(zhuǎn)錄組到蛋白質(zhì)組的調(diào)控研究成果，而翻譯組作為轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組之間的橋梁，彌補(bǔ)了這一短板。隨著翻譯組學(xué)技術(shù)的運(yùn)用，我們能夠更加全面并且準(zhǔn)確地獲得翻譯過程中的各種信息，包括翻譯效率、翻譯起始、翻譯終止等，這也為我們發(fā)現(xiàn)新的翻譯調(diào)控機(jī)制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

翻譯組學(xué)研究技術(shù)

目前，翻譯組學(xué)的研究方法有：多聚核糖體圖譜(polysome profiling)、翻譯核糖體親和純化測序(TRAP-seq或RiboTag-seq)、核糖體印跡測序(Ribo-seq)、核糖體-新生肽鏈復(fù)合物測序(RNC-seq)和單細(xì)胞核糖體印跡測序(scRibo-seq)。

翻譯組研究技術(shù)概括

l Polysome profiling：通過蔗糖梯度超速離心分離free mRNA、40S和60S核糖體亞基、單核糖體和多聚核糖體，收集含有多聚核糖體的部分用于RNA或蛋白質(zhì)分析。

優(yōu)點：可以檢測核糖體密度分布；對胞質(zhì)RNA做分級。

缺點：需要特定的設(shè)備；需要投入的樣品量較多；操作復(fù)雜耗時長；可能存在假多聚體和脂質(zhì)顆粒的污染；不能提供核糖體的位置信息。

l  TRAP-seq：通過轉(zhuǎn)基因手段給感興趣的核糖體帶上親和純化標(biāo)簽，并使用組織特異性啟動子控制該標(biāo)簽的表達(dá)。帶標(biāo)簽的核糖體以及與之結(jié)合、正在翻譯的mRNA可以被特定的抗體捕獲，去除rRNA后，可進(jìn)一步開展RNA-seq或Microarray檢測。

優(yōu)點：檢測具有細(xì)胞特異性。

缺點：難點在于構(gòu)建轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或動物模型；親和標(biāo)簽可能干擾核糖體功能；不能提供核糖體的位置信息。

l  Ribo-seq：細(xì)胞裂解后，用RNase將不受核糖體保護(hù)的RNA區(qū)域切割和消化，并在去除rRNA后，對核糖體保護(hù)片段（RPF）進(jìn)行深度測序生成核糖體譜，可以提供核糖體在翻譯mRNA上的位置及定量信息。

優(yōu)點：能夠檢測核糖體密度分布；明確核糖體位置信息；發(fā)現(xiàn)新的非典型ORFs；破譯翻譯調(diào)控機(jī)制。

缺點：需要特定的設(shè)備；需要投入的樣品量較多；操作復(fù)雜耗時長；可能存在假RPFs的污染；冗余的生物信息。

l  RNC-seq：與Polysome profiling不同，RNC-seq采用30%蔗糖緩沖液，通過超速離心分離核糖體相關(guān)的翻譯mRNA，收集沉淀中的RNC-mRNA，回收的RNC-mRNA可以保存全長信息。

優(yōu)點：回收率更高；沒有蔗糖污染；獲得全長mRNA。

缺點：RNC脆弱易斷；不同核糖體數(shù)目的RNC混合分析；不能提供核糖體的位置信息。

l  scRibo-seq：將單細(xì)胞用含有CHX的裂解液進(jìn)行裂解，并用微球菌核酸酶（MNase）酶切釋放RPF，之后構(gòu)建文庫，選擇具有典型RPF長度的片段進(jìn)行深度測序。

優(yōu)點：單細(xì)胞的翻譯檢測；無需標(biāo)記及轉(zhuǎn)基因材料；適用于稀有的原代樣品。

缺點：相對較低的靈敏度和準(zhǔn)確度；丟失了空間和時間信息；生物或技術(shù)噪音。

總之，這些翻譯組學(xué)研究技術(shù)各有優(yōu)勢，研究者可以根據(jù)具體的研究目的和實驗條件選擇合適的技術(shù)。如果需要直接測定翻譯效率、鑒定翻譯起始位點、鑒定uORF以及新型的microProtein，Ribo-seq是更好的選擇；如果需要了解翻譯效率的直觀圖譜，Polysome profiling更合適；如果需要獲得特定細(xì)胞或組織的翻譯信息，TRAP-seq更合適；如果需要了解核糖體的組成和活性，RNC-seq更有用。

Ribo-seq技術(shù)應(yīng)用思路

基于翻譯組學(xué)技術(shù)，科學(xué)家們在翻譯調(diào)控研究方面已經(jīng)取得了一系列重要成果。我們以Ribo-seq為例，簡要總結(jié)了翻譯組學(xué)的研究思路。

（1）研究基礎(chǔ)：確定研究目的，制備樣品，開展Ribo-seq測序。

（2）研究進(jìn)階：個性化數(shù)據(jù)分析，必要的實驗驗證和功能研究。

（3）研究升華：多組學(xué)聯(lián)合分析，充分的實驗驗證，發(fā)現(xiàn)新的調(diào)控機(jī)制，具備潛在應(yīng)用價值。

Ribo-seq技術(shù)應(yīng)用方向

Ribo-seq是一種針對細(xì)胞中核糖體以及核糖體保護(hù)的mRNA片段的研究技術(shù)，能在全基因組范圍內(nèi)、高分辨率的定量分析正在翻譯的mRNA。該方法已在許多動物、植物和微生物研究中被應(yīng)用，并且揭示了有關(guān)翻譯過程的許多調(diào)控機(jī)制。

在癌癥研究中，通過翻譯組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)癌癥細(xì)胞中異常激活的翻譯調(diào)控途徑，為癌癥治療提供新靶點。例如，研究發(fā)現(xiàn)某些癌癥細(xì)胞中eIF4E的表達(dá)水平升高，通過抑制eIF4E活性可抑制腫瘤生長。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究方面，研究了阿爾茨海默病、帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的翻譯調(diào)控異常，為疾病診斷和治療提供線索。例如，研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者大腦中某些mRNA的翻譯效率降低，可能與疾病發(fā)病機(jī)制相關(guān)。在自身免疫性疾病研究中，分析免疫細(xì)胞在炎癥、感染等過程中的翻譯調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示免疫應(yīng)答的分子機(jī)制。例如，研究發(fā)現(xiàn)某些炎癥因子可通過調(diào)控翻譯起始過程影響免疫細(xì)胞的功能。在代謝性疾病方面，翻譯調(diào)控在胰島素信號通路和葡萄糖代謝中發(fā)揮作用，與肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生有關(guān)。在心血管疾病方面，翻譯調(diào)控影響心臟細(xì)胞的生長和功能，可能與心力衰竭等心血管疾病相關(guān)。許多遺傳性疾病，如囊性纖維化、杜氏肌營養(yǎng)不良和某些類型的遺傳性心臟病，都涉及翻譯調(diào)控的異常。在生長發(fā)育生物學(xué)方面，研究胚胎發(fā)育過程中的翻譯調(diào)控，揭示細(xì)胞分化和器官形成的分子機(jī)制。例如，研究發(fā)現(xiàn)某些mRNA在胚胎發(fā)育過程中的翻譯調(diào)控對細(xì)胞命運(yùn)決定具有關(guān)鍵作用。在藥物研發(fā)方面，基于翻譯組學(xué)發(fā)現(xiàn)的藥物靶點，設(shè)計新型藥物，為疾病治療提供新策略。例如，針對翻譯起始因子eIF2B的抑制劑可用于治療某些遺傳性疾病。在感染性疾病研究方面，病原體（如：病毒和細(xì)菌）可能通過操縱宿主細(xì)胞的翻譯機(jī)制來促進(jìn)自身的復(fù)制和存活。

總之，翻譯組學(xué)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的具有重要的地位和應(yīng)用意義，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，Ribo-seq的應(yīng)用將會更加廣泛。

Ribo-seq文章案例

案例一：癌癥研究

文章標(biāo)題：Modulated expression of specific tRNAs drives gene expression and cancer progression.

研究內(nèi)容：使用Ribo-seq與tRNA測序技術(shù)研究tRNA在乳腺癌轉(zhuǎn)移中的作用，發(fā)現(xiàn)tRNA ArgCCG和tRNA ArgUUC作為乳腺癌轉(zhuǎn)移的促進(jìn)因子，通過直接增強(qiáng)EXOSC2的表達(dá)和增強(qiáng)GRIPAP1的翻譯來促進(jìn)乳腺癌轉(zhuǎn)移。

案例二：神經(jīng)系統(tǒng)疾病

文章標(biāo)題：Defects in mRNA translation in LRRK2-Mutant hiPSC-Derived dopaminergic neurons leads to dysregulated calcium homeostasis.

研究內(nèi)容：該研究以帕金森病(PD)患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)分化成的多巴胺能神經(jīng)元為實驗材料，通過Ribo-seq分析，發(fā)現(xiàn)LRRK2基因G2019S位點突變會導(dǎo)致mRNA翻譯失調(diào)，進(jìn)而影響鈣穩(wěn)態(tài)，并可能導(dǎo)致了帕金森病中多巴胺能神經(jīng)毒性。

案例三：心血管疾病

文章標(biāo)題：The translational landscape of the human heart.

研究內(nèi)容：使用Ribo-seq技術(shù)研究擴(kuò)張性心肌病(DCM)心肌組織的翻譯組，鑒定出169個lncRNA和40個circRNA編碼的新的微蛋白(microprotein)。

案例四：生長發(fā)育

文章標(biāo)題：Developmental dynamics of RNA translation in the human brain.

研究內(nèi)容：使用Ribo-seq繪制人類大腦的全面的翻譯圖譜，揭示了基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點，識別了數(shù)千個未知的翻譯事件，包括編碼人類大腦特異性微蛋白的小開放閱讀框(sORF)。該研究對于理解人類大腦的特征和腦相關(guān)疾病具有重要意義。

案例五：植物逆境脅迫

文章標(biāo)題：Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection.

研究內(nèi)容：使用Ribo-seq、SHARP-MaP揭示了植物免疫過程中，mRNA的結(jié)構(gòu)變化動態(tài)調(diào)節(jié)了翻譯起始密碼子的選擇。促進(jìn)抗病相關(guān)的mRNA翻譯效率提高，增強(qiáng)了植物的抗病性。

案例六：病毒感染

文章標(biāo)題：Dissecting infectious bronchitis virus-induced host shutoff at the translation level.

研究內(nèi)容：使用Ribo-seq繪制了傳染性支氣管炎病毒(IBV)感染細(xì)胞的翻譯景觀，并證明了IBV誘導(dǎo)宿主基因關(guān)閉以促進(jìn)其復(fù)制的新策略。

以上這些案例，展示了Ribo-seq在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用，從不同角度揭示了翻譯調(diào)控在正常生理及疾病過程中的重要作用，也為人們深入洞察生命科學(xué)的復(fù)雜機(jī)制和信號通路提供了技術(shù)支持。

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