病毒RNA如何绕过宿主的蛋白质合成控制机制

问题：密码子是信使RNA（mRNA）中由三个核苷酸组成的序列，能被转运RNA（tRNA）识别。在蛋白质翻译过程中，每个tRNA会将氨基酸添加到正在生长的肽链上。密码子使用偏好是指生物优先使用某些“同义”密码子（即编码相同氨基酸的密码子），这是所有生物的基本特征。密码子使用通过多种机制影响基因表达。大多数人类病毒的mRNA含有大量“非最优”同义密码子，其对应的tRNA在人类细胞中相对稀缺。按理说，这种较差的密码子使用会降低病毒蛋白的产生。此前研究提出了两种相互竞争的假说：病毒密码子使用是适应宿主的，或者相反，这种较差的适应使病毒与宿主能够共存。然而矛盾的是，受感染宿主细胞中的病毒蛋白表达效率却可能很高。了解病毒如何克服宿主密码子使用限制，对于理解病毒RNA翻译和优化RNA疫苗设计至关重要。

发现：研究人员比较了含有最优或非最优密码子编码序列的病毒和细胞mRNA的翻译输出。他们首先将病毒编码序列表达为类人转录本——要么来自DNA分子，要么是具有人类mRNA两个特征的mRNA：5'端的分子“帽子”和3'端的多聚腺苷酸“尾巴”。然后，他们检查了称为复制子的自我复制病毒RNA序列的蛋白表达。接下来，他们确定了病毒和细胞RNA序列的哪些特征是密码子使用依赖性翻译所必需的，哪些特征能使翻译独立于密码子使用。最后，他们研究了病毒RNA如何逃避宿主对翻译的密码子使用控制。

研究发现，当病毒编码序列以类人转录本形式表达时，密码子使用强烈影响病毒蛋白的表达。相比之下，当相同序列从自我复制的病毒复制子表达时，这种影响就消失了。研究人员发现，多种病毒（包括柯萨奇病毒B3、导致新冠肺炎的SARS-CoV-2、甲型肝炎病毒和丙型肝炎病毒）的mRNA 5'非翻译区（5' UTR）能够驱动编码病毒蛋白的RNA进行不依赖密码子使用的翻译，并且在此表明，密码子使用依赖性翻译需要参与这种环化的成分。最后，他们发现，将含有病毒5' UTR的mRNA环化后，密码子使用的强烈影响得以恢复。这些结果共同表明，病毒RNA翻译之所以能逃脱宿主的密码子使用控制，是因为5' UTR介导阻止了mRNA环化（图1）。

图1说明了密码子使用这一特性对宿主细胞和病毒RNA翻译的不同影响。在翻译过程中，RNA中的密码子序列被携带氨基酸的tRNA分子识别。病毒RNA包含许多“非最优”密码子，其对应的tRNA比编码相同氨基酸的“最优”密码子所对应的tRNA数量少。在宿主细胞中，较差的密码子使用会对翻译产生负面影响，但病毒RNA却表现出高效的翻译。a. 典型的宿主细胞mRNA具有5'端帽子、3'端多聚腺苷酸尾巴以及结合蛋白（包括eIF4F和PABP），这些蛋白帮助mRNA形成闭合环，将翻译起始（涉及43S核糖体亚基）与影响肽链延长速度的密码子使用依赖性过程（红色部分）偶联起来。非最优密码子会减慢40S和60S核糖体亚基的延长速度，从而导致起始抑制。b. 病毒RNA要么缺乏5'帽子和多聚腺苷酸尾巴，要么含有高度结构化的5'非翻译区（UTR；黑色部分），从而阻止mRNA环的形成；因此，非最优密码子不会将延长与受抑制的起始偶联起来，从而使病毒RNA能够高效翻译。

意义：这项研究解决了病毒密码子使用较差这一长期存在的矛盾，并揭示了尽管密码子使用较差，病毒RNA仍能在人类细胞中实现高效翻译的机制。许多人类病毒似乎都共享这一机制，这为广谱抗病毒策略提供了潜在靶点。研究结果还解释了为什么病毒基因在人类细胞中除非经过密码子优化否则表达量很低——这是有效DNA和RNA疫苗设计的基础。此外，研究确定mRNA环化是调控细胞mRNA密码子使用依赖性翻译的关键过程。

尽管数据表明mRNA环化介导了密码子使用依赖性翻译的效率，但环化究竟如何以依赖非最优密码子的方式抑制翻译起始仍不清楚。此外，研究表明mRNA编码区的密码子使用可以反馈影响翻译起始效率，但其背后的机制尚不清楚。最后，尽管研究检查了几种病毒的5' UTR功能，但这种机制在人类病毒中普遍程度如何仍未知。

未来的研究将重点阐明mRNA环化在密码子使用依赖性翻译中的作用，揭示密码子使用-延长偶联如何反馈到翻译起始，以及确定这一机制在病毒蛋白合成中的重要性。（Huan Liu和Yi Liu就职于美国得克萨斯州达拉斯市的得克萨斯大学西南医学中心。）

专家观点：“作者探讨了病毒在感染人类细胞时，尽管密码子使用不同，是如何表达其基因组的。他们得出结论，人类细胞中的密码子偏好是通过mRNA环化实现的。此外，他们指出这种环化会抑制含有非最优密码子序列的翻译起始。他们认为病毒RNA通过避免环化来绕过这一机制。这项有趣的研究挑战了常识，提出了更多问题，并具有许多意义。”（Martine Collart就职于瑞士日内瓦的日内瓦大学。）

论文背后：研究人员之前的工作确定密码子使用是调控含核细胞基因表达的关键机制。这个项目源于他们对病毒密码子使用的好奇，因为病毒必须依赖宿主的翻译机制来产生蛋白质。他们曾预期病毒翻译会受到宿主密码子使用控制的限制。在新冠肺炎疫情期间，这个问题变得尤为引人关注，因为SARS-CoV-2的密码子使用极差，但在没有对人类宿主进行密码子适应的情况下，却迅速导致数百万人死亡。许多人类病毒普遍存在较差的密码子使用，同时又能高效产生蛋白质，这表明存在一种绕过宿主密码子使用控制的机制。当研究人员发现病毒5' UTR消除了密码子使用对翻译的影响时，取得了突破。最令人兴奋的发现是，构建含有病毒5' UTR的环化mRNA恢复了强烈的密码子使用依赖性，揭示了病毒RNA翻译如何逃避宿主密码子使用调控。（H.L.和Y.L.）

编辑视角：Liu及其同事的这项研究报告了一个有趣的发现，解释了许多病毒尽管密码子使用非最优，却能在宿主细胞中维持强大的蛋白质合成：病毒5' UTR介导了对mRNA环化的逃避——令人惊讶的是，mRNA环化被发现是宿主细胞转录本中密码子使用效应的关键决定因素。我们预计，这项被评审人员认为稳健的研究将引发一些争议，因为它的影响超出了病毒翻译的范畴。（Florian Ullrich，《自然》资深编辑）