撰文 | 章臺柳

超過三分之一的真核蛋白質含有內在無序區（IDR），其長度、組成、分子特性和生物功能各不相同。盡管它們缺乏明確的結構，但無序區域通過與結合伴侶的特定相互作用來調節許多不同的細胞過程。這些相互作用的分子特征呈現多樣化：既包含短線性基序的剛性對接（在結合相互作用部分時可以折疊），也包含涉及異質結合構型的模糊結合模式。這些相互作用的序列需求也是多樣化的，很多具有功能的無序區只需要一般的組成特性，不包含任何特定的保守殘基。鑒于這些無序區的生物和理化多樣性，將這些序列的特定分子特征與其調控作用聯系起來非常具有挑戰。

具有功能的無序區主要定位在RNA結合蛋白（RBPs）內【1】，而RBPs可以控制靶mRNA的穩定性和翻譯。研究發現數千種RBPs既包含結構化結構域，也包含內在無序區域，它們共同調節RNA表達。盡管對RBPs中無序區的調節作用有了很好的認識，但其功能背后的分子決定因素尚不清楚。對特定蛋白質的研究揭示出無序區如何與下游效應蛋白（如翻譯起始因子或mRNA衰變核酸酶）形成蛋白-蛋白互作。然而，即使是具有相似調控作用的無序區域也有不同的大小和組成，這就使得不能簡單推定其活性的序列-功能關聯。因此，盡管個別例子提供了信息，但需要對具有功能的無序區進行全面和系統的分析，來了解調節性RBPs如何塑造mRNA動態。

來自加州大學伯克利分校的Nicholas T. Ingolia團隊在Nature雜志上發表文章Deciphering disordered regions controlling mRNA decay in high-throughput，使用高通量功能譜分析來揭示出無序區的分子決定因素。對數百個具有調控功能的無序區進行系統突變分析，并結合機器學習，識別出影響其活性的復雜分子特征模式。芳香族殘基的存在與排列方式能強效預測多種蛋白序列調控mRNA 穩定性和翻譯的能力。并進一步闡明許多此類調控元件通過與mRNA降解核心機器互作發揮功能。研究不僅明確了無序區調控mRNA表達的分子特征與生化通路，而且為非結構化蛋白質的功能機制提供了普適性原理。

為了大規模研究影響mRNA穩定性和轉錄的無序區的序列-功能關系，研究人員首先建立了基于熒光可以高通量監測出芽酵母中轉錄后的mRNA翻譯和降解的系統。即構建了編碼黃色熒光蛋白（YFP）的mRNA報告系統，在其3’非翻譯區（UTR）嵌入boxB發夾結構。通過將候選蛋白與λN肽段（可特異性識別boxB發夾）融合，實現目標蛋白與報告轉錄本的定向結合。若被招募的融合蛋白具有促進mRNA降解或抑制翻譯的功能，則將降低YFP信號輸出。同時采用密碼子優化和穩定化UTR設計（最大限度提高YFP基礎表達），將檢測靈敏度聚焦于轉錄后抑制因子。通過流式細胞術定量監測YFP的變化，這樣就能高通量監測mRNA的翻譯和降解。

然后設計了一個包含約47000個短肽的文庫，覆蓋了酵母蛋白質組中所有無序區（約6000種蛋白質的2751種），全面繪制無序區的調控活性。結果顯示，文庫內存在許多轉錄后抑制因子，即IDRs驅動mRNA的抑制和降解。那么，這些抑制因子實現其調控功能的機制是什么？已知多種RBPs缺乏酶催化活性，而是通過招募核酸酶來降解靶mRNA。真核生物中的大多數mRNA降解都是通過一個多步驟的過程進行的，首先是CCR4-NOT復合物的Ccr4和Pop2脫烯酶對polyA尾巴的修建，從而觸發Dcp2的去帽來允許轉錄本的降解。通過條件性刪除Ccr4、Pop2或者Dcp2，高通量功能分析顯示，許多無序的多肽都需要5’-3’mRNA衰變機制才能發揮作用。

通過掃描式突變揭示了IDRs的序列特征，將其劃分成兩大類：要么是使用短線性基序，要么使用整體序列組成來發揮作用（即使序列被打亂也能保持活性）。通過將機器學習應用于這個高通量數據集，揭示出芳香族氨基酸與基序依賴性和整體序列組成驅動的IDRs都密切相關，是轉錄后調控功能的強決定因素。研究全面分析并揭示出無序蛋白功能區用于控制mRNA降解和蛋白質合成的分子規則和生化途徑，為理解RBPs的作用機制提供重要參考。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08919-x

制版人： 十一

參考文獻

1. Jonas, S. & Izaurralde, E. The role of disordered protein regions in the assembly of decapping complexes and RNP granules.Genes Dev.27, 2628–2641 (2013).

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