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前言

在真核生物中，poly(A)尾巴几乎存在于每个mRNA上。 3'端poly(A)尾巴对于mRNA的翻译来说发挥着至关重要的作用，它可以保护mRNA不被降解，增加mRNA的稳定性，提高翻译效率。 那大家知道poly(A)尾是如何促进翻译并控制mRNA的稳定性的吗？今天菌菌分享一篇在《Nature Reviews Molecular Cell Biology》（1区，IF：113.915）上发表的综述文章：Roles of mRNA poly(A) tails in regulation of eukaryotic gene expression。该文章详细阐述了poly(A)尾在基因表达调控中的作用，包括poly(A)尾在翻译和控制mRNA稳定性中的作用，以及poly(A)尾长与翻译效率的关系。

Poly(A)尾促进mRNA翻译

Poly(A)尾有助于mRNA的翻译状态和稳定性，作为细胞质中基因表达的主要调节因子发挥作用。 具体来说，poly(A)尾可以与mRNA 5'端上的7-甲基鸟苷（7-methylguanosine，m⁷G）帽协同作用以刺激翻译。哺乳动物的poly(A)尾平均长度约为200nt，其在酵母中平均约70nt。 研究发现， 具有非常短的poly(A)尾巴的mRNA通常不能正常翻译。当mRNA的poly(A)尾巴多腺苷酸化，翻译被激活，这表明mRNA翻译受到poly(A)尾长的影响。

图1 真核细胞质中PABPC结构域

细胞质多聚腺苷酸结合蛋白（polyadenylate-binding protein，PABPC）对于poly(A) 尾在介导转录物翻译和稳定性中的作用是必要和充分的。 PABPC在真核生物中高度保守，具有四个N端RNA识别基序（RNA recognition motif，RRM）结构域，它们以纳摩尔亲和力结合poly(A) 尾（图1）。 RRM和RRM2对poly(A)的亲和力和特异性高于RRM3和RRM4。 在细胞质中，PABPC与poly(A)尾结合需要约12个腺苷酸（通过RRM1和RRM2），但实际上需要30个腺苷酸。较长的尾巴可以结合更多的PABPC，例如90nt的poly(A)尾巴可以结合三个PABPC分子^[1]。然而，最近的数据表明^[2]细胞中的PABPC浓度可能是有限的，并且细胞中的稳态poly(A)尾长不一定与PABPC的量相关。

Poly(A)尾促进翻译机制：“闭环”模型

图2 mRNA“闭环”模型

现在很清楚，mRNA 3'端的poly(A)尾可以影响5'端的翻译起始^[3]。mRNA的3′端poly(A)尾如何刺激5′端的翻译起始？

真核翻译起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E）识别5ʹ帽并与另一种翻译起始因子eIF4G相互作用，后者又与PABPC结合。 因此，mRNAs可以形成一个“闭环”，使5′帽和3′ poly(A)尾之间的直接物理通信成为可能（图2）。eIF4G与PABPC的相互作用稳定了eIF4E-cap相互作用，同样，PABPC与poly(A) RNA的相互作用稳定了它与eIF4G的相互作用。PABPC还通过增强其ATP酶和解旋酶活性来刺激另一种翻译起始因子eIF4A。

总之，cap-eIF4E-eIF4G-PABPC-poly(A) 复合物被认为会刺激小（40S） 核糖体亚基的募集（图 2）。40S与起始密码子上的大（60S）核糖体亚基组装形成可翻译的80S核糖体。

Poly(A)尾有助于mRNA的稳定性

在酵母细胞中，细胞质mRNA最主要的降解途径是通过缩短poly(A)尾巴启动的，此过程称为 去腺苷酸化（deadenylation） 。Poly(A)尾部如何赋予mRNA稳定性？一个假设是 PABPC通过阻止外切酶进入来保护mRNA的3'端 。与假设一致，通过转录脉冲追踪和体外重组在内的一系列实验表明，poly(A)尾缩短或去腺苷酸化需要在释放PABPC之前，mRNA衰变才可以进行。将过量的poly(A) RNA添加到体外降解系统中会隔离与PABPC的结合，从而将poly(A)尾暴露在RNA上并导致其不稳定。相反，在体外测定中添加过量的PABPC会抑制去腺苷酸化^[4]。

图3 真核生物mRNA去腺苷酸化和衰变

在mRNA被降解之前，它的poly(A)尾会被PAN2-PAN3和/或CCR4-NOT去腺苷酸化复合物去除。 这会释放细胞质多聚腺苷酸结合蛋白（PABPC），并可能削弱真核翻译起始因子4E（eIF4E）与5ʹ帽的结合。然后，脱帽酶可以结合并移除5ʹ帽。LSM1-7复合物可以与oligo(A)尾或3ʹ尿嘧啶尾结合，促进5ʹ端脱帽。脱帽后mRNA在5'-3'方向被外切核糖核酸酶1（XRN1）降解或在3'-5'方向被细胞质外泌体复合物降解（图3）。通过eIF4E-eIF4G-PABPC在mRNA “闭环”中5'和3'末端之间的物理相互作用为poly(A)尾如何影响脱帽提供了可能的解释。这些相互作用稳定了cap上的eIF4E^[5]，并可以防止脱帽酶的结合。 因此，poly(A)尾可能通过PABPC抑制帽和脱帽酶之间的结合来维持mRNA的稳定性。

Poly(A)尾长影响翻译效率

图4 poly(A)尾长影响翻译效率

Poly(A)尾长度、翻译效率和mRNA稳定性之间并不是简单的线性关系。Poly(A)尾长度并非恒定不变，poly(A)尾中也含有非A的核苷酸组分。 CCR4-NOT可以通过检测含有空A和E位点的核糖体来感知翻译延伸率，从而招募脱帽机制。多项实验表明，32nt以上的poly(A)尾在翻译效率上就等同于150nt长度的poly(A)尾，但当poly(A)尾长度不足16nt时，mRNA无法翻译 。Poly(A)尾可以稳定mRNA（允许它们翻译），并且通常需要约30nt的最小尾长来赋予稳定性。 这个最小长度正好对应于PABPC与poly(A)尾结合需要的腺苷数。这些发现具有许多重要意义。首先，高度翻译的mRNA具有约30个腺苷的短poly(A)尾，该长度只能容纳单个PABPC，这表明一个PABPC足以促进有效翻译。其次，之前假设较长的poly(A)尾与增加的mRNA稳定性相关。然而，这些新数据表明，poly(A)尾巴缩短到约30nt的mRNA也可以是稳定的。事实上，稳态poly(A)尾长和mRNA半衰期的相关性较差或呈负相关，并且PABPC对mRNA 的占有率与稳态poly(A)尾长不相关。第三，这些发现提供了翻译效率和去腺苷酸化之间的密切联系，支持了翻译效率与mRNA稳定性直接相关的观点（图4）。

菌菌总结一下文献中的观点：

一、 结合poly(A)尾巴的PABPC跟翻译起始因子中的eIF4G相互作用，使得 mRNA形成“闭环”结构，有助于募集40S翻译起始复合物到mRNA上，与5'末端帽子结构协同作用，共同刺激翻译起始 。

二、Poly(A)尾 通过PABPC抑制帽和脱帽酶之间的结合 来维持mRNA的稳定性。

三、 Poly(A)尾长度、翻译效率和mRNA稳定性之间并不是简单的线性关系。 高度翻译的mRNA具有约30个腺苷的短poly(A)尾，该长度只能容纳单个PABPC，这表明一个PABPC足以促进有效翻译。

Poly(A)尾作为mRNA翻译和稳定性的中心调节剂，将随着mRNA的治疗手段和疫苗的兴起成为该领域的研究热潮。因此理解poly(A)尾在基因表达调控中的作用、以及poly(A)尾长与翻译效率的关系，有助于提升对poly(A)尾生物学功能的完全理解。由此观之，poly(A)尾的故事还远未结束。

参考文献：

[1] SCH FER I B, YAMASHITA M, SCHULLER J M, et al. Molecular Basis for poly(A) RNP Architecture and Recognition by the Pan2-Pan3 Deadenylase [J]. Cell, 2019, 177(6): 1619-31.e21.

[2] XIANG K, BARTEL D P. The molecular basis of coupling between poly(A)-tail length and translational efficiency [J]. 2021, 10.

[3] VICENS Q, KIEFT J S, RISSLAND O S. Revisiting the Closed-Loop Model and the Nature of mRNA 5'-3' Communication [J]. Molecular cell, 2018, 72(5): 805-12.

[4] VISWANATHAN P, OHN T, CHIANG Y C, et al. Mouse CAF1 can function as a processive deadenylase/3'-5'-exonuclease in vitro but in yeast the deadenylase function of CAF1 is not required for mRNA poly(A) removal [J]. The Journal of biological chemistry, 2004, 279(23): 23988-95.

[5] BORMAN A M, MICHEL Y M, KEAN K M. Biochemical characterisation of cap-poly(A) synergy in rabbit reticulocyte lysates: the eIF4G-PABP interaction increases the functional affinity of eIF4E for the capped mRNA 5'-end [J]. Nucleic acids research, 2000, 28(21): 4068-75.

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