内质网mRNA翻译的多样性和选择性

ER作为翻译的主要隔间

细胞总翻译的哪一部分与ER有关？这个简单的问题可能是最基本的，即使在很早的研究中，答案也指向了一个出乎意料的大分数¹⁴后来的研究表明，在HeLa和HEK293细胞中，大约一半的核糖体与ER相关，而总mRNA中有类似比例的核糖体被ER-localized³¹将此指标与其他研究充分的mRNA定位示例进行对比是有用的。有几个特定种类的mRNA定位于细胞离散区域的例子；例如，β-actin mRNA定位于迁移的成纤维细胞的前缘，灰分1在酵母芽尖发现mRNA，并且奥斯卡和二倍体mRNA分别定位于D.黑腹果蝇卵母细胞^32,33这些例子说明了mRNA定位的主要功能之一：将少量mRNA选择性靶向离散的细胞区域，以实现特定的生物功能。mRNA的这种靶向性通常由mRNA中编码的特定定位基序（称为“邮政编码”）介导，最常见于3个非翻译区^32,33相反，内质网在几乎每种细胞类型的细胞质中广泛延伸，在大部分区域布满核糖体，并与大部分mRNA结合，其机制多种多样^34–37（见下文）。因此，区分内质网mRNA定位和其他mRNA定位模式是有用的；也就是说，mRNA的定位和对内质网的翻译活性在基因表达中起着更广泛、更普遍的作用，而不是为特定的生理结果进行定位的少数mRNA。事实上，在最近对酵母的一项研究中，发现约75%的细胞翻译活性与内质网有关³⁸.

内质网mRNA定位的复合生物学功能尚不明确。一方面，内质网作为共同翻译蛋白进入分泌途径的位点的功能非常清楚。然而，编码膜蛋白和分泌蛋白的mRNA通常构成转录基因的一小部分³⁹例如，在HEK293细胞中，这种mRNA仅占所有mRNA的约13%，但大约一半的核糖体是与ER结合的²⁸(图2a). 如上所述，对这种差异的解释是，编码细胞溶质蛋白的大部分mRNAs存在于内质网上，并由内质网结合核糖体翻译，这是该领域早期提出的^21,40,41最近又重新访问了^{25–27,37,42}为了进一步支持这一观点，将细胞分离成其胞质和内质网结合成分的替代方法已经能够精确定义核糖体、信使核糖核酸和其他因子在这两个区室之间的分配^29,31事实上，这些研究发现，编码细胞溶质蛋白的mRNA在内质网中大量存在并翻译^28,31,42,43这些观察结果在过去几十年中使用不同的细胞分馏和mRNA组成分析方法对不同生物体进行的研究中都有报道。

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图2

蛋白质合成在胞浆和内质网之间的分布

一|每个mRNA在胞浆和内质网（ER）之间的翻译分布显示为HEK293细胞的直方图²⁸，小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）¹⁸和Huh7细胞（R.Campos、S.Bradrick、D.W.R.、M.Garcio-Blanco和C.V.N.，未发表的观察结果）。直方图显示了两个不同的mRNA群体：一个是ER-富集的，另一个是较少的。ER-富集组的mRNA倾向于编码分泌或膜蛋白，而另一组通常编码细胞溶质或核蛋白。重要的是，基本上所有的mRNA，甚至那些编码细胞溶质蛋白的mRNA在内质网上都有很大程度的翻译。b条|在细胞溶质中，翻译机制主要合成细胞溶质蛋白质，如进入细胞溶质的新生链所示。数据表明，内质网的翻译也主要针对细胞溶质蛋白的合成，而不仅仅是膜和分泌蛋白的合成。

一个不能过分强调的关键机制点是，尽管它们的亲本mRNA存在内质网定位，但胞浆蛋白产物并没有转移到内质网中，而是假定它们具有适当的胞浆定位³⁷因此，这些发现将mRNA的内质网定位及其翻译与其编码蛋白的亚细胞目的地分离开来。mRNA定位与蛋白质定位的分离意味着mRNA不需要以纯粹的二元方式与内质网或细胞质结合；每个mRNA群体的一部分可以在每个隔室中表示。事实上，似乎所有编码细胞溶质蛋白的mRNAs在这两个细胞室中都有很好的表达^{18,25,28,40,41}对于一个平均的细胞溶质蛋白编码mRNA，大约一半的mRNA分子通常是ER-结合的，并且在分泌导向性更强、粗面ER-富集的细胞中，这个数字会增加^28,31这些结果得出了一个令人惊讶的结论：HEK293细胞内质网的大多数翻译活性（75%）是针对细胞溶质蛋白的合成(图2b). 类似地，编码其他细胞器蛋白质成分（如细胞核和过氧化物酶体）的mRNA在内质网上有很好的表达，编码膜靶向序列的mRNA高度富集内质网²⁸这一规则的唯一例外是线粒体，线粒体有自己独立的易位机制^45,46、尾锚定和小分泌蛋白，它们与翻译后内质网相关^28,47因此，内质网应被视为一般细胞蛋白质合成的场所，除了其作为专门用于合成分泌或膜蛋白的专门场所的既定作用外。

核糖体与内质网结合

与内质网结合的核糖体与蛋白质合成的脱钩可能有助于内质网上多核糖体的组装⁷⁰在这种情况下，核糖体可以经历一个完整的启动、翻译和终止周期，同时保持内质网关联，并在整个过程中赋予其相关mRNA内质网定位。除了鉴定几个候选ER核糖体受体（见下文）外，还有一些证据支持这一模型。核糖体通常在与mRNA分离后仍与ER相关，这表明核糖体与ER的关联一旦建立，就可以独立于翻译和新生多肽链。此外，与内质网结合的核糖体能够从头开始细胞溶质和膜蛋白翻译的启动^17,31这两个观察结果表明，内质网的mRNA定位主要由结合核糖体的翻译活性介导。考虑到大多数翻译的信使核糖核酸都存在于多核糖体中，可以很容易地理解，与多个与内质网结合的核糖体的功能结合将赋予信使核糖核酸与内质网结合的稳定状态。当然，这就提出了核糖体如何与内质网结合的问题体内.

核糖体如何与内质网相关的最新观点体内主要是猜测。对体内核糖体与内质网的相互作用在很大程度上是重组蛋白质易位联合成功的结果在体外核糖体-SEC61复合物的结构成像^71–74作为蛋白质传导通道，SEC61复合物的核糖体结合功能满足了跨内质网蛋白质转位共翻译模型的中心原则，并与公认的内质网结合核糖体在分泌和膜蛋白合成中的专用功能模型完全吻合⁷⁵然而，随着对ER-bound核糖体上发生的mRNA翻译多样性的新见解，有必要询问SEC61是否作为唯一的ER核糖体受体发挥作用，而不管新生多肽链的室命运如何。

早期鉴定核糖体受体的方法侧重于重组核糖体结合在体外^76,77在这些研究中，首先在高盐和/或含EDTA的缓冲液中洗涤粗糙微粒体，去除结合核糖体，并研究分离的、翻译失活的80S核糖体的结合或再结合，作为检测体内核糖体与内质网的结合。这些方法表明，80S核糖体以低纳摩尔亲和力与剥离的粗糙微粒体结合，大核糖体亚单位以比小亚单位更高的亲和力结合^76,77从这个简单的分析系统中，出现了一系列令人困惑和有争议的文献，其中使用了类似的实验方法来鉴定许多核糖体受体。例如，一项研究确定p180（一种具有广泛且高度碱性十肽串联重复序列基序的内质网膜蛋白）为主要核糖体受体^78,79随后的工作对这一结论提出了质疑，并将核糖体结合功能主要（如果不是全部）分配给SEC61转座子组分SEC61α^80–82重要的是，当重组时，纯化的SEC61复合物既显示了蛋白质传导通道功能，又显示了先前剥离微粒体研究中确定的核糖体结合能力，因此作为长期寻找的核糖体受体得到了广泛接受^72,83–85应注意的是，80S非活性核糖体（用于表征核糖体受体结合相互作用，在某些示例中用于重组核糖体）（通过低温电子显微镜检查的SEC61复合物）是靶向天然微粒体的SRP依赖性核糖体的非常差的竞争对手^80,86这引起了人们的担忧，即非活性80S核糖体显示的ER膜结合活性可能不同于体内靶向、翻译活性核糖体。鉴定核糖体受体的替代方法，其中通过化学交联研究确定天然结合核糖体的结合伴侣，表明转运蛋白相关蛋白亚基-α（TRAPα）、核黄素I、，p180和SRP受体位于核糖体附近和/或与核糖体结合^80,87,88此外，许多实验方法，包括抗体抑制，已被用于验证核糖体结合核糖体蛋白I的功能^89,90，SEC61β⁹¹第62节（参考。92)，ERJ1（参考。93)和p180（参考^79,94)横跨酵母和哺乳动物。这些研究结合在一起，描绘了一幅核糖体与内质网结合的混乱画面，SEC61α被广泛接受为主要（或唯一）核糖体受体，大量实验证据支持其他几种丰富的内质网膜蛋白的核糖体结合活性。

为了将ER-bound核糖体在mRNA翻译中广泛而普遍的作用的观察结果与相互矛盾的核糖体受体文献相协调，我们首先提出了一个简单的模型，其中许多ER蛋白分别参与核糖体与ER结合的总量。在这个观点中，不同的核糖体结合位点可能使核糖体的不同亚群具有选择性，可能不同的核糖体群体致力于翻译不同的mRNA亚群⁹⁵核糖体具有结构异质性或多个ER-结合位点的系统能够选择性结合核糖体的不同亚群，以及翻译不同的mRNAs队列，将为mRNA翻译到ER的广泛分区提供坚实的基础。这里，我们特别区分了核糖体与内质网的关联和蛋白质移位过程。我们进一步推测，用拓扑学信号翻译mRNAs的核糖体以及结合到非SEC61α核糖体受体的核糖体能被共翻译招募到SEC61转座子，新生的多肽链可以在不需要翻译核糖体与蛋白质传导通道紧密结合的情况下进行移位。

SRP通路模型的显著性对核糖体运输具有重要意义：核糖体在内质网和胞浆之间快速交换，并与每一轮蛋白质合成的终止相耦合。然而，到目前为止，大多数证据表明核糖体在许多轮蛋白质合成中与内质网相关。例如，生物化学方法指出核糖体在内质网上启动翻译^31,96并在蛋白质合成终止后维持其ER关联^17,96然而，最近体内一项使用新型核糖体谱分析法追踪内质网上核糖体运输和翻译的研究发现，许多核糖体只有在信号肽出现时才被募集到转运子中，并在至多几个翻译周期内离开内质网⁹⁷虽然尚不清楚该观察结果是否为ER的共翻译靶向性或如上所述ER-bound核糖体向转座子的共翻译横向扩散提供了直接证据，但这些结论强调需要更好地定义体内内质网上核糖体交换的动力学。很难将快速、翻译偶联的核糖体互换与我们不断发展的认识相协调，即大部分内质网结合核糖体致力于细胞溶质蛋白编码mRNA的翻译，并且相当稳定地与多种内质网核糖体受体结合。因此，如果大多数mRNA转录组在内质网上翻译，这些新数据表明，最好直接评估核糖体交换动力学，而不是从翻译的mRNA库的组成推断。

mRNA-结合蛋白作为内质网定位介质

单纯的核糖体介导机制无法解释内质网翻译的一个关键特征：内质网上编码分泌蛋白和膜蛋白的mRNA的高度富集^25,28虽然编码细胞溶质蛋白的约一半mRNA与内质网结合，但编码分泌和膜蛋白的几乎全部转录组都与内质网上结合²⁸如上所述，SRP通路的活性也不能完全解释这种定位，因为对翻译起始的药物抑制并没有实质性地改变mRNA定位^27,28此外，核糖体和mRNA对内质网提取的敏感性不同，即使核糖体完全从内质网中提取出来，也能有效保留一部分mRNA^37,42,43此外，信号序列的突变或SRP功能的丧失都不会显著影响这些mRNA在内质网的定位^37,98这些发现指向了多核糖体的最终成分的作用：信使核糖核酸本身及其相关的核糖核酸结合蛋白(图3a).

mRNA可以独立于其翻译状态连接到内质网。尽管赋予ER结合的共价mRNA修饰是合理的^99,100目前还没有发现这种修饰，大多数注意力都集中在作为内质网膜锚的RNA结合蛋白上。这种蛋白质或蛋白质复合体需要一个跨膜结构域和一个与RNA紧密稳定结合的结构域。一些符合这些标准的蛋白质已经通过蛋白质组学方法鉴定，包括p180（REF）。101)，核磷蛋白I（参考。43)、SEC61α和SEC61β⁴³有趣的是，在某些时候，这些蛋白质中的每一种都被认为是核糖体受体^{78,79,94,102,103}新发现的这些蛋白质的mRNA-结合活性导致了对先前结果的另一种解释，因为很难正式区分mRNA--结合活性和核糖体（rRNA）结合。显然需要进一步验证和表征这些蛋白质上的RNA结合位点，并确定它们所锚定的mRNA亚群。还有一些其他因素有助于增强ER亲和力的其他挑衅性建议。例如，研究发现，胶原蛋白编码的mRNA依赖于微管蛋白细胞骨架和RNA-结合蛋白La相关蛋白6（LARP6）之间的合作，以实现内质网的稳定定位¹⁰⁴细胞骨架对内质网mRNA定位的总影响有待进一步研究。mRNA自身的特性，如尿嘧啶含量的增加，也被发现影响内质网相关性^105,106这些不同的机制为内质网提供了多种途径，能够精确调节mRNA定位和翻译。

作者感谢C.V.N.实验室的前成员，尤其是M.Potter、R.Seiser、s.Stephens、R.Lerner和s.Jagannathan，感谢他们对本综述中提出的概念做出的许多贡献，感谢当前实验室成员，特别是J.C.-C.Hsu和A.Hoffman，感谢他们的批判性反馈和贡献。他们还感谢S.Shenolikar为这些想法的引入和成熟所做的持续贡献。C.V.N.实验室的工作得到了美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（GM101533 to C.V.N.）的资助。D.W.R.由新加坡国家医学研究委员会颁发的名为“国家帕金森病转化临床研究计划”的转化临床研究旗舰奖资助。