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NSMB | Ribo-seq应用:CRISPRi筛选揭示人类干细胞依赖于mRNA翻译过程中的质量控制

来源:新使生物时间:2025-07-15 08:35

导读

在多细胞生物中,mRNA的翻译过程需要精确调控来应对发育和分化过程中蛋白质需求的变化。翻译缺陷对不同细胞类型的影响差异显著。
人类基因组含有约20,000个蛋白质编码基因,细胞类型特异性的基因表达增加了翻译机制调控的复杂性。翻译过程中的质量控制机制能够修复翻译错误并清除有毒的异常mRNA和不完整的肽链。
尽管已有研究表明翻译扰动在不同细胞类型中的影响不同,但具体机制仍不明确。因此,开发能在高通量实验中研究翻译调控并区分细胞特异性依赖的工具极为重要。
2025年7月11日,德国马克斯普朗克生物化学研究所Danny D. Nedialkova团队在Nature Structural & Molecular Biology上发表了题为“Comparative CRISPRi screens reveal a human stem cell dependence on mRNA translation-coupled quality control”的论文,发现核心翻译机器在广泛的分裂细胞中都是必需的,但许多翻译耦合质量控制因子在不同细胞类型中的依赖性显著不同,揭示了细胞身份在翻译质量控制机制中的关键作用。

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文章索引

【标题】Comparative CRISPRi screens reveal a human stem cell dependence on mRNA translation-coupled quality control
【发表期刊】Nature Structural & Molecular Biology

【发表日期】2025年7月11日
【作者及团队】马克斯普朗克生物化学研究所Danny D. Nedialkova团队

【IF】12.5


研究结果
一、可诱导型CRISPRi筛选平台的建立
作者首先成功构建了在hiPSCs及其衍生的神经祖细胞(NPC)、神经元和心肌细胞(CM)以及HEK293细胞中进行可诱导的CRISPRi筛选的系统,筛选了262个与mRNA翻译相关的基因,并评估不同细胞环境中的基因必需性。
筛选结果验证了核心翻译机器在分裂细胞中的普遍必需性,并重现了已知的遗传依赖性。
其中hiPSCs对翻译扰动最敏感,远高于神经元和CM生存筛选中的必需基因比例。

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二、核心翻译机制对广泛的细胞类型都是必需的
研究团队发现绝大多数经典核糖体蛋白(r-proteins和翻译因子在分裂细胞及分化过程中都是必需的。
核糖体输出和成熟因子(如LSG1、LTV1、RIOK2在所有筛选中表现出显著的负面影响。

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三、干细胞对翻译质量控制缺陷敏感
与编码核心翻译机制的基因的广泛必需性相反,许多编码翻译质量控制因子的基因遗传依赖性存在显著差异。
hiPSCs对介导核糖体拯救因子的耗竭尤为敏感,这些因子负责修复翻译有问题的mRNA或肽序列导致的核糖体停滞或碰撞。

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四、核糖体救援机制保护hiPSCs免受整合应激反应

研究团队发现敲低ZNF598、ASCC3、HBS1L或PELO显著降低了诱导型hiPSCs中的新生蛋白质合成,但对诱导型HEK293细胞没有影响。
在hiPSCs中敲低核糖体拯救因子后,培养基中的乳酸脱氢酶(LDH)水平显著升高,而在诱导型HEK293细胞中则未见显著变化。

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五、ZNF598的缺失导致干细胞中起始位点核糖体停顿
研究团队通过Ribo-seq核糖体印迹分析发现,ZNF598RING在hiPSCs中引发大量mRNA翻译起始位点的显著停顿,尤其是前5个密码子。
此外,起始位点停顿的mRNA富集于与DNA包装和线粒体复合物相关的GO通路。
ZNF598敲低或ZNF598RING表达均导致hiPSC的S期阻滞,影响组蛋白翻译和DNA复制。

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六、ZNF598在翻译起始阶段侦测核糖体碰撞

研究团队发现在ZNF598RING表达的可导hiPSCs中,具有起始位点停顿的mRNA具有显著较短的5' UTR和较高的丰度。

Ribo-seq核糖体印迹分析显示,40S–80S碰撞的足迹位于起始密码子上游25-40nt,且早期延伸时80S-80S碰撞的足迹也仅在表达ZNF598RING的细胞中出现。
随后,作者使用翻译抑制剂HAR和ANS处理hiPSCs,并通过Polysome profiling多聚核糖体分析验证了启动阶段核糖体碰撞可能导致ZNF598介导的泛素化。

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总结

本研究通过比较CRISPRi筛选揭示了人类干细胞对mRNA翻译质量控制,特别是ZNF598介导的起始位点核糖体碰撞监测,表现出独特依赖性。ZNF598在维持hiPSCs生长和避免致死性整合应激反应中起关键作用,尤其在翻译效率高的mRNA上。该研究为理解翻译调控在不同细胞类型中的特异性功能提供了重要见解,并为干细胞生物学及相关疾病研究开辟新方向。

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