基因组编辑是在基因组水平对基因进行精确、定向修饰的一种高效生物技术方法。简单、高效的CRISPR/Cas9编辑体系的出现给生命科学带来了新的技术革命。CRISPR/Cas9通常在基因组靶向位点造成DNA碱基的添加或删除，导致基因功能的缺失。近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组建立了一个通过CRISPR/Cas9高效调控内源mRNA翻译的方法。该方法可通过提高蛋白质翻译效率，增加目标基因的编码蛋白水平。

图：CRISPR编辑uORF调控蛋白质翻译水平

蛋白编码基因的表达产物一般受到转录、转录后RNA加工、蛋白质翻译及翻译后加工、蛋白降解等多个水平的调控。真核细胞的mRNA由5’非翻译区（5’Untranslated Region，5’UTR）、编码蛋白的开放阅读框区（Open Reading Fragment）及3’端非翻译区（3’Untranslated Region，3’UTR）构成。研究发现，5’UTR存在一些具有翻译能力的开放阅读框，称为上游开放阅读框（Upstream Open Reading Fragment，uORF）。与之对应，5’UTR之后的开放阅读框被称为主开放阅读框（Primary Open Reading Fragment，pORF）。uORF通常能够抑制下游的pORF的翻译。生物信息学分析表明，uORF在动植物中广泛存在，人、小鼠、拟南芥、水稻、玉米中超过30%的mRNA含有预测的uORF，但还缺乏高效、精细的方法对uORF进行功能研究与遗传操作。

高彩霞研究组利用CRISPR/Cas9对uORF进行编辑，发现能够显著提高目标基因的翻译效率。通过CRISPR/Cas9编辑拟南芥和生菜中的4个基因的uORF翻译起始区及周边序列，获得了多个相应基因的uorf突变体。这些uorf突变体目标基因的pORF的mRNA翻译水平都有不同程度的提高。其中，通过突变维生素C合成途径中关键基因GGP（GDP-L-galactose phosphorylase）上游的uORF，可使生菜叶片中维生素C含量提高约150%。利用CRISPR/Cas9编辑uORF翻译起始区会出现两种结果：（1）完全破坏uORF的翻译起始能力导致uORF功能缺失；

（2）改变uORF的翻译起始密码子（例如ATG突变为翻译起始能力较弱的GTG）及其周边序列，使uORF对pORF的抑制效率发生微调。该研究展示了通过基因组编辑uORF操纵mRNA翻译，调控蛋白质水平在植物分子生物学研究及遗传育种中的应用前景。此外，该方法可能随着新型基因组编辑工具不断出现及方法的进一步优化，而变得覆盖率更广且更易操作。由于uORF在动植物基因中普遍存在，该方法也具有广阔的应用前景。

相关成果于8月6日发表在《自然-生物技术》上。高彩霞研究组副研究员张华伟，博士研究生司小敏、姬祥为论文共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委基础科学中心、中科院的资助。

Abstract

Translational regulation by upstream open reading frames (uORFs) is becoming established as a general mechanism for controlling the amount of protein that is synthesized from downstream primary ORFs (pORFs)1,2,3,4,5. We found that genome editing of endogenous uORFs in plants enabled the modulation of translation of mRNAs from four pORFs that are involved in either development or antioxidant biosynthesis. A single-guide RNA that targeted the region harboring a uORF initiation codon can produce multiple mutations. Following uORF editing, we observed varying amounts of mRNA translation in four pORFs. Notably, editing the uORF ofLsGGP2, which encodes a key enzyme in vitamin C biosynthesis in lettuce, not only increased oxidation stress tolerance, but also increased ascorbate content by∼150%. These data indicate that editing plant uORFs provides a generalizable, efficient method for manipulating translation of mRNA that could be applied to dissect biological mechanisms and improve crops.