裂殖酵母全基因组范围内研究多核糖体对于5’端不同的转录本的选择性

The highly complex core promoters in eukaryotes generate highly diverse 5’ ends of transcripts. This diversity is one manifestation of the complex transcriptional regulation in eukaryotes: core promoters employ diverse transcription start sites to precisely and dynamically regulate gene expression. However, the role of the 5’ end diversity in post-transcriptional regulation remains unclear. In this project, we will combine the CAGE (cap analysis of gene expression) technique with next-generation sequencing to precisely capture the 5’ ends of polysome-associated transcripts on a genome-wide scale in Schizosaccharomyces pombe. By comparing the 5’ ends of polysome-associated transcripts with the 5’ ends of transcripts in total RNA, we will demonstrate the polysome selectivity toward transcripts with different 5’ ends and further reveal an indirect translational selectivity toward transcription start sites and core promoters. In addition, we will investigate the relationship between the polysome selectivity and the 5’ end sequences and gene functions. In conclusion, this project will not only provide important clues for deciphering the role of the 5’ end diversity in post-transcriptional regulation of Schizosaccharomyces pombe, but also yield useful reference for further understanding the regulatory mechanisms of gene expression in higher eukaryotes.

真核生物高度复杂的核心启动子产生了具有高度多样性的转录本5’端。这种多样性体现了真核生物转录调控的复杂性：核心启动子为了能够更为精准和动态调控基因表达而使用了多样的转录起始位点。然而，转录本的5’端多样性在转录后调控中所发挥的作用仍是一个有待研究的问题。本项目旨在利用CAGE技术并结合二代测序技术，在裂殖酵母在全基因组范围内精准捕获与多核糖体结合的转录本5’端，并通过与总RNA中的转录本5’端做定量比较，以阐明多核糖体对具有不同5’端的转录本的选择性使用，从而进一步揭示蛋白翻译对于转录起始位点和核心启动子的间接选择性。同时，本项目也将研究这种选择性与转录本5’端序列以及基因功能的相关性。总之，本项目不仅将为阐明裂殖酵母的5’端多样性在转录后调控中起到的作用提供重要的线索，也将为进一步理解高等真核生物的基因表达调控机制提供宝贵的参考信息。

在高等真核生物中，基因表达的复杂调控导致了一个基因会从多样的转录起始位点（TSS）以及不同的核心启动子（core promoter）启动转录。 RNA和多核糖体结合是基因翻译的一个关键步骤，但我们并不清楚多核糖体是否选择性使用了从某些转录起始位点或者某个核心启动子产生的转录本，也不清楚这种选择在翻译调控中可能发挥的作用。在本项目中，我们使用了帽分析基因表达法（CAGE）和高通量测序技术在人类HEK293细胞中大规模的筛查了翻译组（多核糖体结合的RNA）和转录组（总RNA）中的转录本5’异构体（transcript 5' isoform）。通过比较翻译组和转录组的5’端异同，我们发现了有大量5’异构体被多核糖体有偏好的结合了，随即广泛揭示了多核糖体对于转录起始位点（32.0%）和核心启动子（48.7%）的间接选择性。同时，我们找出了与多核糖体选择性密切相关的两个因素，包括转录起始模式以及序列特征。我们进一步鉴定了5804个在多核糖体上明显富集或者匮乏的基因，研究了这些基因的功能特点，并且确定了多核糖体选择性是影响蛋白丰度的因素之一。另外，通过与公共数据库中180套人的转录组CAGE数据相比较，我们提出了一个可能的翻译调控机制：不同类型的细胞通过在转录层面上使用不同的转录起始位点来调控某个基因的翻译效率。总而言之，通过使用HEK293细胞系作为研究对象，我们展示了翻译机器对于转录起始位点以及核心启动子的间接选择性。我们的发现给出了转录和翻译密切协作的进一步证据，同时也成为了将来在更多细胞类型以及条件下研究基因表达的复杂调控模型打下了基础。