EMBO JOURNAL

IF: 9.889 (5-year IF: 10.373)

(SCI, BIOCHEMISTRY & MOLECULAR BIOLOGY, 21/296)

Poly(U)-specific endoribonuclease ENDOU promotes translation of human CHOP mRNA by releasing uORF element-mediated inhibition

DOI: 10.15252/embj.2019104123 (2020/12, in press)

Lee HC, Fu CY, Lin CY, Hu JR, Huang TY, Tsai HY, Lo KY, Sheu JC, Tsai HJ (蔡懷楨).

研究動機:

當生物體受到逆境(stress)時會引起一些基因表現及生理反應的改變，若持續無法排除逆境則最終會造成細胞受損而引發疾病產生。近年來許多人類神經方面的疾病，例如阿茲海默症(Alzheimer's Disease)、亨丁頓舞蹈症(Huntington's Disease)或是創傷性腦部損傷(traumatic brain injury)，其致病原因雖然都有不同，但最終造成神經細胞壞死的原因都是透過整合性逆境反應(integrated stress response, ISR)引發的細胞計畫性凋亡(apoptosis)。在探討ISR的研究中，最常用來作為是否發生細胞計畫性凋亡的指標就是C/EBP homologous protein (CHOP)基因。當逆境發生時，磷酸化的eukaryotic Initiation Factor 2α (eIF2α)能夠促進CHOP蛋白質產生，CHOP蛋白質的累積可以抑制Bcl-2來開啟細胞計畫性凋亡。而CHOP蛋白質的轉譯，則是受到相當複雜的調控。當逆境發生時，CHOP除了受轉錄調控之外，最重要的就是受到其mRNA上游5端不轉譯區upstream open reading frame (uORF)序列的轉譯調控。只有在逆境發生時，uORFChop的轉譯抑制能力才會消失，讓停滯在uORF序列上的核醣體(ribosome)繼續運作，進而轉譯出CHOP蛋白質。然而對於uORFChop為何能在逆境中失去轉譯抑制能力仍不清楚。

解決問題：

生醫所蔡懷楨教授團隊首創利用人類uORFChop序列，在斑馬魚模式動物系統中建立一轉殖品系huORFZ。在正常狀況下，huORFZ品系攜帶的報導基因mRNA大量存在於每個細胞中，但是卻不會進行轉譯;只有在給予huORFZ品系逆境處理後報導基因mRNA才會進行轉譯產生螢光蛋白。利用huORFZ品系的特性，透過不同的microarray交叉比對、篩選，最終找出一個新的XendoU家族基因Endouc及其同源的人類ENDOU基因，皆能影響uORFChop的轉譯調控。透過一連串精巧的實驗設計，提出一個新的解釋説明uORFChop為何能在逆境中失去轉譯抑制能力: (1) 當細胞處於逆境時，Endouc/ENDOU蛋白能快速產生，促使eIF2α磷酸化。(2) Endouc/ENDOU會結合到CHOP mRNA的uORF序列上切割uORF，使其改變RNA 2級構型，讓停滯的核醣體能夠重新運作，(3) 並同時誘導新的核醣體結合到CHOP mRNA上，最終促使CHOP轉譯產生蛋白。這個研究不但幫助更了解ISR過程中CHOP蛋白如何轉譯出來，也為學術上提供一個新的方向思索其他帶有uORF序列的基因的轉譯調控機制，亦給予未來研發相關藥物之靈感減少ISR引發的細胞計畫性凋亡。