2025年5月12日，beat365官方网站、核糖核酸北京研究中心陸劍課題組與合作者在PLOS Biology雜志在線發表題為 “Upstream open reading frames dynamically modulate CLOCK protein translation to regulate circadian rhythms and sleep” 的研究論文。

mRNA翻譯調控作為真核生物基因表達網絡的核心環節，在生命活動中發揮關鍵作用。經典翻譯過程可分為起始、延伸、終止及核糖體的循環利用四個階段，其中起始階段是決定全局翻譯效率的限速步驟。值得注意的是，在幾乎所有真核生物中都廣泛存在的uORF（Upstream open reading frames）作為CDS上遊的開放閱讀框，可以通過競争性結合核糖體來抑制CDS的翻譯起始。經過長期的研究，陸劍課題組系統解析了uORF的功能及演化規律并取得一系列研究成果：首次揭示真核生物uORF的起源與演化規律，并發現uORF動态調控蛋白翻譯效率這一新機制（Zhang et al., 2018, PLoS Biol）；總結了uORF的功能和演化規律（Zhang et al., 2019, Trends Biochem Sci）；繪制了跨478個真核物種的uORF進化圖譜，揭示uORF在物種間和基因間分布差異的驅動機制（Zhang et al., 2021, Nat Commun）；提出uORF與microRNA通過“失效保護”機制協同調控靶基因表達的新範式（Zhang et al., 2021, Sci Bull），為理解翻譯調控的穩态維持機制及物種間基因表達進化提供了理論依據。

在生物複雜調控體系中，晝夜節律系統猶如一台高精度計時器，協調着體溫波動、代謝穩态、睡眠周期乃至情緒調節等核心生理過程。盡管核心生物鐘基因的轉錄調控網絡已較為明晰，但uORFs在晝夜節律系統中的功能仍存在顯著研究空白，這一盲區限制了我們對晝夜節律系統多層級調控網絡的全景認知。在此基礎上，本研究首次揭示了uORFs能夠作為“翻譯調控的節拍器”，通過精細調節核心節律基因 Clock 的翻譯效率，參與調控果蠅的晝夜節律、睡眠行為以及季節适應性。

uORFs：隐藏在 5' 非翻譯區（UTR）中的“節律調速器”。本研究發現果蠅晝夜節律基因中富含uORFs（圖1A），其中核心時鐘基因Clock (Clk) 中的uORFs尤其保守（圖1B）。白天正常條件下，Clk基因的uORFs在果蠅體内有節律地大幅減弱CLK蛋白的翻譯，相當于延緩生物鐘的“節拍” （圖1C）。而消除Clk uORFs會導緻CLK蛋白在白天過度積累（圖1D和1E），并産生晝夜節律周期縮短的“快時鐘”表型（圖1F）。Clk uORFs 缺失的果蠅通過降低多巴胺神經元活性，顯著延長早晨的睡眠時間（圖2A和2B）。此外，在模拟季節變換實驗中，該突變果蠅的睡眠調節能力明顯減弱，揭示 Clk uORFs 在環境節律同步中的重要作用（圖 2C）。

圖 1 Clock uORF精細調控CLOCK 翻譯。（A）uORFs富集于節律相關基因；（B）Clock 基因擁有高度保守的 uORFs；（C）Clock uORFs顯著降低其翻譯效率；（D）CRISPR-Cas9敲除Clock uORFs；Clock uORFs删除導緻 CLOCK 的積累（E）和節律周期長度的縮短（F）

圖 2 Clock uORF影響果蠅睡眠等生理過程。（A）Clock uORFs缺失促進果蠅睡眠增加；（B）多巴胺信号通路參與突變體睡眠異常；（C）Clock uORFs缺失突變體在模拟季節變換的實驗中睡眠調節的能力明顯減弱；（D） Clock uORFs缺失導緻果蠅後代數目、饑餓抗性等适應性指标下降

從時鐘到全身：uORFs調控作用廣泛而深遠。除了節律與睡眠行為的變化，轉錄組測序結果顯示，Clk uORFs 缺失還引發了包括代謝與生殖在内的多個生理通路改變。進一步行為實驗發現，該突變株果蠅産卵量與後代數量減少，抗饑餓能力下降圖 (圖 2D)，提示 uORFs 的翻譯調控作用遠超單一節律功能，而是深入參與多層級生理穩态的維系。這些結果表明，uORFs 并非簡單的“翻譯開關”，凸顯其作為适應環境變化、在不改變基因轉錄水平情況下調控蛋白合成的精密模塊功能（圖 3）。

圖 3 Clock uORF通過調控CLOCK翻譯影響果蠅節律及睡眠的模式圖

綜上所述，本研究系統性揭示了 uORFs 在果蠅核心節律基因中的調控功能，不僅豐富了晝夜節律調控的分子層級圖譜，也為未來探索 uORF 在哺乳動物、甚至人類睡眠障礙中的潛在作用提供了堅實基礎。随着 uORFs 在神經調控、代謝穩态及疾病機制等領域研究的不斷深入，這一“隐藏在起點之前”的翻譯密碼，有望成為解碼生命節律調控新機制的關鍵鑰匙。

華中科技大學生命科學與技術學院張珞穎教授和beat365官方网站陸劍教授為該論文的共同通訊作者，beat365官方网站已畢業博士研究生孫元強（現山東第一醫科大學附屬皮膚病醫院博士後）、華中科技大學已出站博士後稅珂（現華中農業大學生物醫學與健康學院副研究員）為該論文的共同第一作者，清華大學基礎醫學院倪建泉教授對該論文做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部、北京市自然科學基金委等機構的項目支持。

原文鍊接：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003173