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。
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，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。
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