2025年5月12日，北京大学生命科学学院、核糖核酸北京研究中心陆剑课题组与合作者在PLOS Biology杂志在线发表题为 “Upstream open reading frames dynamically modulate CLOCK protein translation to regulate circadian rhythms and sleep” 的研究论文。

mRNA翻译调控作为真核生物基因表达网络的核心环节，在生命活动中发挥关键作用。经典翻译过程可分为起始、延伸、终止及核糖体的循环利用四个阶段，其中起始阶段是决定全局翻译效率的限速步骤。值得注意的是，在几乎所有真核生物中都广泛存在的uORF（Upstream open reading frames）作为CDS上游的开放阅读框，可以通过竞争性结合核糖体来抑制CDS的翻译起始。经过长期的研究，陆剑课题组系统解析了uORF的功能及演化规律并取得一系列研究成果：首次揭示真核生物uORF的起源与演化规律，并发现uORF动态调控蛋白翻译效率这一新机制（Zhang et al., 2018, PLoS Biol）；总结了uORF的功能和演化规律（Zhang et al., 2019, Trends Biochem Sci）；绘制了跨478个真核物种的uORF进化图谱，揭示uORF在物种间和基因间分布差异的驱动机制（Zhang et al., 2021, Nat Commun）；提出uORF与microRNA通过“失效保护”机制协同调控靶基因表达的新范式（Zhang et al., 2021, Sci Bull），为理解翻译调控的稳态维持机制及物种间基因表达进化提供了理论依据。

在生物复杂调控体系中，昼夜节律系统犹如一台高精度计时器，协调着体温波动、代谢稳态、睡眠周期乃至情绪调节等核心生理过程。尽管核心生物钟基因的转录调控网络已较为明晰，但uORFs在昼夜节律系统中的功能仍存在显著研究空白，这一盲区限制了我们对昼夜节律系统多层级调控网络的全景认知。在此基础上，本研究首次揭示了uORFs能够作为“翻译调控的节拍器”，通过精细调节核心节律基因 Clock 的翻译效率，参与调控果蝇的昼夜节律、睡眠行为以及季节适应性。

uORFs：隐藏在 5' 非翻译区（UTR）中的“节律调速器”。本研究发现果蝇昼夜节律基因中富含uORFs（图1A），其中核心时钟基因Clock (Clk) 中的uORFs尤其保守（图1B）。白天正常条件下，Clk基因的uORFs在果蝇体内有节律地大幅减弱CLK蛋白的翻译，相当于延缓生物钟的“节拍” （图1C）。而消除Clk uORFs会导致CLK蛋白在白天过度积累（图1D和1E），并产生昼夜节律周期缩短的“快时钟”表型（图1F）。Clk uORFs 缺失的果蝇通过降低多巴胺神经元活性，显著延长早晨的睡眠时间（图2A和2B）。此外，在模拟季节变换实验中，该突变果蝇的睡眠调节能力明显减弱，揭示 Clk uORFs 在环境节律同步中的重要作用（图 2C）。

图 1 Clock uORF精细调控CLOCK 翻译。（A）uORFs富集于节律相关基因；（B）Clock 基因拥有高度保守的 uORFs；（C）Clock uORFs显著降低其翻译效率；（D）CRISPR-Cas9敲除Clock uORFs；Clock uORFs删除导致 CLOCK 的积累（E）和节律周期长度的缩短（F）

图 2 Clock uORF影响果蝇睡眠等生理过程。（A）Clock uORFs缺失促进果蝇睡眠增加；（B）多巴胺信号通路参与突变体睡眠异常；（C）Clock uORFs缺失突变体在模拟季节变换的实验中睡眠调节的能力明显减弱；（D） Clock uORFs缺失导致果蝇后代数目、饥饿抗性等适应性指标下降

从时钟到全身：uORFs调控作用广泛而深远。除了节律与睡眠行为的变化，转录组测序结果显示，Clk uORFs 缺失还引发了包括代谢与生殖在内的多个生理通路改变。进一步行为实验发现，该突变株果蝇产卵量与后代数量减少，抗饥饿能力下降图 (图 2D)，提示 uORFs 的翻译调控作用远超单一节律功能，而是深入参与多层级生理稳态的维系。这些结果表明，uORFs 并非简单的“翻译开关”，凸显其作为适应环境变化、在不改变基因转录水平情况下调控蛋白合成的精密模块功能（图 3）。

图 3 Clock uORF通过调控CLOCK翻译影响果蝇节律及睡眠的模式图

综上所述，本研究系统性揭示了 uORFs 在果蝇核心节律基因中的调控功能，不仅丰富了昼夜节律调控的分子层级图谱，也为未来探索 uORF 在哺乳动物、甚至人类睡眠障碍中的潜在作用提供了坚实基础。随着 uORFs 在神经调控、代谢稳态及疾病机制等领域研究的不断深入，这一“隐藏在起点之前”的翻译密码，有望成为解码生命节律调控新机制的关键钥匙。

华中科技大学生命科学与技术学院张珞颖教授和北京大学生命科学学院陆剑教授为该论文的共同通讯作者，北京大学生命科学学院已毕业博士研究生孙元强（现山东第一医科大学附属皮肤病医院博士后）、华中科技大学已出站博士后税珂（现华中农业大学生物医学与健康学院副研究员）为该论文的共同第一作者，清华大学基础医学院倪建泉教授对该论文做出了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部、北京市自然科学基金委等机构的项目支持。

原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003173