《Journal of Molecular Biology》：Standing on the Shoulders of Giant Ribosomes: UPF1-dependent Surveillance of Translation Dynamics to Proteostasis
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UPF1作为多功能核糖体相关质量控制因子，通过ATP水解驱动mRNA surveillance，不仅介导含提前终止密码子mRNA的降解，还参与翻译动态调控、新生多肽质量控制及异常蛋白聚集体靶向。其功能拓展显著影响细胞稳态与疾病发生，如囊性纤维化与肌萎缩侧索硬化症。
Heeju Park | Chunghun Lim
韩国蔚山国家科学技术研究院生物科学系，蔚山 44919
摘要
Up-frameshift 1 (UPF1) 最为人所知的是作为无义介导的mRNA降解（NMD）的关键因子，这是一种保守的监控机制，用于降解含有过早终止密码子（PTCs）的mRNAs。ATP依赖的RNA解旋酶UPF1被招募到在PTCs处终止的核糖体上，并触发mRNA的降解。通过这种方式，典型的NMD能够在翻译的初始阶段迅速消除有缺陷的转录本，从而限制潜在有害多肽的积累。然而，从酵母到哺乳动物的新证据表明，UPF1的活性不仅仅局限于简单降解含有PTCs的mRNAs。最近的研究将UPF1与正在翻译的核糖体联系起来，将翻译动态与mRNA监控、新生多肽的共翻译质量控制以及异常翻译产物的聚集体靶向联系起来。这些超出典型NMD功能的UPF1作用日益被认为是维持细胞稳态的重要因素。本文综述了UPF1如何与核糖体相互作用以影响翻译动态，并协调mRNA底物和异常翻译产物的质量控制。我们进一步讨论了这些核糖体耦合活动对细胞生理学和疾病的多方面影响。
引言
真核细胞进化出了复杂的监控机制，以确保在整个解码过程中基因表达的准确性。其中最关键的质量控制途径之一是无义介导的mRNA降解（NMD），它将翻译与mRNA的周转联系起来，选择性地降解含有过早终止密码子（PTCs）的mRNAs。NMD的核心是ATP依赖的RNA解旋酶UPF1，这是一种在四十年前通过酵母遗传筛选发现的抑制移码突变的蛋白质，它在多种真核生物中对于NMD是必不可少的。实际上，UPF1还参与了多种RNA周转途径（例如，Staufen介导的mRNA降解、组蛋白mRNA降解、糖皮质激素受体介导的降解、microRNA降解）。因此，UPF1靶向多种生理mRNAs，根据发育和环境信号来塑造细胞转录组。
自其被发现以来，密集的生化、结构和遗传学研究表明，UPF1远不止是一个简单的RNA降解因子。在这篇综述中，我们全面介绍了UPF1作为一个多功能核糖体相关监控因子，在mRNA降解、翻译和蛋白质质量控制的交叉点发挥作用。我们首先描述了支持其显著功能多样性的UPF1结构架构，然后探讨了UPF1与核糖体之间的生化相互作用，以及核糖体相关UPF1在翻译各个方面的作用。最后，我们探讨了UPF1在共翻译蛋白质质量控制和聚集体靶向中的新兴非NMD功能，以及这些功能对人类疾病（如囊性纤维化和肌萎缩侧索硬化症）的影响。
UPF1功能域的整体组织
UPF1是一种在真核生物中表现出显著结构保守性的RNA解旋酶（图1）。UPF1蛋白具有典型的解旋酶结构，并包含额外的调控元件。N端是一个富含半胱氨酸和组氨酸残基的锌指区域（CH域），接着是中央解旋酶域，其中包含七个ATP酶和解旋酶基序，分布在两个类似RecA的结构中（RecA1和RecA2），以及C端富含丝氨酸-谷氨酰胺（SQ）的序列（图1）。
CH域：一个多功能调控模块，用于核糖体结合和RING相关E3连接酶活性
CH域是UPF1功能中最通用的模块之一。它通过与核糖体蛋白和终止/去帽因子的相互作用，提供了与翻译机制的主要接口。在酵母中，CH域对于与40S亚基蛋白Rps26的特异性相互作用是必需的。CH突变等位基因（如C62Y和C84S）在双杂交和体外实验中破坏了Upf1–Rps26的相互作用，但基本保持了40S亚基的结合。这些等位基因对应于
解旋酶核心：一个驱动翻译耦合RNA监控的ATP依赖性马达
解旋酶核心构成了UPF1的ATP驱动马达，将ATP水解与mRNP的方向性重塑耦合起来。UPF1是一种SF1B解旋酶，其催化核心包含两个类似RecA的结构域（通常称为1A和2A），它们夹住核苷酸结合口袋和RNA通道，而两个调控插入片段（1B和1C）从RecA1延伸出来。RecA1包含Q基序、Walker A（基序I）和催化Walker B/基序II元素，而RecA2则包含基序IV–VI。
SQ域：一个调控NMD效应因子招募的磷酸化中心
在后生动物中，UPF1的C端富含SQ的天然无序域包含多个SQ基序，这些基序是磷脂酰肌醇3-激酶相关蛋白激酶SMG1的主要磷酸化位点。如上所述，SQ尾部可以与解旋酶核心及其上游的低复杂性片段一起起到分子内约束作用。识别到PTC后，SMG1-UPF1-eRF1-eRF3（SURF）复合物会在终止的核糖体上组装，并招募外显子
UPF1与核糖体之间的生化相互作用
UPF1与核糖体的结合是其监控功能的一个基本方面。来自酵母的多个证据表明，NMD是在翻译过程中与核糖体结合的mRNPs上发生的，并且NMD中间体在多聚核糖体组分中富集。早期的酵母研究表明，Upf1与正在翻译的核糖体稳定结合。大量Upf1蛋白与多核糖体共沉淀
UPF1对一般翻译的影响
UPF1与核糖体的生化结合立即表明，UPF1可能通过调节核糖体功能来影响一般翻译。从删除了Upf1的酵母细胞中提取的样本显示，报告基因mRNA的翻译减少，每个mRNA上的核糖体数量减少，60S亚基在翻译起始阶段的结合效率降低。另一项体外重组研究表明，Upf1对翻译延伸、终止或核糖体没有可检测到的影响
UPF1对翻译延伸的影响
尽管UPF1传统上被认为是作用于过早翻译终止位点的因子，但来自酵母和脊椎动物系统的多项证据表明，UPF1实际上与正在延伸的核糖体处于功能接近的位置。与其说UPF1是一种通用的翻译抑制剂，不如说它能够与特定的80S核糖体状态相互作用，并判断编码区域的翻译效率，从而将延伸动态与mRNA监控和降解联系起来。如上所述，酵母
UPF1对阅读框移位的影响
UPF蛋白的历史名称“up-frameshift”暗示了NMD与阅读框错误之间的概念联系。最初从酵母中分离出的Upf突变体是弱抑制剂，它们增加了含有无义密码子和移码突变的mRNA的表达，因为当UPF1失活时，这些mRNA变得更加稳定。这些早期研究表明，Upf1（以及Upf2/Upf3）的缺失阻止了含有无义或移码突变的转录本的快速降解，从而增强了表型
UPF1对翻译终止的影响
一个重要的发现是UPF1在翻译终止效率中的作用，而不仅仅是通过mRNA降解来发挥作用。删除酵母Upf基因家族成员（即Upf1、Upf2或Upf3）可以稳定含有无义密码子的mRNAs，并产生强烈的无义抑制表型。遗传和生化分析表明，这些效应不能完全用mRNA丰度的增加来解释，这表明Upf因子
核糖体上翻译耦合的基因表达监控机制之间的相互作用
mRNA监控途径（如NMD、no-go降解（NGD）和非-stop降解（NSD）都是与翻译耦合的，并在不同的翻译状态下导致核糖体暂停或停滞（例如，在PTCs处核糖体解体效率低下；NSD底物的3’端核糖体暂停）。核糖体暂停随后可能增加核糖体碰撞的概率，这一点在内源性转录本上广泛存在的disome足迹中得到了证实，包括它们在起始位点附近的富集
结论
长期以来，UPF1一直被定义为专门负责NMD的因子，但过去十年这一观点得到了显著扩展。生化、结构和核糖体分析现在共同支持UPF1作为一个与核糖体结合的监控因子，其活性远超mRNA降解。在过早翻译终止过程中，UPF1可以通过与翻译终止因子合作来调节终止效率，并通过其ATP酶循环驱动终止后的核糖体回收
CRediT作者贡献声明
Heeju Park：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，软件应用，形式分析。Chunghun Lim：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国科学技术信息通信部资助的国家研究基金会（RS-2024-00339799, RS-2024-00408712）和KAIST（G04230043）的支持。
