翻译终止

当核糖体遇到终止密码子或其他因素刺激后，翻译终止。那么，核糖体将从mRNA上分离，一条新生肽段将宣告合成完毕。

备注：当然，大部分肽段还需要后期的加工，形成高级三维结构，才能成为真正有功能的蛋白。但蛋白的丰度，大部分是由翻译这一步决定的。

图2 mRNA和核糖体结合的示意图

不同mRNA分子的翻译速率差异极大

另外，我们要摒弃1个mRNA分子同时只能合成一条肽段的想法。因此，正在翻译的mRNA分子，大部分时候同时被多个核糖体结合（如下图）。如果把1条mRNA看成一条流水线的话，这条流水线可不仅仅只有1个工人（核糖体），而且几个工人同步开工的。

图3 一条mRNA上可以同时结合多个核糖体

因此上，在细胞内部从mRNA到蛋白的过程，是个充满变数的过程，这一点早有不止一篇文献报道。如下图来源一篇nature文章的结果。

（1）如下图（a），蛋白半衰期中位数是46h，而mRNA仅仅为9h。

（2）在平均丰度上，来源一个基因的mRNA分子在一个细胞内拷贝数的中位数是17，而蛋白却高达50,000（图b）。

（3）在合成速率上，一个基因DNA分子平均一个小时仅仅可以合成数个mRNA分子（图c）。但蛋白合成却是踩足了油门，1个mRNA分子一个小时平均可以合成上百个蛋白分子，最高可以到上万（图d）。

PS：当然，这种丰度上的差异主要是因为细胞内核糖体复合物的数量要大大高于RNA聚合酶复合物（在大肠杆菌细胞中，核糖体的数量约为10,000~100,000个，而RNA聚合酶复合物的数量约为1,000~10,000）。因此，在单个RNA转录组和单个蛋白分子翻译速率相似的情况下，整个细胞水平的转录和翻译速率则有巨大差异。

图4 蛋白无论从半衰期、合成速率和分子数上与mRNA都存在数量级的差异。（SchwanhausserB, Busse D, Li N, et al. Nature, 2011, 473(7347): 337-342）

从这里我们可以看出，从mRNA到蛋白的翻译过程，还有大量变数。mRNA低丰度的基因，完全可以通过疯狂翻译产生大量蛋白分子，实现咸鱼翻身。mRNA高丰度的基因，如果在翻译阶段被踩一脚刹车，那么在蛋白阶段也可能跌入低谷。这就是翻译调控，可以在不改变转录丰度的前提下，快速应答从而改变蛋白的丰度。

在1个mRNA分子内部，翻译也不是匀速的

正如上文提到的，翻译有3个关键步骤，包括：翻译起始，翻译延伸和翻译终止。那么，如果一个mRNA一旦核糖体结合，是不是就意味着大局已定，宣告一条肽段即将合成了呢？No，依然有变数。

有实验推算，小鼠细胞中单个核糖体翻译蛋白的速率大概是6个氨基酸/秒（Cell147, 789–802, November 11, 2011），但这种速度并非是匀速的。在现实的公路中，车流顺畅的时候，公路上车流速度快但公路上反而显得车少。如果道路施工而导致拥堵，车流速度降低了而路上显得堵满了汽车。

在翻译过程中，我们也可以看到类似的现象。我们可以把mRNA看成公路，核糖体看成在mRNA这条“公路”上行驶的汽车。一般而言，在一个mRNA转录本内部，在翻译速度较快的密码子位置，核糖体快速扫过而较少停留，所以核糖体足迹较少（即ribo-seq信号弱）。

相反，出现核糖体翻译速率降低甚至暂停的区域，则核糖体足迹反而增多（ribo-seq信号强）。以下图小鼠基因Xbp1为例，核糖体在该基因上足迹明显呈波动变化。尤其在第256个氨基酸（天冬氨酸，Asn）的位置，出现了翻译暂停，所以核糖体足迹的信号骤然提高。

图5 现实公路与核糖体在小鼠基因Xbp1上翻译速率的波动变化

（Cell147, 789–802, November 11, 2011）

在不同基因内部，这种翻译速率变化的规律各不相同。另外，个体在不同的条件下（发育不同阶段、逆境胁迫、遗传背景差异），mRNA分子在翻译不同阶段（起始、延伸和终止）都可能会受不同因素的影响，从而导致整条mRNA链上的翻译速度发生不断变化。

在一些严重胁迫条件下，核糖体不但会在翻译延伸过程中暂停，甚至会从mRNA上中途脱落，从而导致特定蛋白的翻译量大大降低，从而在mRNA分子的丰度没有发生显著变化的情况下，蛋白的丰度却发生了剧烈的变化。

图6 在应激条件下，基因翻译延伸终止现象。

(a)热应激导致人和小鼠细胞在基因前200nt的位置出现翻译停滞（MolecularCell, 2013, 49(3): 439-452.）; (b)过氧化氢胁迫导致Ribosome在酵母前150nt阻塞。(PNAS,109(43), 17394-17399.)

小结一下

（1）根据中心法则，mRNA只是基因表达的中间步骤，蛋白才是最核心的功能性产物。

（2）转录组之后的调控，还有很大的变数。

在细胞内，mRNA的丰度与实际的翻译丰度间有很大差异。翻译的过程，包括了翻译起始、延伸和终止等复杂的过程，任何一个过程受到干扰和调控都会显著影响蛋白的丰度。

（3）如果条件许可，检测翻译丰度与检测转录组丰度同等重要，甚至更重要。

检测转录组丰度有RNA-seq，那么检测翻译丰度呢？则要使用Ribo-seq或RNC-seq。在后续文章，我们将会对这两个技术逐步开展重点介绍。

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