北京大学生命科学学院陆剑课题组揭示果蝇上游开放读码框的演化规律与补偿机制

2026年3月26日，生命科学学院、核糖核酸北京研究中心陆剑研究组在Nucleic Acids Research发表题为“The birth, death, and evolutionary compensation of uORFs in  Drosophila”的研究论文。针对上游开放读码框（upstream open reading frame, uORF）的演化动态及其对翻译调控的影响，研究选取果蝇作为模式生物，结合比较基因组学、核糖体图谱技术和群体遗传学方法，系统揭示了真核生物中uORF持续不断的“获得/丢失”周转过程，阐明了uORF的获得与丢失在演化中受到自然选择的精确调控，并发现uORF在基因内部存在演化补偿机制。该研究从演化层面揭示了uORF的得失动态与翻译活性之间的内在关联，提出了演化补偿机制作为维持翻译稳态的重要策略，为理解顺式调控元件的演化提供了新范式。

mRNA翻译是细胞内最重要的生理活动之一，其精确调控直接影响蛋白质的结构与功能。在真核生物中，uORF是位于mRNA 5′非翻译区（5′ UTR）的小型开放阅读框，通常通过占用或竞争核糖体来抑制下游主编码序列（CDS）的翻译，是基因组中最常见的转录后调控元件之一。先前研究表明，uORF在生物体发育过程中发挥关键作用，其翻译调控紊乱与多种人类疾病密切相关，包括癌症、神经纤维瘤、乳腺癌等；部分uORF还能响应环境应激，为生物体快速适应环境变化提供机制。近年来，uORF的翻译缓冲功能也受到关注，本课题组此前的研究发现在果蝇中，uORF能够稳定下游CDS的翻译效率，降低其在发育和物种分化过程中的波动（Sun et al., eLife, 2025），并进一步揭示了uORF通过动态调控昼夜节律核心基因CLOCK的翻译来调节睡眠与节律行为（Sun et al., PLoS Biology, 2025）。在更广泛的演化尺度上，课题组前期通过对478个真核生物物种的系统分析，揭示了uORF的分布受到有效群体大小和基因表达水平的共同影响，且uORF的起始密码子在演化中受到强烈的功能约束，而编码区则整体呈中性演化（Zhang et al., Nature Communications, 2021）。尽管uORF在真核生物中广泛存在且功能多样，但其在物种内部的演化动态——即uORF在物种间的获得与丢失规律、其与翻译活性的关系、以及生物体如何应对uORF的得失以维持基因表达稳态——仍是领域内尚未解决的重要问题。本研究通过对果蝇uORF演化历史的系统重建，首次揭示了uORF的“获得/丢失”的动态规律，为理解基因表达调控网络的演化机制提供了关键线索。

针对uORF的演化动态，研究基于27种昆虫的基因组比对，构建了uORF起始密码子（uATG）的获得与丢失图谱。结果显示，uATG的获得事件远超丢失，沿D. melanogaster谱系每百万年获得约504个、丢失约184个，呈现净获得趋势（图1）。但与中性区域（短内含子）比较发现，uATG在5′UTR中的密度显著低于中性预期，且92.08%的新生uORF变异在群体中频率低于5%。这表明绝大多数新uATG被纯化选择清除，仅极少数被固定，导致演化树末端呈现净获得占优势的表象。

图1：uORF在果蝇演化过程中的“获得/丢失”动态。A.由点突变导致的uATG获得与丢失的示意图；B.在D.melanogaster、D.simulans、D.yakuba和D.ananassae四个物种中推断出的uATG获得与丢失事件数；C.不同翻译证据强度的uORF在演化中的保守比例

针对翻译活性与演化保守性的关系，研究整合了果蝇21个样本的核糖体图谱数据。通过关联分析发现，演化上更保守的uORF具有更优化的Kozak序列和更高的翻译效率（图2），且在不同物种间翻译效率更稳定。同时，D.melanogaster特异性或偏好性表达的uORF与其下游CDS翻译效率的物种特异性降低显著相关。对Abd-B基因的解析进一步验证了D.melanogaster特异性uORF对CDS翻译的抑制效应，从功能层面证实了uORF的演化保留与其翻译调控功能之间的内在联系。

图2：保守uORF具有更高的翻译效率和优化的Kozak序列。A.果蝇21个样本中uORF翻译效率（TE）与分支长度得分（BLS）的相关性分析；B.雄性头部样本中uORF TE与BLS的相关性散点图；C. D.melanogaster与D.simulans间直系同源uATG的Kozak得分相关性分析；D.保守uORF与物种特异性uORF在D.melanogaster和D.simulans中的Kozak得分比较，保守uORF显著更高；E.果蝇21个样本中uORF TE与Kozak得分的相关性分析；F.雄性头部样本中保守uORF与物种特异性uORF的TE比较，保守uORF翻译效率显著更高

针对uORF的演化补偿机制，研究发现许多基因内部存在uATG先丢失后获得或先获得后丢失的成对事件。82个基因表现出“丢失-获得”补偿模式，231个基因表现出“获得-丢失”补偿模式，数量均显著高于随机预期（图3）。对1,356株果蝇自然群体的分析显示，新固定的uATG获得事件中适应性替换比例（α）为51.84%，uATG丢失事件中α高达82.07%，表明两者均受正选择作用（图3）。群体遗传学分析进一步刻画了中国群体中gry基因的uATG获得变异（频率0.93）和埃塞俄比亚群体中tefu基因的uATG丢失变异（频率0.84），表明uORF周转可能在局部适应中发挥作用。

图3：uORF演化补偿机制及其选择压力分析。A.uORF演化补偿模式示意图；B.uORF“丢失-获得”补偿的观测值与期望值比较；C.uORF“获得-丢失”补偿的观测值与期望值比较；D.不同类别uATG获得与丢失事件的渐近McDonald-Kreitman检验估计值（α）

综上，本研究以果蝇为研究对象，通过系统发育重建对uORF的“获得/丢失”动态进行了全面刻画；在基因组尺度上揭示了uORF的演化速率、翻译活性与自然选择之间的内在联系；首次提出了uORF演化的补偿机制，并通过功能实验证实其对翻译产出的重塑作用；在群体层面揭示了uORF周转在局部适应中的潜在功能。该研究加深了对真核生物基因表达调控演化的理解，为探究5′UTR在基因调控网络中的功能提供了新视角，也为人类疾病相关uORF变异的解析提供了演化生物学基础。值得注意的是，本研究发现uORF的获得速率普遍高于丢失速率，且uORF的演化远未达到静态平衡，而是处于持续的“获得/丢失”动态之中。这一发现说明，翻译调控网络并非已达到稳定状态，而是仍在不断演化中，为生物体适应环境变化提供了丰富的调控潜能。这一认识也为理解基因表达调控的演化可塑性提供了新的理论框架。

陆剑为本论文的通讯作者。北京大学生命科学学院博士研究生徐梦泽、已毕业博士生刘晨露为论文的共同第一作者。生命科学学院博士研究生金婉婷，已毕业博士生孙元强、段元格与博士后唐小鹿对本论文作出了重要贡献。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、云南西南联合研究生院科技项目等机构的支持。