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。