在基因编辑小鼠模型中，5′UTR 与 3′UTR 的合理构建是调控目的蛋白表达水平的关键环节之一，却常在载体设计中被忽视。一个结构完整、序列适配良好的 UTR 区域，往往正是解决“蛋白表达量不足”这一常见难题的核心抓手。

 

mRNA 分子具有清晰的功能分区：5′端为 5′UTR，中间为编码区（CDS），3′端为 3′UTR。这两段非翻译区虽不编码氨基酸，却通过多种转录后调控机制，影响翻译起始的效率、整体蛋白合成速率以及 mRNA 的稳定性，从而在表达层面精细塑造目的蛋白的最终水平。

 

5'UTR：Kozak 序列与翻译起始调控

 

5'UTR位于起始密码子上游，主要负责调控翻译的起始效率、核糖体结合与起始，蛋白表达的时空特异性等。

 

在真核生物中，翻译起始依赖核糖体扫描机制，而 Kozak 序列正是帮助核糖体精准识别起始密码子的核心信号。

 

5'UTR功能具体包括：

 

1）引导核糖体定位起始位点

 

其含有的特征序列（如真核生物的 Kozak 序列）可作为定位信号，帮助核糖体快速精准识别编码区的起始密码子（AUG）。若Kozak序列突变或缺失，即使编码区完整，蛋白质合成也可能无法正常启动。

 

2）调控翻译启动

 

部分5'UTR 中含内部核糖体进入位点（IRES）等元件，可在细胞应激时绕过常规起始机制，直接招募核糖体启动翻译，保障必需蛋白质合成。

 

3）调节翻译速率

 

部分miRNA或调控蛋白结合位点，通过改变二级结构影响核糖体通过效率，进而调节翻译速率。

 

图源 Nature Reviews | Molecular Cell Biology

 

3'-UTR：polyA信号与mRNA 稳定性

 

3'-UTR位于终止密码子下游，主要负责调控mRNA的稳定性和降解速率。最关键元件是PolyA信号（经典序列AATAAA），决定mRNA是否被正确加尾。3′UTR 对稳定性的调控具有双向性：

 

1）调控 mRNA 稳定性

 

Poly(A) 尾可与结合蛋白协同形成保护结构，通常PolyA 尾越长，mRNA 对核酸酶降解的抵抗能力越强，在细胞内的半衰期越长，可被核糖体反复利用以翻译更多蛋白质。

 

与此相反，部分 mRNA 的 3'-UTR 中含有 AU 富集元件（ARE），作为mRNA快速降解的信号，常见于编码细胞因子、原癌基因产物等短效蛋白质的mRNA中，避免蛋白质过量积累引发细胞异常。

 

如何获取基因的5'-UTR和3'-UTR序列？

 

在构建基因编辑小鼠载体时，获取目标基因的UTR序列是第一步。

 

第一步，打开NCBI，输入基因名称或ID号查找

 

图源NCBI

 

第二步，进入对应基因的 RefSeq 页面，找到tools--序列查看（Sequence Text View）

图源NCBI

 

第三步，在序列视图中识别各部分：通常浅紫色为 UTR，红色为编码区，绿色为内含子，据此提取所需序列。

 

图源NCBI

 

在基因编辑小鼠构建中的应用

 

在基因编辑小鼠的载体设计中，UTR序列的正确使用直接影响目的基因的表达水平。5'UTR的Kozak序列需优化至强共识序列，以确保翻译起始效率；3'UTR的PolyA信号需完整保留，以保证mRNA的稳定性。

 

同时，根据实验需求，可选择性地保留或替换内源性UTR序列：若需高表达，可采用强效的异源3'UTR（如兔β-珠蛋白3'UTR）；若需模拟生理水平的精细调控，则应保留基因自身的UTR序列及其所含的调控元件。

 

参考资料：

[1]CALVO S E, PAGLIARINI D J, MOOTHA V K. Upstream open reading frames cause widespread reduction of mitochondrial protein expression[J]. Nature, 2009, 458(7235): 624-628.

[2]ASRANI K H, FARELLI J D, STAHLEY M R, et al. Optimization of mRNA untranslated regions for improved expression of therapeutic mRNA[J]. RNA Biology, 2018, 15(6): 756-762.

[3]SIDALI A, TEOTIA V, SOLAIMAN N S, et al. AU-rich element RNA binding proteins: at the crossroads of post-transcriptional regulation and genome integrity[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2021, 23(1): 96.

 

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