Abstract

Gene expression in human tissue has primarily been studied on the transcriptional level, largely neglecting translational regulation. Here, we analyze the translatomes of 80 human hearts to identify new translation events and quantify the effect of translational regulation. We show extensive translational control of cardiac gene expression, which is orchestrated in a process-specific manner. Translation downstream of predicted disease-causing protein-truncating variants appears to be frequent, suggesting inefficient translation termination. We identify hundreds of previously undetected microproteins, expressed from lncRNAs and circRNAs, for which we validate the protein products in vivo. The translation of microproteins is not restricted to the heart and prominent in the translatomes of human kidney and liver. We associate these microproteins with diverse cellular processes and compartments and find that many locate to the mitochondria. Importantly, dozens of microproteins are translated from lncRNAs with well-characterized noncoding functions, indicating previously unrecognized biology.

Keywords: ORF detection; circRNAs; dilated cardiomyopathy; heart failure; human heart; lncRNAs; microproteins; protein-truncating variants; ribosome profiling; short ORFs; titin; translational regulation; translatome

Interview

Im Mai erhielten Norbert Hübner, Sebastiaan van Heesch und ihr Team die Auszeichnung Paper of the Month. Wir haben mit Sebastiaan van Heesch über die ausgezeichnete Veröffentlichung gesprochen: 

Sie haben die Proteine im menschlichen Herzen untersucht. Wie viele Herzen haben Sie untersucht und woher kamen die?

Wir haben kleine Stückchen aus der linken Herzkammer von archiviertem Material verwendet, die wir von unseren vielen Kooperationspartnern erhalten haben, die das Material freundlicherweise mit uns geteilt haben. Das bedeutet, dass die Herzen aus verschiedenen Regionen der Welt kamen, aus den Niederlanden, Großbritannien, Deutschland und Australien. Insgesamt waren es 80 Herzen, von denen 65 von sehr kranken Herzpatienten kamen, die im Endstadium an einer Kardiomyopathie litten, bei denen die Herzkammer erweitert war. 15 Herzen kamen von gesunden Kontrollpatienten, das sind meist Spenderherzen von Unfallopfern, die dann doch nicht für eine Transplantation verwendet wurden und so der Forschung zugutekamen. 

Sie haben sehr viele sehr kleine Eiweiße / Proteine gefunden. Woher stammen diese?

Wir nennen diese Eiweiße auch Mikroproteine oder Mikropeptide und die hat vor uns noch niemand entdeckt. Sie gehen zurück auf Gene, die wir lange für „nicht-kodierend“ gehalten haben, d.h. wir dachten, dass die RNA, die von diesen Genen abgeschrieben wird, nicht in Eiweiße bzw. Proteine übersetzt wird. Und als wir genauer nachgeschaut haben, fanden wir das Gegenteil: Die Ribosomen, die die RNA in Protein übersetzen, binden an diese „nicht-kodierende RNA“ und übersetzen kleine Abschnitte in diese Mikroproteine.

Welche Rolle, glauben Sie, spielen diese kleinen Proteine?

Aufgrund ihrer geringen Größe scheinen diese kleinen Proteine dafür geeignet zu sein, mit größeren Proteinen oder gar Proteinkomplexen zu interagieren oder diese zu modifizieren und damit ihre Funktion zu beeinflussen. Bisher haben wir gefunden, dass viele dieser Mikroproteine an ganz verschiedenen Orten innerhalb oder sogar außerhalb der Zelle zu finden sind, der Hauptaufenthaltsort scheinen jedoch die Mitochondrien zu sein. In diesen so genannten „Kraftwerken der Zelle“ findet die Energiegewinnung der Zelle statt, ein essentieller Prozess für das Herz! Wenn es nicht genügend Energie hat, leiden die Herzzellen und können nicht ausreichend schlagen. Wir glauben, dass einige dieser neuentdeckten Mikroproteine den Energiegewinnungsprozess beeinflussen könnten, genau das untersuchen wir gerade genauer.

Glauben Sie, dass Ihre Erkenntnisse therapeutisch genutzt werden können?

Ja! Einige der von uns entdeckten Mikroproteine zeigen unterschiedliches Verhalten, je nachdem, ob sie aus gesundem oder krankem Herzgewebe stammen. Manche reagieren auch stark auf Stimuli von außen in der Zellkultur. Das ist extrem interessant, und wir beginnen, ihre Rolle immer besser zu verstehen, sogar auf der Einzelzellebene. Sobald wir genau wissen, was diese Mikroproteine tun und wie sie funktionieren, können wir ihr therapeutisches Potential ausloten. Wir können natürlich nicht alle hunderte neu entdeckten Mikroproteine daraufhin untersuchen. Deshalb ist es auch sinnvoll, dass wir den gesamten Katalog neuer Mikroproteine veröffentlicht haben, damit Forscherkolleg*innen aus aller Welt ebenfalls daran forschen können. Wir glauben, dass das die Geschwindigkeit, mit der unsere Entdeckungen zu neuen Therapien und zu Nutzen für Patientinnen und Patienten führt, enorm beschleunigt.  

Treten diese kleinen Proteine auch in anderen Organen auf?

Ja, das tun sie! Wir haben uns in unserer Studie auf das Herz konzentriert, aber wir haben auch andere Organe wie Leber und Niere angeschaut. Einige Mikroproteine kommen nur im Herzen vor, aber die meisten sind weit verbreitet und kommen in vielen menschlichen Geweben vor. Das erweitert die Bedeutung unserer Entdeckung und eröffnet die Möglichkeit, die Rolle der Mikroproteine in verschiedenen menschlichen Organen und auch Krankheiten zu untersuchen.