NMD机制及其对人类遗传病的治疗意义

无义介导的mRNA降解机制(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)是真核细胞内重要的RNA质量监控机制,能够识别并降解含有提前终止子(premature termination codon,PTC)的mRNA,避免细胞内积累有害的截短蛋白质产物。同时,NMD机制还调控着大量不含PTC的mRNA稳定性,影响其蛋白质产物的含量。现综述了NMD机制的底物、调控因子及其对人类遗传病治疗意义的最新研究进展。     

SMG1-UPF1-eRF1-eRF3复合体参与贾第虫无义介导的mRNA降解激活

无义介导的mRNA降解（NMD）是一种重要的真核生物mRNA质量监控途径。NMD可识别并降解含有提前终止密码子（PTC）的异常mRNA（PTC-mRNA）。但NMD途径对PTC-mRNA的识别和降解机制尚无阐明。蓝氏贾第虫（Giardia lamblia）是一种寄生性的原生动物,进化上处于真核生物基部,对其NMD途径的研究有利于了解NMD途径的机制与进化。本研究通过双分子荧光互补实验、酵母双杂交实验和体外pull-down实验,分析了贾第虫的UPF1 (GlUPF1)、SMG1 (GlSMG1)和肽链释放因子（GleRF1、GleRF3）之间的相互作用关系。结果表明,贾第虫的肽链释放因子都能够与GlUPF1发生相互作用,且GlUPF1的CH结构域与GleRF3能够形成较稳定的复合体,而GlSMG1的激酶结构域PIKK能与UPF1的C端和N端结构域相互作用。进一步研究证实,GlSMG1的PIKK结构域能使GlUPF1两种截短体GlUPF1（1~500 aa）和GlUPF1（501~1 304 aa）发生磷酸化修饰,说明GlUPF1 的N端和C端均有GlSMG1的磷酸化位点。进一步分析证实,T111是GlUPF1上的1个磷酸化位点。我们的研究结果表明,贾第虫NMD途径起始阶段,首先在mRNA的PTC处的核糖体上形成SMG1-UPF1-eRF1-eRF3(SURF)复合体,并且GlSMG1磷酸化修饰GlUPF1,由此激活NMD途径,可能招募XRN1和SKI7d等酶参与无义mRNA的降解。     

无义介导的mRNA降解机制及其在单基因遗传病中的作用

无义介导的mRNA降解(Nonsense-mediated mRNA decay,NMD)是一种广泛存在于真核生物细胞中的mRNA质量监控机制。该机制通过识别和降解含有提前终止密码子(Premature translational-termination codon,PTC)的转录产物防止有潜在毒性的截短蛋白的产生。据估计,约1/3的遗传性疾病是由提前终止密码子引起的,而NMD作用通常会改变某些遗传病的临床症状或遗传方式。文章主要综述了人体细胞中NMD对底物的识别及其作用机制,并以几种单基因遗传病为例探讨其对这些疾病表型的影响,表明NMD作用机制的进一步揭示将有助于单基因遗传病发病机制的阐明及治疗方法的改进。     

蓝氏贾第虫无义mRNA的降解

无义介导的mRNA降解途径（nonsense-mediated mRNA decay,NMD）作为细胞内的一种重要的mRNA质量监控机制,可以降解含有提前终止密码子（premature termination codon,PTC）的异常转录本,从而避免截短蛋白质对细胞的毒害,但其详细的分子机制有待进一步阐释。蓝氏贾第虫（Giardia lamblia)作为一种寄生性单细胞原生动物,进化地位特殊,对其NMD途径的研究有利于阐明基因表达调控的分子和进化机制。本研究通过酵母双杂交及体外pull-down实验分析了贾第虫NMD途径因子上游移码蛋白1(Giardia lamblia up-frameshift 1,GlUPF1)、贾第虫RNA结合蛋白（Giardia lamblia HRP1, GlHRP1）、贾第虫核糖核酸外切酶（Giardia lamblia Ski7p,GlSki7p、Giardia lamblia XRN1,GlXRN1）之间的相互作用关系。结果表明,GlUPF1全长与GlHRP1、GlXRN1(1~500 aa)、GlSki7p间均可发生相互作用。而且GlUPF1的CH结构域和C端结构域分别与GlHRP1、GlXRN1（1~500 aa）、GlSki7p相互作用。说明GlUPF1在贾第虫NMD途径中作为招募平台,在无义mRNA识别和降解过程中发挥重要作用。为此,结合本实验室之前的研究结果,我们提出原生动物贾第虫的NMD途径：在提前终止密码子处SURF(SMG1-UPF1-eRF1-eRF3)复合物形成后,GlUPF1被磷脂酰肌醇3-激酶(suppressor with morphogenetic effect on genitalia 1,SMG1)磷酸化修饰, NMD途径激活,随后GlUPF1与HRP1相互作用,将转录本标记为NMD底物;GlUPF1进而招募下游贾第虫5′-3′核糖核酸降解酶GlXRN1、贾第虫3′-5′ 核糖核酸降解因子GlSki7p,最终降解靶标mRNA。     

PTC下游翻译的重新起始导致NMD途径的逃逸

无义突变介导的mRNA降解（nonsense mediated mRNA decay, NMD）途径是真核生物体内一种重要的mRNA监督质控机制, 它降解含有由无义突变、错误剪接、移码突变等产生的提前终止翻译密码子（premature translation termination codon, PTC）的mRNA, 从而防止这种mRNA翻译产生的截短型蛋白质对机体造成的伤害. 研究发现, 一些含有PTC的mRNA发生了NMD途径逃逸, 但具体机制仍不清楚.本研究将成视网膜细胞瘤基因1 (retinoblastoma gene 1, RB1)作为NMD途径的靶基因, 构建mini-RB1基因,包括外显子1～14(cDNA)、内含子14 外显子15 内含子15和外显子16～27(cDNA) 的三部分序列, 将其构建到真核表达载体pcDNA 3.1(-)中.根据人类基因组突变数据库选择3个突变位点W99X、G310X和R467X, 构建相应无义突变体.分别将mini RB1基因野生型和无义突变体转入HeLa细胞进行表达.用qRT-PCR检测发现, W99X无义突变体与野生型相比mRNA的水平无显著差异.为了进一步证实mini- RB1（W99X）发生了NMD逃逸, 利用NMD途径抑制剂放线菌酮和转录抑制剂放线菌素D, 分别处理转入野生型的mini RB1基因及其无义突变体mini-RB1（W99X）的哺乳动物细胞, 发现mini-RB1基因无义突变体的mRNA水平与野生型无明显差异, 说明含有W99X无义突变的mini-RB1基因的mRNA发生了NMD逃逸.Western印迹检测mini-RB1基因的蛋白质表达发现, 在无义突变位点W99X下游重新起始了蛋白质的翻译, 因此,PTC下游蛋白质翻译的重新起始可能是导致无义mRNA逃逸NMD途径监控的主要原因.     

真核细胞中无义介导的mRNA降解

无义介导的mRNA降解(NMD)作为一种有效的细胞监控机制,主要监测细胞转录产物的提前终止密码子(PTC),并使得含有PTC的mRNA被迅速降解,从而防止其被翻译成为缺陷性的蛋白质.尽管NMD具有一定的保守性,但在酵母、哺乳动物以及后来的果蝇细胞中都发现有所不同.目前对于NMD的研究已进入了结构领域并发现它与端粒调控和RNAi等机制相互关联.     

NMD逃逸机制及其在疾病治疗中的应用

无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay, NMD)是指在病理或正常生理情况下mRNA上出现了提前终止密码子(premature termination codon, PTC),从而导致mRNA降解。它是一种广泛存在的mRNA质量监控机制。近年来,在多种疾病中发现某些PTC并未触发NMD,这种现象被称为NMD逃逸(NMD escape),然而其确切机制尚不十分清楚。目前公认的两个学说为:(1) PTC通读,即蛋白的翻译可以顺利通过PTC直至正常的终止密码子,产生全长蛋白;(2)翻译的重新启动,即蛋白翻译在PTC下游的潜在起始点重新开始直至终止密码子,产生N端截短蛋白。目前,通过利用PTC通读,越来越多的药物或小分子已被成功用于无义变异相关疾病的治疗。本文主要综述了NMD逃逸的机制及其在疾病治疗中的应用和进展,以期为进一步了解NMD逃逸及其相关应用概况提供参考。     

mRNA 的无义介导降解

无义介导的mRNA衰变（NMD）选择性地迅速降解含有提前终止密码子的mRNA,保护机体免于截短蛋白质产生的有害效应,是真核细胞广泛存在的保守的mRNA监视机制,有重要生物学意义。关于其基本机制目前提出了一些模型。     

PTC下游翻译重启导致NMD途径的逃逸

无义突变介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)途径是真核生物体内一种重要的mRNA监督质控机制,它降解含有由无义突变、错误剪接、移码突变等产生的提前终止翻译密码子(premature translation termination codon,PTC)的mRNA,从而防止这种mRNA翻译产生的截短型蛋白质对机体造成的伤害.研究发现,一些含有PTC的mRNA发生了NMD途径逃逸,但具体机制仍不清楚.本研究将成视网膜细胞瘤基因1(retinoblastoma gene 1,RB1)作为NMD途径的靶基因,构建mini-RB1基因,包括外显子1~14(c DNA)、内含子14-外显子15-内含子15和外显子16~27(c DNA)的三部分序列,将其构建到真核表达载体pc DNA 3.1(-)中.根据人类基因组突变数据库选择3个突变位点W99X、G310X和R467X,构建相应无义突变体.分别将mini-RB1基因野生型和无义突变体转入He La细胞进行表达.用qRT-PCR检测发现,W99X无义突变体与野生型相比mRNA的水平无显著差异.为了进一步证实mini-RB1(W99X)发生了NMD逃逸,利用NMD途径抑制剂放线菌酮和转录抑制剂放线菌素D,分别处理转入野生型的mini-RB1基因及其无义突变体mini-RB1(W99X)的哺乳动物细胞,发现mini-RB1基因无义突变体的mRNA水平与野生型无明显差异,说明含有W99X无义突变的mini-RB1基因的mRNA发生了NMD逃逸.Western印迹检测mini-RB1基因的蛋白质表达发现,在无义突变位点W99X下游重新起始了蛋白质的翻译,因此,PTC下游蛋白质翻译的重新起始可能是导致无义mRNA逃逸NMD途径监控的主要原因.     

八肋游仆虫NMD通路的初步研究

无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)是一种重要的mRNA质量监测机制,可以识别和降解含有提前终止密码子(premature termination codons,PTCs)的异常转录本,但其详细的分子机制还没有完全阐释清楚。纤毛虫是真核生物进化最早的一个分支,对其NMD途径的研究有助于阐明高等生物基因表达调控的进化与分子机制。该研究从纤毛虫八肋游仆虫(Euplotes octocarinatus)基因组中鉴定并克隆得到NMD因子EuUPF1、EuUPF2、EuY14a、EuY14b和EuMAGO的基因。酵母双杂交和体外pull-down实验分析证实了各因子间的相互作用关系:EuUPF1的CH结构域与EuUPF2的C-端结构域相互作用;Y14的两个同源体(paralogs)EuY14a和EuY14b,作为mRNA结合蛋白,均与EuMAGO发生相互作用,形成真核生物mRNA外显子连接复合体(exon-exon junction complex,EJC)的核心。一方面,EuUPF1的CH结构域与EuY14a直接相互作用,结合到异常mRNA上;另一方面,EuUPF1可以通过EuUPF2与EuMAGO相互作用,后者再与EuY14a和EuY14b相互作用,把EuUPF1锚定到异常mRNA上。总之,EuUPF1通过两种方式结合在mRNA上,招募各种核酸酶,降解异常的mRNA。因为游仆虫基因组中内含子含量低于高等真核生物,而又远高于酵母真菌,因此研究者认为,依赖EJC和不依赖EJC的两种NMD途径可能共存于游仆虫细胞中,但这两种NMD途径具体的分子机制有待深入研究。     

CK2-mediated TEL2 phosphorylation augments nonsense-mediated mRNA decay (NMD) by increase of SMG1 stability

Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is the best-characterized mRNA surveillance mechanism that degrades a premature-termination codon (PTC)-containing mRNA. During mammalian NMD, SMG1 and UPF1, key proteins in NMD, join at a PTC and form an SMG1–UPF1–eRF1–eRF3 (SURF) complex by binding UPF1 to eRF3 after PTC-recognition by the translating ribosome. Subsequently, UPF1 is phosphorylated after UPF1–SMG1 moves onto the downstream exon junction complex (EJC). However, the cellular events that induce UPF1 and SMG1 complex formation and increase NMD efficiency before PTC recognition remain unclear. Here, we show that telomere-maintenance 2 (TEL2) phosphorylation by casein-kinase 2 (CK2) increases SMG1 stability, which increases UPF1 phosphorylation and, ultimately, augments NMD. Inhibition of CK2 activity or downregulation of TEL2 impairs NMD. Intriguingly, loss of TEL2 phosphorylation reduces UPF1-bound PTC-containing mRNA and the formation of the SMG1–UPF1 complex. Thus, our results identify a new function of CK2-mediated TEL2 phosphorylation in a mammalian NMD.     

Selective destabilization of polypeptides synthesized from NMD-targeted transcripts

The translation of mRNAs that contain a premature termination codon (PTC) generates truncated proteins that may have toxic dominant negative effects. Nonsense-mediated decay (NMD) is an mRNA surveillance pathway that degrades PTC-containing mRNAs to limit the production of truncated proteins. NMD activation requires a ribosome terminating translation at a PTC, but what happens to the polypeptides synthesized during the translation cycle needed to activate NMD is incompletely understood. Here, by establishing reporter systems that encode the same polypeptide sequence before a normal termination codon or PTC, we show that termination of protein synthesis at a PTC is sufficient to selectively destabilize polypeptides in mammalian cells. Proteasome inhibition specifically rescues the levels of nascent polypeptides produced from PTC-containing mRNAs within an hour, but also disrupts mRNA homeostasis within a few hours. PTC-terminated polypeptide destabilization is also alleviated by depleting the central NMD factor UPF1 or SMG1, the kinase that phosphorylates UPF1 to activate NMD, but not by inhibiting SMG1 kinase activity. Our results suggest that polypeptide degradation is linked to PTC recognition in mammalian cells and clarify a framework to investigate these mechanisms.     

Mechanism and regulation of the nonsense-mediated decay pathway

The Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pathway selectively degrades mRNAs harboring premature termination codons (PTCs) but also regulates the abundance of a large number of cellular RNAs. The central role of NMD in the control of gene expression requires the existence of buffering mechanisms that tightly regulate the magnitude of this pathway. Here, we will focus on the mechanism of NMD with an emphasis on the role of RNA helicases in the transition from NMD complexes that recognize a PTC to those that promote mRNA decay. We will also review recent strategies aimed at uncovering novel trans-acting factors and their functional role in the NMD pathway. Finally, we will describe recent progress in the study of the physiological role of the NMD response.