真核生物无义介导的mRNA降解与肿瘤关系的研究进展

研究发现任何错误剪接、移码、插入等基因突变都可能引入含有提前终止密码子(premature termination codon,PTC)的转录产物,将导致翻译提前终止而产生无生物活性甚至毒害性截短蛋白(truncated proteins)。而无义介导的mRNA的降解(nonsensemediated m RNA decay,NMD)作用机制在基因转录及转录后加工过程中选择性地迅速降解含有提前终止密码子的mRNA,避免产生对细胞正常生理功能有害的截短蛋白,真核生物NMD是转录后m RNA监控的重要环节。肿瘤的发生发展与相应基因的表达有关,NMD可以降解含有PTC的mRNA,学者们认为抑制NMD后肿瘤中某些基因的表达上调,而上调的基因或许在肿瘤的发生发展中其抑癌基因的作用,故学者们抑制肿瘤中NMD后进行测序筛选发生无义突变的抑癌基因。     

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.     

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.     

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。     

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.     

无义介导的mRNA降解(NMD)

无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD）作为真核细胞中重要RNA监控机制,识别并降解开放阅读框中含有提前终止密码子（premature termination codon,PTC）的mRNA,以避免因截短的蛋白产物积累对细胞造成毒害. NMD还调控正常生理基因的表达,暗示其在真核细胞中扮演重要角色. NMD途径的关键是PTC的识别.本文通过3种模型来分别阐述发现于哺乳动物、酵母等不同有机体的识别机制.通常由NMD因子UPF1（up-frameshift）等被招募至含PTC的mRNA上,借助这些因子组装形成“功能复合体”并激活降解.但目前对于PTC识别后的过程仍认识有限,本文通过综述NMD途径的分子机制以更好地理解其生物学意义.     

真核生物细胞中的无义介导mRNA降解机制

真核生物细胞具有不同的机制用于监视转录本的准确性以保证翻译产物的完整性与正确性．无义介导mRNA降解(NMD)的作用对象主要是由于编码氨基酸的密码子突变为终止密码子,而使翻译提前终止的无义mRNA,其降解方式是直接进行5′端脱帽和5′→3′方向的水解。     

NMD作用的顺式调控元件

真核生物利用无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay,NMD),对含有提前终止密码子(premature termination codons,PTC)的异常转录产物进行快速清除,防止毒害性截短蛋白(truncatedproteins)的产生,是真核生物重要的mRNA监视机制。NMD作用的启动与多种顺式调控元件有关,它们包括：提前终止密码子的标识;PTC下游特定位置的序列元件,在酵母细胞称为DSE(downstream sequence element,DSE),在哺乳动物细胞主要为内含子剪接依赖性序列元件(exon-exon junction,EEJ);稳定作用元件(stabilizer elements,STE)对NMD作用的阻抑调节;以及其他与NMD作用相关的序列,如poly(A)延长、5’-UTR的uORF(upstream open reading frame,uORF)和程序化核糖体移码(programmed-1 ribosomal frameshift,-1PRF)信号序列等。NMD途径中的这些顺式调控元件可能是分子遗传调控的关键靶点。     

一种新的Srrm1/SRm160可变剪接体经历无义突变介导的mRNA降解

目的:研究基因Srrm1/SRm160的可变剪接。方法:应用RT-PCR研究Srrm1/SRm160的可变剪接,通过蛋白质的翻译抑制和RNA干扰研究剪接异构体是否经历无义突变介导的mRNA降解(NMD)过程。结果:获得Srrm1/SRm160新的可变剪接异构体,该异构体产生提前终止密码子,翻译抑制和RNA干扰证实含有提前终止密码子的剪接体经过NMD而降解。结论:Srrm1/SRm160通过可变剪接和NMD调节自身的表达水平,作为剪接因子进一步调节其他基因的可变剪接。     

嗜热四膜虫腺苷三磷酸结合盒转运蛋白ABCC10基因的可变剪切分析

哺乳动物中腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABCT)可通过可变剪切产生多种转录本,其中含有提前终止密码子(premature terminal codon,PTC)的转录本还可与无义介导的mRNA降解通路(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)作用来调节蛋白的相关功能,但这些现象尚未在低等生物的ABCT研究中发现.该文以单细胞原生动物——嗜热四膜虫为对象,利用转录组数据发现ABCC10基因存在可变剪切,并产生两条转录本(SV1和SV2),其中SV2在第五个内含子处发生内含子保留事件,这段长49bp的序列使SV2发生移码并产生PTC.在构建NMD通路中关键因子UPF1基因的嗜热四膜虫敲降株的基础上,利用实时荧光定量PCR方法检测SV2的转录情况.结果显示:含有PTC的转录本SV2在UPF1敲降株中的转录水平相对于野生型显著增加,说明SV2可被NMD通路降解.这与高等动物中某些ABCC蛋白通过可变剪切引入含PTC转录本,并能被NMD降解的方式一致,推测该方式在真核生物中十分保守,并在真核生物的共同祖先(the last eukaryotic common ancestor)中就已形成.     

Nucleosome deposition and DNA methylation may participate in the recognition of premature termination codon in nonsense-mediated mRNA decay

In non-mammalian eukaryotes, an abnormally long 3′ untranslated region (UTR) is generally thought to be the definitive signal in the recognition of a premature termination codon (PTC) in nonsense-mediated mRNA decay (NMD). However, because the lengths of 3′ UTRs in normal mRNAs are widely distributed, “abnormally long” is hard to define. Distinct peaks of nucleosome deposition and DNA methylation have recently been found at coding region boundaries. We propose that nucleosomes and DNA methylation just upstream of a normal stop codon are ideal indicators for the position of a normal stop codon and may thus serve as signals in PTC recognition.     

Upf1 stimulates degradation of the product derived from aberrant messenger RNA containing a specific nonsense mutation by the proteasome

Aberrant messenger RNAs containing a premature termination codon (PTC) are eliminated by the nonsense‐mediated mRNA decay (NMD) pathway. Here, we show that a crucial NMD factor, up frameshift 1 protein (Upf1), is required for rapid proteasome‐mediated degradation of an aberrant protein (PTC product) derived from a PTC‐containing mRNA. Western blot and pulse–chase analyses revealed that Upf1 stimulates the degradation of specific PTC products by the proteasome. Moreover, the Upf1‐dependent, proteasome‐mediated degradation of the PTC product was also stimulated by mRNAs harbouring a faux 3′ untranslated region (3′‐UTR). These results indicate that protein stability might be regulated by an aberrant mRNA 3′‐UTR.     

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.