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。     

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。     

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。     

核糖体蛋白S26的研究进展

核糖体蛋白(ribosomal proteins,RPs)不仅在细胞内参与合成蛋白质,还具有多种核糖体外功能。核糖体蛋白S26(RPS26)位于核糖体小亚基,其功能障碍与多种疾病密切相关。近年来,有关RPS26的研究主要在参与核糖体装配等核糖体功能方面,以及参与无义介导的mRNA降解机制(nonsense-mediated mRNA decay,NMD)、直接或间接调控重要的抑癌基因p53表达等核糖体外功能方面。多篇报道证实RPS26基因突变可引起戴-布二氏贫血(Diamond-Blackfan anemia,DBA),而RPS26基因与Ⅰ型糖尿病的关系仍有争议。探索RPS26参与NMD机制在DBA发生中的作用有助于深入认识DBA发病机理,同时也可为完善SMaRT(spliceosome-mediated mRNA trans-splicing)技术等基因疗法提供帮助。此外,RPS26在癌症中的作用也值得进一步探索。     

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.     

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。