stringtranslate.com

Распад, вызванный бессмысленностью

Канонический путь NMD (у человека)

Нонсенс-опосредованный распад мРНК ( NMD ) — это путь наблюдения , который существует у всех эукариот . Его основная функция — уменьшение ошибок в экспрессии генов путем устранения транскриптов мРНК , содержащих преждевременные стоп-кодоны . [1] Трансляция этих аберрантных мРНК может в некоторых случаях приводить к вредному приобретению функции или доминантно-негативной активности полученных белков. [2]

NMD был впервые описан в клетках человека и дрожжах почти одновременно в 1979 году. Это предполагает широкую филогенетическую консервацию и важную биологическую роль этого интригующего механизма. [3] NMD был открыт, когда стало ясно, что клетки часто содержат неожиданно низкие концентрации мРНК, которые транскрибируются с аллелей, несущих бессмысленные мутации . [4] Бессмысленные мутации кодируют преждевременный стоп-кодон, который приводит к укорачиванию белка. Укороченный белок может быть функциональным или нет, в зависимости от серьезности того, что не транслируется. В генетике человека NMD имеет возможность не только ограничивать трансляцию аномальных белков, но и иногда может вызывать пагубные эффекты при определенных генетических мутациях. [5]

Функции NMD заключаются в регуляции многочисленных биологических функций в различных клетках, включая синаптическую пластичность нейронов, которая может формировать поведение взрослых людей. [6]

Путь

Хотя многие из белков, участвующих в NMD, не сохраняются между видами, в Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) есть три основных фактора в NMD: UPF1 , UPF2 и UPF3 ( UPF3A и UPF3B у людей), которые составляют консервативное ядро ​​пути NMD. [7] Все три этих фактора являются транс-действующими элементами, называемыми белками сдвига рамки считывания (UPF). У млекопитающих UPF2 и UPF3 являются частью комплекса экзон-экзонного соединения (EJC), связанного с мРНК после сплайсинга вместе с другими белками, eIF4AIII, MLN51 и гетеродимером Y14/MAGOH, которые также функционируют в NMD. Фосфорилирование UPF1 контролируется белками SMG-1, SMG-5, SMG-6 и SMG-7.

Процесс обнаружения аберрантных транскриптов происходит во время трансляции мРНК. Популярная модель обнаружения аберрантных транскриптов у млекопитающих предполагает, что во время первого раунда трансляции рибосома удаляет комплексы экзон-экзонных соединений, связанные с мРНК после сплайсинга. Если после этого первого раунда трансляции любой из этих белков остается связанным с мРНК, активируется NMD. Комплексы экзон-экзонных соединений, расположенные ниже стоп-кодона, не удаляются из транскрипта, потому что рибосома высвобождается, не достигнув их. Прекращение трансляции приводит к сборке комплекса, состоящего из UPF1, SMG1 и факторов высвобождения eRF1 и eRF3, на мРНК. Если EJC остается на мРНК из-за того, что транскрипт содержит преждевременный стоп-кодон, то UPF1 вступает в контакт с UPF2 и UPF3, запуская фосфорилирование UPF1 . У позвоночных расположение последнего комплекса экзон-соединение относительно терминирующего кодона обычно определяет, будет ли транскрипт подвергаться NMD или нет. Если терминирующий кодон находится ниже или в пределах примерно 50 нуклеотидов от конечного комплекса экзон-соединение, то транскрипт транслируется нормально. Однако, если терминирующий кодон находится дальше, чем примерно на 50 нуклеотидов выше любых комплексов экзон-соединение, то транскрипт подавляется NMD. [ 8] Затем фосфорилированный UPF1 взаимодействует с SMG-5, SMG-6 и SMG-7, которые способствуют дефосфорилированию UPF1. Считается, что SMG-7 является терминирующим эффектором в NMD, поскольку он накапливается в P-тельцах , которые являются цитоплазматическими участками для распада мРНК. Как в дрожжевых, так и в человеческих клетках основной путь распада мРНК инициируется удалением 5'-кэпа с последующей деградацией XRN1, ферментом экзорибонуклеазой. Другой путь деградации мРНК — деаденилирование от 3' до 5'.

В дополнение к общепризнанной роли NMD в удалении аберрантных транскриптов, существуют транскрипты, которые содержат интроны в своих 3'-нетранслируемых областях (UTR). [9] Предполагается, что эти сообщения являются мишенями NMD, однако они (например, белок, ассоциированный с цитоскелетом и регулируемый активностью, известный как Arc) могут играть важные биологические функции, что позволяет предположить, что NMD может иметь физиологически значимые роли. [9]

Молекулярные правила, регулирующие эффективность

NMD — это клеточный механизм, который разрушает мРНК, содержащие преждевременные терминирующие кодоны (PTC), которые могут возникать в результате мутаций. Комплексный анализ крупномасштабных наборов данных генетики и экспрессии генов позволил системно идентифицировать сложные правила, управляющие эффективностью NMD, и количественно оценить их относительную важность и размер эффекта. [10] Это показало, что эффективность NMD в распознавании и разрушении этих ошибочных транскриптов зависит от нескольких молекулярных особенностей:

  1. Модель EJC: Стандартная модель EJC утверждает, что NMD обычно запускается, когда PTC находится выше по течению от последнего комплекса экзонного соединения. Если PTC находится ниже по течению от последнего EJC, NMD часто неэффективен.
  2. Старт-проксимальный эффект: PTC, расположенные вблизи стартового кодона, могут уклоняться от NMD. Это уклонение связано с наличием нижестоящих внутрирамочных стоп-кодонов, которые могут позволить рибосоме обойти PTC и продолжить трансляцию.
  3. Длина экзона и расстояние до нормального стоп-кодона: Длинные экзоны и большие расстояния между PTC и нормальным стоп-кодоном связаны с неэффективным NMD. Это предполагает, что пространственная конфигурация мРНК может влиять на доступность машин NMD.
  4. Скорость оборота мРНК: Транскрипты с высокой скоростью оборота имеют тенденцию ослаблять эффекты NMD. Это означает, что мРНК, которые быстро разрушаются другими механизмами, могут не быть эффективно нацелены на NMD.
  5. Мотивы РНК-связывающего белка: Определенные мотивы РНК-связывающего белка вблизи PTC или внутри 3′UTR могут модулировать эффективность NMD. Эти мотивы могут либо усиливать, либо подавлять распознавание PTC механизмами NMD, в зависимости от их специфических взаимодействий с факторами NMD.

Мутации

Хотя бессмысленно-опосредованный распад мРНК уменьшает бессмысленные кодоны, могут происходить мутации, которые приводят к различным проблемам со здоровьем и заболеваниям у людей. Доминантно-негативная или вредная мутация с приобретением функции может возникнуть, если транслируются преждевременные терминирующие (бессмысленные) кодоны. NMD становится все более очевидным в том, как он изменяет фенотипические последствия из-за широкого способа, которым он контролирует экспрессию генов. Например, заболевание крови бета-талассемия наследуется и вызывается мутациями в восходящей области гена β-глобина. [11] У человека, несущего только один пораженный аллель, не будет или будет крайне низкий уровень мутантной мРНК β-глобина. Может возникнуть еще более тяжелая форма заболевания, называемая промежуточной талассемией или талассемией с «включенными тельцами». Вместо сниженных уровней мРНК мутантный транскрипт производит укороченные β-цепи, что, в свою очередь, приводит к клиническому фенотипу у гетерозиготы. [11] Мутации распада, вызванные нонсенс-опосредованными мутациями, также могут способствовать синдрому Марфана . Это расстройство вызвано мутациями в гене фибриллина 1 (FBN1) и является результатом доминантного отрицательного взаимодействия между мутантным и диким типом гена фибриллина-1. [11]

Регулирование иммуногенных антигенов, полученных в результате сдвига рамки считывания

NMD играет роль в регуляции иммуногенных антигенов, полученных в результате сдвига рамки считывания. Мутации со сдвигом рамки считывания часто приводят к образованию аберрантных белков, которые могут быть распознаны иммунной системой как неоантигены, особенно в раковых клетках. [12] Однако мутации со сдвигом рамки считывания часто приводят к трансляции внерамочного PTC, который может активировать NMD для деградации этих мутантных мРНК до того, как они будут транслированы в белки, тем самым снижая презентацию этих потенциально иммуногенных пептидов на поверхности клетки через молекулы HLA класса I. Эта модуляция иммуногенности означает, что неоантигены, полученные в результате сдвига рамки считывания, способствуют ответу на ингибирование иммунных контрольных точек только в том случае, если они возникают из-за мутаций в частях генома, которые не распознаются NMD. [13]

Исследовательские приложения

Этот путь оказывает существенное влияние на то, как гены транслируются, ограничивая количество экспрессии генов. Это все еще новая область генетики, но ее роль в исследованиях уже привела ученых к открытию многочисленных объяснений регуляции генов. Изучение распада, вызванного нонсенсом, позволило ученым определить причины некоторых наследственных заболеваний и дозовой компенсации у млекопитающих.

Наследственные заболевания

Ген проопиомеланокортина ( POMC ) экспрессируется в гипоталамусе, в гипофизе. Он производит ряд биологически активных пептидов и гормонов и подвергается тканеспецифической посттрансляционной обработке, чтобы произвести ряд биологически активных пептидов, продуцирующих адренокортикотропный гормон (АКТГ), b-эндорфин и a-, b- и c-меланоцитстимулирующий гормон (МСГ). [ необходима цитата ] Эти пептиды затем взаимодействуют с различными меланокортиновыми рецепторами (MCR) и участвуют в широком спектре процессов, включая регуляцию веса тела (MC3R и MC4R), надпочечниковый стероидогенез (MC2R) и пигментацию волос (MC1R). [14] Опубликовано в British Associations of Dermatologists в 2012 году, Lack of red hair phenotype in a North-African obesity child, homozygoted for a novel POMC null mutation, показало оценку РНК-распада, опосредованного нонсенсом, в химическом анализе пигмента волос. Они обнаружили, что инактивация мутации гена POMC приводит к ожирению, надпочечниковой недостаточности и рыжим волосам. Это наблюдалось как у людей, так и у мышей. В этом эксперименте они описали 3-летнего мальчика из Рима, Италия. Он был объектом внимания, потому что у него была болезнь Аддисона и раннее ожирение. Они собрали его ДНК и амплифицировали ее с помощью ПЦР. Анализ секвенирования выявил гомозиготную одиночную замену, определяющую стоп-кодон. Это вызвало аберрантный белок, а соответствующая аминокислотная последовательность указала точное положение гомозиготного нуклеотида. Замена была локализована в экзоне 3, а бессмысленная мутация — в кодоне 68. Результаты этого эксперимента убедительно свидетельствуют о том, что отсутствие рыжих волос у неевропейских пациентов с ранним началом ожирения и дефицитом гормонов не исключает возникновения мутаций POMC. [14] Секвенируя ДНК пациентов, они обнаружили, что эта новая мутация имеет набор симптомов из-за неправильного пути наблюдения за распадом мРНК, опосредованным бессмысленной мутацией.

Компенсация дозировки

Имеются доказательства того, что путь распада мРНК, опосредованный нонсенсом, участвует в компенсации дозы Х-хромосомы у млекопитающих. У высших эукариот с диморфными половыми хромосомами, таких как люди и плодовые мушки, у самцов одна Х-хромосома , тогда как у самок — две. Эти организмы выработали механизм, который компенсирует не только разное количество половых хромосом между двумя полами, но и разное соотношение Х/аутосома. [15] В этом исследовании по всему геному ученые обнаружили, что аутосомные гены с большей вероятностью подвергаются распаду, опосредованному нонсенсом, чем гены, сцепленные с Х-хромосомой. Это происходит потому, что NMD тонко настраивает Х-хромосому, и это было продемонстрировано путем ингибирования пути. Результаты показали, что сбалансированная экспрессия генов между экспрессией генов Х и аутосом была снижена на 10–15% независимо от метода ингибирования. Путь NMD смещен в сторону подавления экспрессии более крупных популяционных или аутосомных генов, чем сцепленных с Х-хромосомой. В заключение следует отметить, что полученные данные подтверждают точку зрения о том, что сочетание альтернативного сплайсинга и NMD является широко распространенным средством регуляции экспрессии генов. [15]

Разработка экспериментов CRISPR-Cas9

Значение NMD имеет важное значение при разработке экспериментов CRISPR-Cas9, особенно тех, которые направлены на инактивацию генов. [16] CRISPR-Cas9 вносит двухцепочечные разрывы, которые могут привести к вставкам или делециям (инделям), часто приводящим к мутациям со сдвигом рамки считывания и PTC. Если эти PTC находятся в регионах, которые запускают NMD, полученные мРНК будут быстро деградировать, что приведет к эффективному нокдауну генов. Однако, если PTC находятся в регионах, которые избегают NMD, мутантные мРНК могут транслироваться в укороченные белки, потенциально сохраняя частичную функцию и приводя к неполной инактивации генов. [13] [17] Таким образом, понимание и включение правил NMD в разработку одиночных направляющих РНК (sgRNA) имеет важное значение для достижения желаемых результатов в экспериментах CRISPR-Cas9. Такие инструменты, как NMDetective [13], могут предсказать вероятность возникновения НМЗ на основе местоположения ПТК, тем самым помогая разрабатывать более эффективные стратегии редактирования генов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бейкер К. Э., Паркер Р. (июнь 2004 г.). «Распад мРНК, опосредованный бессмысленностью: прекращение ошибочной экспрессии генов». Current Opinion in Cell Biology . 16 (3): 293–299. doi :10.1016/j.ceb.2004.03.003. PMID  15145354.
  2. ^ Chang YF, Imam JS, Wilkinson MF (2007). «Путь наблюдения за бессмысленным распадом РНК». Annual Review of Biochemistry . 76 : 51–74. doi : 10.1146/annurev.biochem.76.050106.093909. PMID  17352659. S2CID  2624255.
  3. ^ Кулозик А. "Исследовательский фокус 1: Нонсенс-опосредованный распад (NMD)". Molecular Medicine Partnership Unit . University of Heidelberg. Архивировано из оригинала 2016-11-17 . Получено 2014-11-17 .
  4. ^ Sharma J, Keeling KM, Rowe SM (август 2020 г.). «Фармакологические подходы к нацеливанию на бессмысленные мутации кистозного фиброза». European Journal of Medicinal Chemistry . 200 : 112436. doi : 10.1016/j.ejmech.2020.112436. PMC 7384597. PMID 32512483  . 
  5. ^ Holbrook JA, Neu-Yilik G, Hentze MW, Kulozik AE (август 2004 г.). «Распад, опосредованный нонсенсом, приближается к клинике». Nature Genetics . 36 (8): 801–808. doi :10.1038/ng1403. PMID  15284851. S2CID  23188275.
  6. ^ Notaras M, Allen M, Longo F, Volk N, Toth M, Li Jeon N и др. (декабрь 2020 г.). «UPF2 приводит к деградации дендритно-направленных мРНК для регулирования синаптической пластичности и когнитивной функции». Молекулярная психиатрия . 25 (12): 3360–3379.  doi : 10.1038 /s41380-019-0547-5 . PMC 7566522. PMID 31636381. S2CID  204812259. 
  7. ^ Behm-Ansmant I, Izaurralde E (февраль 2006 г.). «Контроль качества экспрессии генов: пошаговый путь сборки для комплекса надзора, который запускает бессмысленно-опосредованный распад мРНК». Genes & Development . 20 (4): 391–398. doi : 10.1101/gad.1407606 . PMID  16481468.
  8. ^ Льюис Б. П., Грин Р. Э., Бреннер С. Э. 2003. Доказательства широко распространенной связи альтернативного сплайсинга и бессмысленно-опосредованного распада мРНК у людей. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 100:189-192. doi:10.1016/j.bbrc.2009.04.021
  9. ^ ab Bicknell AA, Cenik C, Chua HN, Roth FP, Moore MJ (декабрь 2012 г.). «Интроны в UTR: почему мы должны прекратить их игнорировать». BioEssays . 34 (12): 1025–1034. doi : 10.1002/bies.201200073 . PMID  23108796. S2CID  5808466.
  10. ^ Lindeboom RG, Supek F, Lehner B (октябрь 2016 г.). «Правила и влияние бессмысленно-опосредованного распада мРНК на раковые заболевания человека». Nature Genetics . 48 (10): 1112–1118. doi :10.1038/ng.3664. PMC 5045715 . PMID  27618451. 
  11. ^ abc Frischmeyer PA, Dietz HC (1999). «Распад мРНК, опосредованный нонсенсом, в здоровье и болезни». Молекулярная генетика человека . 8 (10): 1893–1900. doi : 10.1093/hmg/8.10.1893 . PMID  10469842.
  12. ^ Turajlic S, Litchfield K, Xu H, Rosenthal R, McGranahan N, Reading JL и др. (август 2017 г.). «Неоантигены, специфические для опухолей, полученные в результате вставки и удаления, и иммуногенный фенотип: анализ панрака». The Lancet. Онкология . 18 (8): 1009–1021. doi : 10.1016/S1470-2045(17)30516-8 . PMID  28694034.
  13. ^ abc Lindeboom RG, Vermeulen M, Lehner B, Supek F (ноябрь 2019 г.). «Влияние нонсенс-опосредованного распада мРНК на генетические заболевания, редактирование генов и иммунотерапию рака». Nature Genetics . 51 (11): 1645–1651. doi :10.1038/s41588-019-0517-5. PMC 6858879 . PMID  31659324. 
  14. ^ ab Cirillo G, Marini R, Ito S, Wakamatsu K, Scianguetta S, Bizzarri C, et al. (декабрь 2012 г.). «Отсутствие фенотипа рыжих волос у ребенка с ожирением из Северной Африки, гомозиготного по новой нулевой мутации POMC: оценка РНК-носозависимого распада и химический анализ пигмента волос». Британский журнал дерматологии . 167 (6): 1393–5. doi :10.1111/j.1365-2133.2012.11060.x. PMID  22612534.
  15. ^ ab Yin S, Deng W, Zheng H, Zhang Z, Hu L, Kong X (июнь 2009 г.). «Доказательства того, что путь распада мРНК, опосредованный нонсенсом, участвует в компенсации дозы Х-хромосомы у млекопитающих». Biochemical and Biophysical Research Communications . 383 (3): 378–82. doi :10.1016/j.bbrc.2009.04.021. PMID  19364502.
  16. ^ Popp MW, Maquat LE (июнь 2016 г.). «Использование правил распада мРНК, опосредованного бессмысленными кодами, для генной инженерии и персонализированной медицины». Cell . 165 (6): 1319–1322. doi :10.1016/j.cell.2016.05.053. PMC 4924582 . PMID  27259145. 
  17. ^ Smits AH, Ziebell F, Joberty G, Zinn N, Mueller WF, Clauder-Münster S и др. (ноябрь 2019 г.). «Биологическая пластичность спасает целевую активность при нокаутах CRISPR». Nature Methods . 16 (11): 1087–1093. doi :10.1038/s41592-019-0614-5. PMID  31659326.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки