無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解(Nonsense-mediated decay, NMD)途徑可以識(shí)別并降解一些(但不是所有)具有提前終止密碼子(Premature termination codons, PTCs)的mRNA。近期,在Cell Press上發(fā)表了一篇文章《To NMD or Not To NMD: Nonsense-Mediated mRNA Decay in Cancer and Other Genetic Diseases》,通過(guò)基因組分析“NMD規(guī)則”的重要性,并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有PTCs的mRNA是否發(fā)生降解。同時(shí),討論了NMD在腫瘤和其他遺傳病中的應(yīng)用。
NMD:關(guān)鍵橋接基因調(diào)控和轉(zhuǎn)錄組質(zhì)量控制
具有PTCs的mRNA不僅可以由編碼區(qū)的單核苷酸突變引起,還可以由剪接位點(diǎn)的突變和插入或缺失(Indel)引起,發(fā)生移碼,從而產(chǎn)生下游終止密碼子。這些突變經(jīng)常被默認(rèn)為蛋白質(zhì)編碼基因的功能喪失(Loss-of-function , LoF),部分原因可能是NMD會(huì)降解具有PTC的mRNA但不會(huì)產(chǎn)生蛋白質(zhì)。然而,基因組分析表明,許多PTC—包括已知的致病變異—實(shí)際上完全或部分發(fā)生mRNA降解,即有部分PTC未觸發(fā)NMD(見(jiàn)圖1)。根據(jù)全基因組預(yù)測(cè)NMD有效性的NMDetective模型,在人類可能發(fā)生的所有PTC變異中,約有50%會(huì)在一定程度上逃避NMD(NMD evasion)。然而,這在不同的基因中是高度可變的。在17%的人類基因中,如果其中發(fā)生PTC,大于75%的編碼區(qū)允許完全觸發(fā)NMD,而在36%的基因中,大于75%的編碼序列允許PTCs至少部分逃避NMD。
圖 1.無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解(NMD)的規(guī)則和含義
癌癥基因組中NMD的規(guī)則
根據(jù)癌癥基因組學(xué)(如癌癥基因組圖譜、TCGA等),通過(guò)測(cè)試許多不同基因組特征預(yù)測(cè)癌癥數(shù)據(jù)中NMD的有效性,提出了NMD的一些“非規(guī)范”規(guī)則(見(jiàn)圖1)。最顯著的是NMD逃避的起始近端規(guī)則,在轉(zhuǎn)錄編碼區(qū)的5‘-150 nt 處NMD效率降低,在此段從5’到3‘效率逐漸增加。例如,β-珠蛋白和磷酸丙糖異構(gòu)酶基因中的5'末端PTCs避開(kāi)了NMD,表明~25 nt 起始近端為NMD逃避區(qū)域,并在下游起始密碼子處重新啟動(dòng)翻譯。癌癥數(shù)據(jù)分析提供了系統(tǒng)的證據(jù),證明這一規(guī)則確實(shí)適用廣泛,但逃避區(qū)明顯長(zhǎng)于25nt。另外,重新啟動(dòng)機(jī)制很常見(jiàn)(雖然不一定普遍),因?yàn)楦浇目騼?nèi)起始密碼子將NMD效率降低了三倍。
NMD逃避對(duì)遺傳病的影響
人類胚系和體細(xì)胞中的許多PTC變異并未完全發(fā)生NMD,很可能被翻譯成截短和/或部分移碼的蛋白質(zhì),這些蛋白可能保留部分功能(亞效等位基因)、顯性負(fù)性(反效等位基因)、表現(xiàn)出功能獲得(Gain-of-function, GoF)或有效沉默,但不能自動(dòng)被視為完整的LoF(null)變異。因此,NMD對(duì)于判斷PTC是否導(dǎo)致無(wú)效突變至關(guān)重要。
截短對(duì)蛋白功能的不同影響可能會(huì)轉(zhuǎn)化為不同的表型,例如不同的疾病嚴(yán)重程度。與LoF突變相比,導(dǎo)致顯性負(fù)性蛋白的截短有更嚴(yán)重的疾病表型;保留部分功能的截短會(huì)導(dǎo)致比NMD觸發(fā)PTC更輕的表型(見(jiàn)圖2)。例如,在β-地中海貧血中,β-珠蛋白的截短可能是有害的,因此NMD的mRNA降解可減弱疾病。相比之下,在杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥中,DMD蛋白的C端截短可以保留活性,因此NMD對(duì)mRNA的降解使疾病加重。
圖2. 無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解(NMD)對(duì)疾病的影響
結(jié)論
對(duì)于NMD在遺傳疾病中的作用的傳統(tǒng)理解,傾向于假設(shè)NMD具有保護(hù)作用,因?yàn)樗梢苑乐褂泻Φ鞍踪|(zhì)產(chǎn)物的翻譯(例如,顯性負(fù)蛋白截短)?;趯?duì)人類基因組數(shù)據(jù)的大規(guī)模系統(tǒng)分析,NMD活性似乎可能增強(qiáng)而不是減輕PTC的有害作用。此外,在癌癥中,NMD經(jīng)常導(dǎo)致腫瘤抑制基因的完全失活,從而導(dǎo)致癌癥。總的來(lái)說(shuō),NMD作為mRNA剪接的質(zhì)量控制和/或作為一種基因調(diào)控機(jī)制的作用。因此,盡管在某些遺傳疾病中,NMD激活(使有害蛋白質(zhì)沉默)可能是有益的,但抑制該途徑可能對(duì)更多疾病有益。在癌癥和其他遺傳疾病中,NMD療效的基因組預(yù)測(cè)因子是將患者分類為最有可能從NMD抑制中受益的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
Fran Supek, Ben Lehner, Rik G H Lindeboom. To NMD or Not To NMD: Nonsense-Mediated mRNA Decay in Cancer and Other Genetic Diseases. Trends Genet. 2021 Jul;37(7):657-668.
其他介紹,詳見(jiàn):
《重大政策 | ACMG指南更新(ACMG SF v3.0)——臨床全外顯子組和全基因組測(cè)序次要發(fā)現(xiàn)報(bào)告的政策聲明》
《綜合遺傳學(xué)和組織病理學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)解釋腎病》
《Nature子刊最新研究——常見(jiàn)的遺傳變異和可改變的危險(xiǎn)因素是肥厚型心肌病易感性和表達(dá)性的基礎(chǔ)》