Нонсенс-опосредованный распад - Nonsense-mediated decay

Канонический путь NMD (у человека)

Нонсенс-опосредованный распад мРНК (NMD) это путь наблюдения что существует во всех эукариоты. Его основная функция - уменьшить ошибки в экспрессии генов путем устранения мРНК стенограммы, содержащие преждевременные стоп-кодоны.[1] Трансляция этих аберрантных мРНК может в некоторых случаях привести к нежелательному увеличению функции или доминантно-отрицательная активность полученных белков.[2]

NMD был впервые описан в клетках человека и дрожжах почти одновременно в 1979 году. Это предполагает широкую филогенетическую консервативность 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. Усеченный белок может быть или не быть функциональным, в зависимости от серьезности того, что не транслируется. В генетике человека NMD имеет возможность не только ограничивать трансляцию аномальных белков, но иногда может вызывать пагубные последствия при определенных генетических мутациях.[5]

NMD функционирует, чтобы регулировать многочисленные биологические функции в разнообразном диапазоне клеток, включая синаптическую пластичность нейронов, которая может формировать поведение взрослых.[6]

Путь

Хотя многие из белков, участвующих в NMD, не сохраняются между видами, у Saccharomyces cerevisiae (дрожжи), существует три основных фактора в NMD: UPF1, UPF2 и UPF3 (UPF3A и UPF3B у человека), которые составляют консервативное ядро ​​пути NMD.[7] Все три фактора трансакционный элементы, называемые белками сдвига рамки вверх (UPF). У млекопитающих UPF2 и UPF3 являются частью комплекс экзон-экзонный переход (EJC) связывается 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 перевод мРНК. Популярная модель обнаружения аберрантных транскриптов у млекопитающих предполагает, что во время первого раунда трансляции рибосома удаляет комплексы экзон-экзонный переход связаны с мРНК после сплайсинга. Если после этого первого раунда трансляции любой из этих белков остается связанным с мРНК, активируется NMD. Комплексы экзон-экзонный стык, расположенные ниже стоп-кодон не удаляются из транскрипта, потому что рибосома высвобождается до их достижения. Прекращение трансляции приводит к сборке комплекса, состоящего из UPF1, SMG1 и факторов высвобождения, eRF1 и eRF3, на мРНК. Если EJC остается на мРНК, потому 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 кодона терминации обычно определяет, будет ли транскрипт подвергаться NMD или нет. Если кодон терминации находится ниже или в пределах примерно 50 нуклеотидов от конечного комплекса экзон-соединение, то транскрипт транслируется нормально. Однако, если кодон терминации находится дальше, чем примерно на 50 нуклеотидов выше любых комплексов с соединением экзонов, то транскрипт подвергается понижающей регуляции с помощью NMD.[8] Затем фосфорилированный UPF1 взаимодействует с SMG-5, SMG-6 и SMG-7, которые способствуют дефосфорилированию UPF1. SMG-7 считается завершающим эффектором в НПРО, поскольку он накапливается в П-тела, которые являются цитоплазматическими сайтами распада мРНК. И в дрожжевых, и в человеческих клетках основной путь распада мРНК инициируется удалением 5 ’крышка с последующей деградацией XRN1, ферментом экзорибонуклеазой. Другой путь деградации мРНК - это деаденилирование от 3’-5 '.

В дополнение к хорошо известной роли NMD в удалении аберрантных транскриптов, существуют транскрипты, которые содержат интроны в своих 3'UTR.[9] Предполагается, что эти сообщения являются мишенями NMD, но они (например, регулируемый активностью белок, связанный с цитоскелетом, известный как Дуга) могут выполнять важные биологические функции, предполагая, что NMD может иметь физиологически значимые роли.[9]

Мутации

Хотя нонсенс-опосредованный распад мРНК снижает количество нонсенс-кодонов, могут возникать мутации, которые приводят к различным проблемам со здоровьем и заболеваниям у людей. Если транслируются преждевременные терминирующие (бессмысленные) кодоны, может произойти доминантно-отрицательная или вредная мутация с увеличением функции. 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 выше гена β-глобина.[10] У человека, несущего только один затронутый аллель, не будет или будет очень низкий уровень мРНК мутантного β-глобина. Может возникнуть еще более тяжелая форма заболевания, называемая промежуточной талассемией или талассемией с «тельцами включения». Вместо пониженных уровней мРНК мутантный транскрипт продуцирует укороченные β-цепи, что, в свою очередь, приводит к клиническому фенотипу гетерозиготы.[10]Нонсенс-опосредованные мутации распада также могут способствовать Синдром Марфана. Это нарушение вызвано мутациями в гене фибриллина 1 (FBN1) и является результатом доминантного отрицательного взаимодействия между мутантным геном фибриллина-1 и геном дикого типа.[10]

Приложения для исследований

Этот путь оказывает значительное влияние на способ трансляции генов, ограничивая степень экспрессии генов. Это все еще новая область генетики, но ее роль в исследованиях уже привела ученых к раскрытию многочисленных объяснений регуляции генов. Изучение распада, опосредованного бессмысленностью, позволило ученым определить причины некоторых наследственных заболеваний и дозовую компенсацию у млекопитающих.

Наследственные болезни

В проопиомеланокортин ген (POMC) экспрессируется в гипоталамусе, в гипофизе. Он дает ряд биологически активных пептидов и гормонов и подвергается тканеспецифическому посттрансляционному процессингу с образованием ряда биологически активных пептидов, продуцирующих адренокортикотропный гормон (АКТГ), b-эндорфин и a-, b- и c-меланоцит-стимулирующие гормоны ( МСХ).[нужна цитата ] Затем эти пептиды взаимодействуют с различными рецепторами меланокортина (MCR) и участвуют в широком спектре процессов, включая регуляцию массы тела (MC3R и MC4R), стероидогенез надпочечников (MC2R) и пигментацию волос (MC1R).[11] Опубликованный в Британской ассоциации дерматологов в 2012 году документ «Отсутствие фенотипа рыжих волос у ребенка с ожирением в Северной Африке, гомозиготного по новой нулевой мутации POMC», показал бессмысленную оценку РНК распада при химическом анализе пигмента волос. Они обнаружили, что инактивация мутации гена POMC приводит к ожирению, надпочечниковой недостаточности и рыжим волосам. Это было замечено как у людей, так и у мышей. В этом эксперименте они описали 3-летнего мальчика из Рима, Италия. Он был источником внимания, потому что у него Болезнь Эддисона и ожирение с ранним началом. Они собрали его ДНК и амплифицировали с помощью ПЦР. Анализ секвенирования выявил гомозиготную одиночную замену, определяющую стоп-кодон. Это привело к появлению аберрантного белка, и соответствующая аминокислотная последовательность указала точное положение гомозиготного нуклеотида. Замена была локализована в экзоне 3, а нонсенс-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.[11] Посредством секвенирования ДНК пациентов они обнаружили, что эта новая мутация имеет набор симптомов из-за неправильного пути наблюдения за распадом мРНК, опосредованным нонсенс.

Компенсация дозировки

Было доказано, что нонсенс-опосредованный путь распада мРНК участвует в компенсации дозировки Х-хромосомы у млекопитающих. У высших эукариот с диморфными половыми хромосомами, таких как люди и дрозофилы, самцы имеют одну Х хромосома, а у самок - два. Эти организмы развили механизм, который компенсирует не только различное количество половых хромосом между двумя полами, но также и различное соотношение Х / аутосома.[12] В этом полногеномном исследовании ученые обнаружили, что аутосомные гены с большей вероятностью подвергаются бессмысленному распаду, чем Х-сцепленные гены. Это потому, что NMD точно настраивает Х-хромосомы, и это было продемонстрировано путем ингибирования этого пути. Результаты показали, что сбалансированная экспрессия генов между X и экспрессией аутосомных генов снижалась на 10-15% независимо от метода ингибирования. Путь NMD смещен в сторону подавления экспрессии большей популяции или аутосомных генов, чем х-сцепленные. В заключение, данные подтверждают мнение, что сочетание альтернативного сплайсинга и NMD является распространенным средством регуляции экспрессии генов.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бейкер, К. Э .; Паркер, Р. (2004). «Нонсенс-опосредованный распад мРНК: прекращение ошибочной экспрессии гена». Текущее мнение в области клеточной биологии. 16 (3): 293–299. Дои:10.1016 / j.ceb.2004.03.003. PMID  15145354.
  2. ^ Чанг, Ю. Ф .; Imam, J. S .; Уилкинсон, М. Ф. (2007). "Нонсенс-опосредованный путь наблюдения за распадом РНК". Ежегодный обзор биохимии. 76: 51–74. Дои:10.1146 / annurev.biochem.76.050106.093909. ISSN  0066-4154. PMID  17352659. S2CID  2624255.
  3. ^ Кулозик, Андреас. «Фокус исследования 1: бессмысленный распад (NMD)». Подразделение партнерства молекулярной медицины. Гейдельбергский университет. Архивировано из оригинал на 2016-11-17. Получено 2014-11-17.
  4. ^ Шарма, Джьоти; Килинг, Ким М .; Роу, Стивен М. (2020-08-15). «Фармакологические подходы к борьбе с нонсенс-мутациями кистозного фиброза». Европейский журнал медицинской химии. 200: 112436. Дои:10.1016 / j.ejmech.2020.112436. ISSN  0223-5234. ЧВК  7384597. PMID  32512483.
  5. ^ Холбрук, Джилл (2004). «В клинику приближается распад, вызванный бессмыслицей». Природа Генетика. 36 (8): 801–808. Дои:10,1038 / ng1403. PMID  15284851. S2CID  23188275.
  6. ^ Нотарас, Михаил; Аллен, Меган; Лонго, Франческо; Волк, Николь; Тот, Миклос; Ли Чон, Ноу; Кланн, Эрик; Чолак, Дилек (21.10.2019). «UPF2 приводит к деградации мРНК, нацеленных на дендриты, чтобы регулировать синаптическую пластичность и когнитивные функции». Молекулярная психиатрия: 1–20. Дои:10.1038 / с41380-019-0547-5. ISSN  1476-5578. PMID  31636381. S2CID  204812259.
  7. ^ Behm-Ansmant, I .; Изаурральде, Э. (2006). «Контроль качества экспрессии генов: поэтапный путь сборки для комплекса наблюдения, который запускает нонсенс-опосредованный распад мРНК». Гены и развитие. 20 (4): 391–398. Дои:10.1101 / gad.1407606. PMID  16481468.
  8. ^ Льюис Б.П., Грин RE, Бреннер С.Е. 2003. Доказательства широко распространенного сочетания альтернативного сплайсинга и нонсенс-опосредованного распада мРНК у людей. Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 100: 189-192. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2009.04.021
  9. ^ а б Бикнелл А.А., Сеник С., Чуа Х.Н., Рот Ф.П., Мур MJ (декабрь 2012 г.). «Интроны в UTR: почему мы должны перестать их игнорировать». BioEssays. 34 (12): 1025–34. Дои:10.1002 / bies.201200073. PMID  23108796. S2CID  5808466.
  10. ^ а б c Фришмейер, Диц, Памела, Гарри (1999). "Нонсенс-опосредованный распад мРНК при здоровье и болезнях". Молекулярная генетика человека. 8 (10): 1893–1900. Дои:10.1093 / hmg / 8.10.1893. PMID  10469842.
  11. ^ а б Чирилло, G .; Marini, R .; Ито, С .; (2012) «Отсутствие фенотипа рыжих волос у ребенка с ожирением в Северной Африке, гомозиготного по новой нулевой мутации POMC: оценка нонсенс-опосредованной РНК распада и химический анализ пигмента волос». Британский журнал дерматологии 167 (6): 1393-1395. DOI: 10.1111 / j.1365-2133.2012.11060.
  12. ^ а б Инь, С.; Дэн, В .; Чжэн, Х .; (2009) «Доказательства того, что нонсенс-опосредованный путь распада мРНК участвует в компенсации дозировки Х-хромосомы у млекопитающих». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях 383 (3) 378–382. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2009.04.021.

внешняя ссылка