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无义介导的mRNA降解(NMD)的规则以及在肿瘤和其他遗传病中的应用
发布时间:2021-10-13 19:00:00来源:
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无义介导的mRNA降解(Nonsense-mediated decay, NMD)途径可以识别并降解一些(但不是所有)具有提前终止密码子(Premature termination codons, PTCs)的mRNA。近期,在Cell Press上发表了一篇文章《To NMD or Not To NMD: Nonsense-Mediated mRNA Decay in Cancer and Other Genetic Diseases》,通过基因组分析“NMD规则”的重要性,并准确预测具有PTCs的mRNA是否发生降解。同时,讨论了NMD在肿瘤和其他遗传病中的应用。


NMD:关键桥接基因调控和转录组质量控制


具有PTCs的mRNA不仅可以由编码区的单核苷酸突变引起,还可以由剪接位点的突变和插入或缺失(Indel)引起,发生移码,从而产生下游终止密码子。这些突变经常被默认为蛋白质编码基因的功能丧失(Loss-of-function , LoF),部分原因可能是NMD会降解具有PTC的mRNA但不会产生蛋白质。然而,基因组分析表明,许多PTC—包括已知的致病变异—实际上完全或部分发生mRNA降解,即有部分PTC未触发NMD(见图1)。根据全基因组预测NMD有效性的NMDetective模型,在人类可能发生的所有PTC变异中,约有50%会在一定程度上逃避NMD(NMD evasion)。然而,这在不同的基因中是高度可变的。在17%的人类基因中,如果其中发生PTC,大于75%的编码区允许完全触发NMD,而在36%的基因中,大于75%的编码序列允许PTCs至少部分逃避NMD。


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图 1.无义介导的mRNA降解(NMD)的规则和含义


癌症基因组中NMD的规则


根据癌症基因组学(如癌症基因组图谱、TCGA等),通过测试许多不同基因组特征预测癌症数据中NMD的有效性,提出了NMD的一些“非规范”规则(见图1)。最显著的是NMD逃避的起始近端规则,在转录编码区的5‘-150 nt 处NMD效率降低,在此段从5’到3‘效率逐渐增加。例如,β-珠蛋白和磷酸丙糖异构酶基因中的5'末端PTCs避开了NMD,表明~25 nt 起始近端为NMD逃避区域,并在下游起始密码子处重新启动翻译。癌症数据分析提供了系统的证据,证明这一规则确实适用广泛,但逃避区明显长于25nt。另外,重新启动机制很常见(虽然不一定普遍),因为附近的框内起始密码子将NMD效率降低了三倍。


NMD逃避对遗传病的影响


人类胚系和体细胞中的许多PTC变异并未完全发生NMD,很可能被翻译成截短和/或部分移码的蛋白质,这些蛋白可能保留部分功能(亚效等位基因)、显性负性(反效等位基因)、表现出功能获得(Gain-of-function, GoF)或有效沉默,但不能自动被视为完整的LoF(null)变异。因此,NMD对于判断PTC是否导致无效突变至关重要。


截短对蛋白功能的不同影响可能会转化为不同的表型,例如不同的疾病严重程度。与LoF突变相比,导致显性负性蛋白的截短有更严重的疾病表型;保留部分功能的截短会导致比NMD触发PTC更轻的表型(见图2)。例如,在β-地中海贫血中,β-珠蛋白的截短可能是有害的,因此NMD的mRNA降解可减弱疾病。相比之下,在杜氏肌营养不良症中,DMD蛋白的C端截短可以保留活性,因此NMD对mRNA的降解使疾病加重。


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图2. 无义介导的mRNA降解(NMD)对疾病的影响


结论


对于NMD在遗传疾病中的作用的传统理解,倾向于假设NMD具有保护作用,因为它可以防止有害蛋白质产物的翻译(例如,显性负蛋白截短)。基于对人类基因组数据的大规模系统分析,NMD活性似乎可能增强而不是减轻PTC的有害作用。此外,在癌症中,NMD经常导致肿瘤抑制基因的完全失活,从而导致癌症。总的来说,NMD作为mRNA剪接的质量控制和/或作为一种基因调控机制的作用。因此,尽管在某些遗传疾病中,NMD激活(使有害蛋白质沉默)可能是有益的,但抑制该途径可能对更多疾病有益。在癌症和其他遗传疾病中,NMD疗效的基因组预测因子是将患者分类为最有可能从NMD抑制中受益的关键。


参考文献

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.


其他介绍,详见:

《重大政策 | ACMG指南更新(ACMG SF v3.0)——临床全外显子组和全基因组测序次要发现报告的政策声明》

《综合遗传学和组织病理学数据来解释肾病》

《Nature子刊最新研究——常见的遗传变异和可改变的危险因素是肥厚型心肌病易感性和表达性的基础》

《FLNC截短变异携带者左心室收缩功能障碍与频发室性心律失常及终末期心力衰竭的关联》

《【年度盘点】 2020年心血管病领域研究进展盘点》


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