Нонсэнс-апасродкаваны распад

Нонсэнс-апасродкаваны распад мРНК (англ. nonsense-mediated mRNA decay, NMD) — гэта адна з сістэм кантролю якасці мРНК эўкарыёт. Яго асноўная функцыя — змяншэнне колькасці памылак у экспрэсіі генаў шляхам ліквідацыі транскрыптаў мРНК, якія маюць заўчасныя стоп-кадоны. Трансляцыя гэтых аберантных мРНК можа ў некаторых выпадках прывесці да шкоднага ўзмацнення функцыі або дамінантна-негатыўнай актыўнасці атрыманых бялкоў.

NMD быў упершыню апісаны ў цэлях чалавека і ў дрожджаў амаль адначасова ў 1979 годзе, што сведчыць пра шырокую філагенетычную захаванасць і важную біялагічную ролю гэтага механізму. Нонсэнс-апасродкаваны распад быў адкрыты, калі стала зразумела, што цэлі часта маюць нечакана нізкія канцэнтрацыі мРНК, што транскрыбуюцца з алеляў, якія нясуць нонсэнс-мутацыі. Нонсэнс-мутацыі кадуюць заўчасны стоп-кадон, які прыводзіць да скарачэння бялку. Укарочаны бялок можа быць функцыянальным ці не, у залежнасці ад важнасці той частцы, што не транслюецца. У генетыцы чалавека нонсэнс-апасродкаваная дэградацыя можа не толькі абмяжоўваць трансляцыю анамальных бялкоў, але і часам выклікаць шкодныя наступствы пры пэўных генетычных мутацыях.

NMD рэгулюе шматлікія біялагічныя функцыі ў розных цэлях, у тым ліку сінаптычную пластычнасць нейронаў, якая можа фарміраваць паводзіны дарослага чалавека.

 Шлях 
Хоць многія бялкі, якія ўдзельнічаюць у NMD, не кансерватыўныя паміж відамі, у Saccharomyces cerevisiae (дрожджы) існуюць тры асноўныя фактары NMD: UPF1, UPF2 і UPF3 (UPF3A і UPF3B у чалавека), якія складаюць кансерватыўнае ядро шляху NMD. Усе тры фактары з’яўляюцца транс-актыўнымі элементамі, якія называюцца бялкамі зруху рамкі счытвання ўперад (UPF). У млекакормячых UPF2 і UPF3 з’яўляюцца часткай комплексу зрошчвання экзонаў (англ. exon junction complex, EJC), звязаных з мРНК пасля сплайсінгу разам з іншымі бялкамі, eIF4AIII, MLN51 і гетэрадымерам Y14/MAGOH, якія таксама функцыянуюць пры NMD. Фасфарыліраванне UPF1 кантралюецца бялкамі SMG-1, SMG-5, SMG-6 і SMG-7.

Працэс выяўлення аберантных транскрыптаў адбываецца падчас трансляцыі мРНК. Згодна з папулярнай мадэллю выяўлення аберантных транскрыптаў у млекакормячых, падчас першага раўнда трансляцыі рыбасома выдаляе комплексы зрошчвання экзонаў, звязаныя з мРНК пасля сплайсінгу. Калі пасля першага раўнда трансляцыі які-небудзь EJC застаецца звязаным з мРНК, NMD актывуецца. Комплексы зрошчвання экзонаў, размешчаныя ніжэй ад стоп-кадона, не выдаляюцца з транскрыпта, паколькі рыбасома вызваляецца, не дасягнуўшы іх. Тэрмінацыя трансляцыі прыводзіць да зборкі на мРНК комплексу, які складаецца з UPF1, SMG1 і фактараў вызвалення, eRF1 і eRF3. Калі EJC застаецца на мРНК, таму што транскрыпт змяшчае заўчасны стоп-кадон, то UPF1 уступае ў кантакт з UPF2 і UPF3, запускаючы фасфарыліраванне UPF1. У пазваночных жывёл размяшчэнне апошняга комплексу зрошчвання экзонаў адносна тэрмінацыйнага кадона звычайна вызначае, ці будзе транскрыпт падвяргацца NMD ці не. Калі тэрмінацыйны кадон знаходзіцца ніжэй або ў межах прыблізна 50 нуклеатыдаў ад канчатковага EJC, то транскрыпт транслюецца нармальна. Аднак, калі тэрмінацыйны кадон знаходзіцца далей, чым на 50 нуклеатыдаў вышэй за любыя комплексы зрошчвання экзонаў, то транскрыпт падаўляецца праз NMD.Lewis BP, Green RE, Brenner SE. 2003. Evidence for the widespread coupling of alternative splicing and nonsense-mediated mRNA decay in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100:189-192. doi:10.1016/j.bbrc.2009.04.021 Фасфарыліраваны UPF1 затым узаемадзейнічае з SMG-5, SMG-6 і SMG-7, што спрыяе дэфасфарыліраванню UPF1. Лічыцца, што SMG-7 з’яўляецца тэрмінальным эфектарам у NMD, паколькі ён назапашваецца ў P-цельцах, якія з’яўляюцца цытаплазматычнымі месцамі дэградацыі мРНК. Як у дрожджавых, так і ў чалавечых цэлях асноўны шлях распаду мРНК ініцыюецца выдаленнем 5'-кэпа, а затым дэградацыяй пад уздзеяннем XRN1, фермента экзарыбануклеазы. Іншы шлях дэградацыі мРНК — гэта 3'-5' дэадэніляванне.

Акрамя добра вядомай ролі NMD у выдаленні анамальных транскрыптаў, існуюць транскрыпты, якія нясуць інтроны ў сваіх 3'-нетранслюемых абласцях (UTR). Прагназуецца, што гэтыя РНК з’яўляюцца мішэнямі для NMD, аднак яны (напрыклад, бялок з рэгулюемай актыўнасцю і звязаны з цыташкілетам, вядомы як Arc) могуць выконваць важныя біялагічныя функцыі, што сведчыць аб тым, што NMD мае фізіялагічна значную ролю.

 Механізм і рэгуляванне 
NMD — гэта цэлявы механізм, які дэградуе мРНК, што змяшчаюць кадоны заўчаснай тэрмінацыі (англ. premature termination codons, PTCs), якія могуць узнікаць у выніку мутацый. Усебаковы аналіз маштабных набораў даных па генетыцы і экспрэсіі генаў дазволіў сістэмна вызначыць механізм нонсэнс-апасродкаванай дэградацыі і яе эфектыўнасць.

 Мадэль EJC: NMD звычайна запускаецца, калі заўчасны стоп-кадон знаходзіцца вышэй за апошні EJC. Калі PTC знаходзіцца ніжэй ад апошняга комплексу зрошчвання кадонаў, NMD часта неэфектыўны.
 Старт-праксімальны эфект: заўчасныя стоп-кадоны, размешчаныя паблізу старт-кадона, могуць пазбегнуць NMD. Гэтае ўхіленне ад дэградацыі звязана з наяўнасцю стоп-кадонаў ніжэй па рамцы счытвання, якія дазваляюць рыбасоме абыйсці PTC і працягнуць трансляцыю.
 Даўжыня экзона і адлегласць да нармальнага стоп-кадона: доўгія экзоны і вялікія адлегласці паміж PTC і нармальным стоп-кадонам звязаны з неэфектыўнай NMD. Гэта сведчыць аб тым, што прасторавая канфігурацыя мРНК можа ўплываць на даступнасць механізмаў NMD.
 Хуткасць абароту мРНК: транскрыпты з высокай хуткасцю абнаўлення, як правіла, аслабляюць эфекты NMD. Гэта азначае, што мРНК, якія хутка дэградуюцца іншымі механізмамі, могуць не быць эфектыўнай мішэнню для NMD.
 Матывы РНК-звязвальных бялкоў: пэўныя матывы РНК-звязвальных бялкоў паблізу PTC або ўнутры 3’UTR могуць мадуляваць эфектыўнасць NMD. Гэтыя матывы могуць як узмацняць, так і перашкаджаць распазнаванню заўчасных стоп-кадонаў механізмамі NMD у залежнасці ад іх спецыфічнага ўзаемадзеяння з фактарамі нонсэнс-апасродкаванага распаду.
 Зрух рамкі счытвання. У адказ на дрэнныя ўмовы харчавання большая частка транскрыптома дрожджаў падвяргаецца рыбасамальнаму зруху рамкі счытвання на −1, што прыводзіць да паскоранага катрансляцыйнага распаду мРНК. У такіх умовах дэградацыя, залежная ад NMD, складае прынамсі адну траціну ад агульнага распаду мРНК. Менш аптымальныя кадоны з’яўляюцца ключавым фактарам для рыбасом, якія выклікаюць распад мРНК па-за рамкай cчытвання. Гэты механізм, відаць, захаваўся ад бактэрый да чалавека.

 Мутацыі 
Нягледзячы на тое, што NMD, памяншае колькасць нонсэнс-кадонаў, могуць узнікаць мутацыі, якія прыводзяць да розных праблем са здароўем і захворванняў у людзей. Дамінантна-негатыўная або шкодная мутацыя з узмацненнем функцыі можа адбыцца, калі транслююцца заўчасныя тэрмінацыйныя кадоны. Нонсэнс апасродкаваная дэградацыя становіцца ўсё больш відавочнай пры зменах фенатыпічных наступстваў з-за шырокага спосабу кантролю экспрэсіі генаў. Напрыклад, захворванне крыві бэта-таласемія перадаецца па спадчыне і выклікаецца мутацыямі ў вобласці гена β-глабіну. У чалавека, які мае толькі адзін мутантны алель, не будзе ніводнай або будзе мець надзвычай нізкі ўзровень мутантнай мРНК β-глабіну. Можа ўзнікнуць яшчэ больш цяжкая форма захворвання, якая называецца прамежкавай таласеміяй або таласеміяй з «цельцамі ўключэння». Замест зніжэння ўзроўню мРНК, мутантны транскрыпт утварае ўкарочаныя β-ланцугі, што, у сваю чаргу, прыводзіць да клінічнага фенатыпу ў гетэразігот. Парушэнні нонсэнс-апасродкаванай дэградацыі могуць спрыяць развіццю сіндрому Марфана. Гэта захворванне выклікана мутацыямі ў гене фібрыліну 1 (FBN1) і з’яўляецца вынікам дамінантнага негатыўнага ўзаемадзеяння паміж мутантным і дзікім тыпамі гена фібрыліну-1.

 Рэгуляванне імунагенных антыгенаў, атрыманых у выніку зруху рамкі счытвання 
NMD гуляе ролю ў рэгуляцыі імунагенных антыгенаў, атрыманых са зрухам рамкі счытвання. Мутацыі са зрухам рамкі счытвання часта прыводзяць да выпрацоўкі анамальных бялкоў, якія імунная сістэма, асабліва ў ракавых цэлях, можа распазнаваць як неаантыгены. Аднак мутацыі са зрухам рамкі счытвання часта прыводзяць да трансляцыі пазарамкавага PTC, які можа актываваць NMD для дэградацыі гэтых мутантных мРНК, перш чым яны будуць трансляваныя ў бялкі, тым самым зніжаючы прэзентацыю гэтых патэнцыйна імунагенных пептыдаў на паверхні цэлі праз малекулы HLA класа I. Такая мадуляцыя імунагеннасці азначае, што неаантыгены, атрыманыя са зрухам рамкі счытвання, спрыяюць рэакцыі на інгібіраванне імунных кантрольных кропак толькі ў тым выпадку, калі яны ўзнікаюць з-за мутацый у частках геному, якія не распазнаюцца NMD.

 Прымяненне ў даследваннях 
Гэты шлях аказвае значны ўплыў на тое, як транслююцца гены, абмяжоўваючы ўзровень экспрэсіі генаў. Гэта ўсё яшчэ новая галіна ў генетыцы, але яе роля ў даследваннях ужо прывяла навукоўцаў да адкрыцця шматлікіх тлумачэнняў рэгуляцыі генаў. Вывучэнне нонсэнс-апасродкаванага распаду мРНК дазволіла навукоўцам вызначыць прычыны некаторых спадчынных захворванняў і дозавай кампенсацыі ў млекакормячых.

 Спадчынныя хваробы 
Ген праопіамеланакартыну (POMC) экспрэсуецца ў гіпаталамусе, у гіпофізе. Ён дае шэраг біялагічна актыўных пептыдаў і гармонаў і падвяргаецца тканінаспецыфічнай посттрансляцыйнай апрацоўцы з атрыманнем шэрагу біялагічна актыўных пептыдаў, якія прадуцыруюць адрэнакартыкатропны гармон (АКТГ), b-эндарфін і α-, b- і c-меланацытстымулюючы гармон (МСГ). Затым гэтыя пептыды ўзаемадзейнічаюць з рознымі меланакартынавымі рэцэптарамі (MCR) і ўдзельнічаюць у шырокім дыяпазоне працэсаў, у тым ліку ў рэгуляцыі масы цела (MC3R і MC4R), стэроідагенезе наднырачнікаў (MC2R) і пігментацыі валасоў (MC1R). Апублікаванае ў British Associations of Dermatologists у 2012 годзе, даследванне «Адсутнасць фенатыпу рудых валасоў у паўночнаафрыканскага дзіцяці з атлусценнем, гамазіготнага па новай нулявой мутацыі POMC», паказала ацэнку нонсэнс-апасродкаванай дэградацыі РНК у хімічным аналізе пігмента валасоў. Яны выявілі, што інактывацыя мутацыі гена POMC прыводзіць да атлусцення, наднырачнікавай недастатковасці і рудога колеру валасоў. Гэта назіралася як у людзей, так і ў мышэй. У гэтым эксперыменце яны апісалі трохгадовага хлопчыка з Рыма. Ён быў крыніцай увагі, таму што ў яго была хвароба Адысана і ранняе атлусценне. Яны сабралі яго ДНК і ампліфікавалі яе з дапамогай ПЛР. Секвенаванне выявіла гамазіготную адзінарную замену, якая прывадзіла да ўзнікнення стоп-кадона. Гэта прывяло да з’яўлення аберантнага бялку, і адпаведная амінакіслотная паслядоўнасць паказвала дакладнае становішча гамазіготнага нуклеатыду. Замяшчэнне было лакалізавана ў экзоне 3, а нонсэнс-мутацыя — у кадоне 68. Вынікі гэтага эксперыменту пераканаўча сведчаць аб тым, што адсутнасць рудых валасоў у пацыентаў нееўрапейскага паходжання з раннім пачаткам атлусцення і гарманальнай недастатковасцю не выключае ўзнікнення мутацый POMC. Секвенуючы ДНК пацыентаў, яны выявілі, што гэтая новая мутацыя мае набор сімптомаў з-за няспраўнага нонсэнс-апасродкаванага распаду мРНК.

 Дозавая кампенсацыя 
Існуюць доказы таго, што нонсэнс-апасродкаваны шлях распаду мРНК удзельнічае ў дозавай кампенсацыі Х-храмасомы ў млекакормячых. У вышэйшых эўкарыёт з дыморфнымі палавымі храмасомамі, такіх як людзі і пладовыя мушкі, самцы маюць адну Х-храмасому, а самкі — дзве. Гэтыя арганізмы выпрацавалі механізм, які кампенсуе не толькі розную колькасць палавых храмасом у двух полаў, але і розныя суадносіны Х-хромасом да аўтасом. У гэтым даследаванні ўсяго геному навукоўцы выявілі, што аўтасомныя гены часцей падвяргаюцца нонсэнс-апасродкаванай дэградацыі, чым гены, звязаныя з Х-храмасомай. Гэта таму, што NMD тонка наладжвае Х-храмасомы, і гэта было прадэманстравана шляхам яго інгібіравання. Вынікі паказалі, што збалансаваная экспрэсія генаў паміж Х-хромасомай і аўтасомамі зніжалася на 10-15 % незалежна ад метаду інгібіравання. Шлях NMD схільны ў бок падаўлення экспрэсіі аўтасомных генаў, чым генаў, звязаных з Х-хромосомай. У заключэнне, даныя пацвярджаюць меркаванне, што спалучэнне альтэрнатыўнага сплайсінгу і NMD з’яўляецца распаўсюджаным сродкам рэгуляцыі экспрэсіі генаў.

 Распрацоўка эксперыментаў CRISPR-Cas9 
Уплыў NMD мае вялікае значэнне пры распрацоўцы эксперыментаў CRISPR-Cas9, асабліва тых, якія накіраваны на інактывацыю генаў. CRISPR-Cas9 уводзіць двухланцуговыя разрывы, якія могуць прыводзіць да ўставак або дэлецый (індэлаў), што часта прыводзіць да мутацый са зрухам рамкі счытвання і заўчасных стоп-кадонаў. Калі гэтыя PTC размешчаны ў рэгіёнах, якія запускаюць NMD, атрыманыя мРНК будуць хутка дэградаваныя, што прывядзе да эфектыўнага накдаўну генаў. Аднак, калі PTC знаходзяцца ў рэгіёнах, якія пазбягаюць NMD, мутантныя мРНК могуць транслявацца ва ўсечаныя бялкі, што патэнцыйна можа захоўваць частковую функцыю і прыводзіць да няпоўнай інактывацыі генаў. Такім чынам, разуменне і ўключэнне правілаў NMD у дызайн адзінкавых кіруючых РНК (sgRNA) мае важнае значэнне для дасягнення жаданых вынікаў у CRISPR-Cas9 эксперыментах. Такія інструменты, як NMDetective могуць прадказваць верагоднасць узнікнення NMD на аснове месцазнаходжання PTC, тым самым дапамагаючы ў распрацоўцы больш эфектыўных стратэгій рэдагавання генаў.

 Гл. таксама 

 Nonstop-дэградацыя, яшчэ адзін механізм кантролю якасці мРНК
 Кантроль якасці мРНК

 Крыніцы 

 Дадатковая літаратура 









 Знешнія спасылкі 



Катэгорыя:Экспрэсія генаў