上海生科院《eLife》解析miRNA介导的无义mRNA抑制

　　

生物通报道：2014年8月8日，国际生命科学领域期刊《eLife》（2014年影响因子为8.519）在线发表了中科院上海生命科学研究院的一项最新研究成果“MicroRNA-mediated repression of nonsense mRNAs”，该研究揭示了miRNAs在抑制可能产生有害截短蛋白质的无义突变mRNAs过程中，发挥一种监控系统的作用。

本研究通讯作者为上海生命科学研究院生物化学和细胞生物学研究所分子生物学国家重点实验室的吴立刚研究员，其1996年毕业于上海交通大学生物科学与技术系，获学士学位，2001年毕业于中科院上海植物生理研究所获遗传学博士学位，2001年至2008年在美国纽约大学医学院从事博士后研究，2008年10月起任中科院上海生科院生化与细胞所研究员，“****”入选者。曾在Mol Cell Biol、JBC、Curr Biol、Mol Cell、PNAS、Nucleic Acids Res等国际著名期刊发表论文多篇。

真核细胞不断面临各种基因突变的风险。虽然许多突变是良性的，但是大量的突变会产生不利的后果。在这些突变中，无义突变是一种严重的类型，可将编码密码子转化为终止密码子，从而导致翻译的过早终止，和羧基末端截短的蛋白质表达。这些截短的蛋白产物往往产生有害的显性-负面或功能获得性影响，会干扰细胞内的正常生物学过程。

事实上，许多遗传性疾病，如β-地中海贫血和杜氏肌营养不良，都是由胚系无义突变引起的。此外，关键肿瘤抑制基因中的无义突变，与普遍的癌症类型（如乳腺癌和结直肠癌）有关。最近一项大规模的全基因组研究表明，即使健康人也携带几十个无义突变。此外，转录错误、错剪接，甚至可变剪接也会经常会导致无义突变。因此，细胞已经进化出一种监控系统——称为无义介导的mRNA降解（NMD），来消除这些异常转录。

研究人员已经开展了很多工作，来揭示细胞检测并选择性地降解无义mRNA的机制。识别含过早终止密码子（PTC）的转录本的一种著名机制是，外显子-外显子拼接复合体（exon-exon junction complex，EJC）依赖的NMD（EJC-NMD）。在剪接过程中，一个多蛋白EJC复合体沉积在每个外显子-外显子拼接处的5’端，随后在新一轮翻译过程中被翻译核糖体所取代。如果核糖体在位于外显子-外显子最后拼接处上游至少50个核苷酸（nt）的一个PTC上停滞，EJC将保持与mRNA结合并有效地触发NMD。

然而，来自自然无内含子基因的无义转录，对EJC-NMD有免疫力。其他EJC独立的NMD机制，如长3’端非翻译区（3’ UTRs）和上游开放阅读框（uORFs），也与含PTC的mRNA降解有关。无义mRNA的不同降解途径显示出活细胞中mRNA的质量控制机制的复杂性。

转录后基因调控的另一种机制是由microRNAs（miRNAs，一类小的非编码RNAs，基本上存在于身体的每一个器官和组织中）介导的。在动物中，miRNAs是由发夹前体细胞产生的，并与Argonaute (Ago)蛋白家族一起装配成RNA诱导的沉默复合物（RISCs）来调节基因表达。通过与靶mRNA中的miRNA-应答元件的不完全碱基配对，miRNAs通过抑制翻译、加速脱腺苷化、促进RNA降解，行使其抑制作用。细胞miRNAs的丰富性和多样性，以及miRNA: miRE匹配点的多功能性，使miRNA——最灵活的一个分子，能够控制转录组的完整性。

这项研究报道称，miRNAs也作为一种监控系统，抑制可能产生有害截短蛋白的无义mRNAs的表达。通过核糖体翻译对过早终止密码子的识别，一个mRNA编码区的下游部分被重新定义为3’非翻译区的一部分；因此，嵌入这个区域的miRNA应答元件，可以通过miRNAs检测到，从而触发加速的mRNA脱腺苷化和翻译抑制。

研究人员表明，自然发生的致癌APC（腺瘤性结肠息肉病）无义突变——可规避无义介导的mRNA降解，是由miRNA介导的监控系统所抑制。此外，研究人员称，miRNA介导的监控系统和外显子-外显子拼接复合体介导的NMD并不是相互排斥的，它们的行为相加可增强抑制的活性。因此，该研究揭示了miRNAs在抑制无义突变mRNAs中的一种新作用。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
MicroRNA-mediated repression of nonsense mRNAs
Abstract：Numerous studies have established important roles for microRNAs (miRNAs) in regulating gene expression. Here, we report that miRNAs also serve as a surveillance system to repress the expression of nonsense mRNAs that may produce harmful truncated proteins. Upon recognition of the premature termination codon by the translating ribosome, the downstream portion of the coding region of an mRNA is redefined as part of the 3' untranslated region; as a result, the miRNA-responsive elements embedded in this region can be detected by miRNAs, triggering accelerated mRNA deadenylation and translational inhibition. We demonstrate that naturally occurring cancer-causing APC (adenomatous polyposis coli) nonsense mutants which escape nonsense-mediated mRNA decay (NMD) are repressed by miRNA-mediated surveillance. In addition, we show that miRNA-mediated surveillance and exon-exon junction complex-mediated NMD are not mutually exclusive and act additively to enhance the repressive activity. Therefore, we have uncovered a new role for miRNAs in repressing nonsense mutant mRNAs.