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本文聚焦神经发育障碍，探讨毒性外显子（PEs）在大脑中的作用、作为治疗靶点的潜力及面临的挑战。前体 mRNA 可变剪接产生 PEs，其含提前终止密码子，引发无义介导的 mRNA 降解（NMD）。反义寡核苷酸（ASOs）等有望用于治疗相关疾病，但仍面临诸多挑战。
引言
前体 mRNA 剪接是 mRNA 从细胞核输出到细胞质进行翻译的关键加工步骤。剪接体负责识别内含子的剪接位点并去除内含子，连接外显子形成成熟 mRNA。可变剪接能使单个前体 mRNA 产生多种成熟 mRNA 产物，增加转录组和蛋白质组的多样性。
编码外显子的可变剪接可从单个基因产生多种蛋白质异构体。而可变剪接若导致含有提前终止密码子（PTC）的外显子被纳入，mRNA 在输出到细胞质后就会成为无义介导的 mRNA 降解（NMD）的靶标。NMD 最初被认为只是一种降解含有 PTC 异常 mRNA 的监控机制，当 PTC 位于外显子 - 外显子连接复合体上游至少 50 - 55 个核苷酸处时，会激活 SMG1 对 Upf1 的磷酸化，启动 mRNA 降解过程。Upf1 的超磷酸化会使其与 SMG5/7 复合体相互作用，进而激活由 SMG6 介导的核酸内切酶活性，在 PTC 位点附近切割 mRNA，再由核酸外切酶快速降解。但近年来研究发现，可变外显子使用导致的 NMD 在某些生理条件下，也能作为健康组织中微调基因表达的一种机制。导致 NMD 的可变外显子常被称为 “毒性外显子”（PEs），因其纳入会导致转录本快速降解。PEs 位于基因的高度保守区域，通常被认为是通过可变剪接包含的盒式外显子或可变互斥外显子，不过通过可变 5′或 3′剪接位点或框内内含子保留引入 PTC 时，也会引发 NMD。NMD 在多种组织类型中都存在，在大脑中尤为突出。在人类中，编码 NMD 机制的基因变异与神经发育障碍密切相关。在小鼠和人类大脑皮层中已鉴定出 3058 个高度保守的盒式外显子，其中 1014 个被预测具有 NMD 外显子功能，此外，可能还有因可变 5′和 3′剪接位点或内含子保留产生的 NMD 靶转录本尚未在大脑中被识别出来。虽然 NMD 靶向转录本或 PEs 的确切作用尚未完全明确，但普遍认为这种剪接调控能通过调整前体 mRNA 中编码蛋白质的转录本和 NMD 靶向转录本的水平，快速微调蛋白质表达。
以 SCN1A 和 SCN8A 基因（分别编码电压门控钠通道 Nav1.1 和 Nav1.6）为例，它们都含有可变剪接的 PEs，这些 PEs 编码 PTC 并导致 NMD。对比人类背外侧前额叶皮层、小鼠皮层、恒河猴前脑和恒河猴后脑这些基因的标准转录本和 PE 转录本的发育时间进程发现，在胎儿发育和婴儿期，PE 转录本的表达最高，随着大脑发育进程推进，其表达逐渐降低，而标准转录本水平则逐渐升高，二者呈负相关。这表明，至少对于这些电压门控钠通道基因而言，PE 表达在整个大脑发育过程中受到严格调控，推测是为了在关键的神经发育窗口期精细平衡 Nav1.1 和 Nav1.6 的水平。
靶向毒性外显子的治疗潜力
大量旨在了解 PE 转录本形成和 NMD 靶向基本机制的研究揭示了它们强大的治疗潜力。多种反义寡核苷酸（ASOs）和剪接转换寡核苷酸（SSOs），这些长度为 15 - 20 个核苷酸、能与 RNA 杂交的分子，已成功开发为多种疾病的基因修饰疗法，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）、阿尔茨海默病（AD）、脊髓性肌萎缩症等。
理解无义介导的 mRNA 降解底物的新趋势和局限性
识别和验证 NMD 转录本是该领域面临的主要挑战。过去，研究转录本是否易受 NMD 影响的标准方法是用环己酰亚胺处理细胞培养模型，环己酰亚胺是一种广泛使用的翻译抑制剂，可阻断核糖体复合体的组装。虽然它能有效抑制 NMD，但在处理数小时后就会对细胞产生明显毒性。近年来，研究采用了更具特异性的方法来抑制 NMD 。
资金支持
本研究由美国国立神经疾病和中风研究所（NINDS）资助，项目编号为 R37NS076752，资助对象为 LLI。
利益冲突声明
Lori L. Isom 报告称，密歇根大学医学院为其提供了资金支持，她与密歇根大学医学院存在包括资助在内的合作关系。若有其他作者，他们声明不存在可能影响本文所报告研究工作的已知财务利益或个人关系。
