Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Эукариоттардағы ертерек тоқтату кодондары бар мРНК-ны жою
Elimination of mRNA with premature stop codons in eukaryotes
Ессіз медиацияланған мРНК ыдырауы (NMD) – барлық эукариоттарда кездесетін бақылау жолы. Оның негізгі функциясы – ген экспрессиясындағы қателерді азайту, ертерек тоқтату кодондарын қамтитын мРНК транскрипттерін жою арқылы. Бұл бұрмаланған мРНК-ның аудармасы кейбір жағдайларда пайда болатын ақуыздардың зиянды функциясын немесе доминантты теріс әсерін күшейтуі мүмкін. NMD алғаш рет 1979 жылы адам жасушаларында және ашытқыда дерлік бір уақытта сипатталды. Бұл осы қызықты механизмнің кең филогенетикалық сақталуын және маңызды биологиялық рөлін көрсетеді. NMD, егер клеткалардағы еш мәнсіз мутацияларды алып жүретін аллельдерден транскрипцияланған мРНК-ның күтпегендей төмен концентрациясы бар екендігі анықталғанда ашылды. Еш мәнсіз мутациялар протеиннің қысқаруына себеп болатын ертерек тоқтату кодонын кодирлейді. Қысқартылған протеин, аудармаланбаған бөліктің ауырлығына байланысты, функционалды немесе функционалды емес болуы мүмкін. Адам генетикасында NMD аномальды протеиндердің аудармасын шектеуге ғана емес, кейде нақты генетикалық мутацияларда зиянды әсерлерге де әкелуі мүмкін. NMD көптеген биологиялық функцияларды әртүрлі клеткаларда реттейді, соның ішінде ересектердің мінез-құлқына әсер ететін нейрондардың синапты пластикалық қабілетін де қамтиды.
Nonsense mediated mRNA decay (NMD) is a surveillance pathway that exists in all eukaryotes. Its main function is to reduce errors in gene expression by eliminating mRNA transcripts that contain premature stop codons. Translation of these aberrant mRNAs could, in some cases, lead to deleterious gain of function or dominant negative activity of the resulting proteins. NMD was first described in human cells and in yeast almost simultaneously in 1979. This suggested broad phylogenetic conservation and an important biological role of this intriguing mechanism. NMD was discovered when it was realized that cells often contain unexpectedly low concentrations of mRNAs that are transcribed from alleles carrying nonsense mutations. Nonsense mutations code for a premature stop codon which causes the protein to be shortened. The truncated protein may or may not be functional, depending on the severity of what is not translated. In human genetics, NMD has the possibility to not only limit the translation of abnormal proteins, but it can occasionally cause detrimental effects in specific genetic mutations. NMD functions to regulate numerous biological functions in a diverse range of cells, including the synaptic plasticity of neurons which may shape adult behavior.
Жол
NMD-ге қатысы бар көптеген белоктар түрлер арасында сақталмайды, бірақ Saccharomyces cerevisiae (ашытқыда) NMD-де үш негізгі фактор бар: UPF1, UPF2 және UPF3 (адамда UPF3A және UPF3B), олар NMD жолының сақталған ядросын құрайды. Бұл үш фактордың барлығы да фрейм өзгертетін (UPF) ақуыздар деп аталатын трансактивті элементтер. Сүтқоректілерде UPF2 және UPF3 басқа ақуыздармен, eIF4AIII, MLN51 және Y14/MAGOH гетеродимерімен бірге біріктірілгеннен кейін mRNA-ға байланысқан экзон-экзон қосылыс кешенінің (EJC) бөлігі болып табылады, олар NMD-де де жұмыс істейді. UPF1 фосфорилирлеуін SMG 1, SMG 5, SMG 6 және SMG 7 ақуыздары реттейді. Аберрант транскрипттерді анықтау процесі мРНК аудармасы кезінде жүреді. Сүтқоректілерде аберрант транскрипттерді анықтаудың танымал моделі, алғашқы аударма кезеңінде рибосома біріккеннен кейін мРНК-ға байланысқан экзон-экзон қосылыс кешендерін алып тастайды деп болжайды. Егер бірінші аудармадан кейін осы ақуыздардың кез келгені мРНК-ға байланысқан болса, NMD белсендіріледі. Тоқтату кодонынан төмен орналасқан экзон-экзон қосылыс кешендері транскрипттен алынбайды, өйткені рибосома оларға жетуден бұрын босатылады. Аударманың аяқталуы мРНК-да UPF1, SMG1 және босату факторлары, eRF1 және eRF3 құрамынан тұратын кешеннің құралуына әкеледі. Егер транскриптте ертерек тоқтату кодоны болғандықтан EJC мРНК-да қалса, онда UPF1 UPF2 және UPF3-пен байланысқа келіп, UPF1-дің фосфорилирленуін тудырады. Омыртқалы жануарларда соңғы экзон-экзон қосылыс кешенінің тоқтату кодонына қатысты орналасуы әдетте транскрипт NMD-ге ұшырайтынын немесе ұшырамайтынын анықтайды. Егер тоқтату кодоны соңғы экзон-экзон қосылыс кешенінің 50 нуклеотиді ішінде болса, онда транскрипт қалыпты түрде аудармаланады. Алайда, егер тоқтату кодоны кез келген экзон-экзон қосылыс кешендерінен 50 нуклеотидтен артық жоғары болса, онда транскрипт NMD арқылы төмендетіледі. Фосфорилирленген UPF1 кейін SMG 5, SMG 6 және SMG 7-мен өзара әрекеттеседі, олар UPF1-дің дефосфорилирленуін ынталандырады. SMG 7 NMD-де тоқтату эффекторы болып саналады, өйткені ол P денелерінде жиналады, олар мРНК ыдырауының цитоплазмалық орындары болып табылады. Ашытқы және адам жасушаларында мРНК ыдырауының негізгі жолы 5' қақпағының алынып тасталуымен басталады, содан кейін экзорибонуклеаза ферменті XRN1 арқылы ыдырауы жүреді. МРНК ыдырауының басқа жолы 3'-5' бағытында деаденилирлеу арқылы жүзеге асырылады. Аберрант транскрипттерді жоюдағы NMD-нің жақсы белгілі рөліне қоса, 3'UTR-де интрондар бар транскрипттер де бар. Бұл хабарламалар NMD нысаналары деп болжанады, бірақ олар (мысалы, Arc деп аталатын цитоскелетпен байланысты белсенділігі реттеледі) NMD-нің физиологиялық маңызды рөлдерін көрсететін маңызды биологиялық функцияларды орындай алады. Тек бір зақымдалған аллельді алып жүретін адамның мутацияланған β-глобин мРНК деңгейі жоқ немесе өте төмен болады. Аурудың одан да ауыр түрі интермедиальды талассемия немесе "қосымша дене" талассемиясы болуы мүмкін. МРНК деңгейінің төмендеуі орнына мутантты транскрипт қысқартылған β-тізбектерді шығарады, бұл гетерозиготадағы клиникалық фенотипке әкеледі. 2012 жылы Британдық дерматологтар қауымдастығында жарияланған, POMC нөлдік мутациясы үшін гомозиготалық Солтүстік Африкалық семіз баланың қызыл шаштың фенотипі болмауы, шаштың пигменттік химиялық талдауында мәнсіздікпен араласқан ыдыраған РНК бағалауын көрсетті. Олар POMC генінің мутациясының белсенділігін жойғанда семіздік, бүйрек үсті безінің жеткіліксіздігі және қызыл шаш пайда болатынын анықтады. Бұл адамдарда да, егеуқұйрықтарда да байқалды. Бұл экспериментте олар Италияның Рим қаласынан келген 3 жасар баланы сипаттады. Ол Аддисон ауруымен және ерте семіздікпен ауырғандықтан назар орталығында болды. Олар оның ДНК-сын жинап, ПТР әдісімен көбейтті. Реттеулік талдау тоқтату кодонын анықтайтын гомозиготалық бір реттік алмастыруды көрсетті. Бұл аберрант ақуызды тудырды және сәйкес келетін аминқышқылдар тізбегі гомозиготалық нуклеотидтің нақты орнын көрсетті. Субституция 3-экзонға және 68-кодонның нонсенс-мутациясына орналасты. Бұл эксперименттің нәтижелері еуропалық емес науқастарда ерте пайда болған семіздік және гормон тапшылығы бар қызыл шаштың болмауы POMC мутацияларының болуын жоққа шығармайды. Бұл геномдық зерттеуде ғалымдар аутосомалық гендердің X-пен байланысты гендерге қарағанда мәнсіз аралас ыдырауларға ұшырауы ықтимал екенін анықтады. Себебі NMD X хромосомаларын жақсартады және бұл жолдың тежелуімен көрсетілді. Нәтижелер X және аутосомалық гендердің экспрессиясының теңгерімділігі тежелу әдісіне қарамастан 10-15% - ға төмендегенін көрсетті. NMD жолы үлкен популяциядағы немесе аутосомалық гендердің экспрессиясын басуға бейім. Қорытындылай келе, алынған деректер альтернативті біріктіру мен NMD-нің ген экспрессиясын реттеудің кең таралған тәсілі екенін көрсетеді.
While many of the proteins involved in NMD are not conserved between species, in Saccharomyces cerevisiae (yeast), there are three main factors in NMD: UPF1, UPF2 and UPF3 (UPF3A and UPF3B in humans), that make up the conserved core of the NMD pathway. All three of these factors are trans acting elements called up frameshift (UPF) proteins. In mammals, UPF2 and UPF3 are part of the exon exon junction complex (EJC) bound to mRNA after splicing along with other proteins, eIF4AIII, MLN51, and the Y14/MAGOH heterodimer, which also function in NMD. UPF1 phosphorylation is controlled by the proteins SMG 1, SMG 5, SMG 6 and SMG 7. The process of detecting aberrant transcripts occurs during translation of the mRNA. A popular model for the detection of aberrant transcripts in mammals suggests that during the first round of translation, the ribosome removes the exon exon junction complexes bound to the mRNA after splicing occurs. If after this first round of translation, any of these proteins remain bound to the mRNA, NMD is activated. Exon exon junction complexes located downstream of a stop codon are not removed from the transcript because the ribosome is released before reaching them. Termination of translation leads to the assembly of a complex composed of UPF1, SMG1 and the release factors, eRF1 and eRF3, on the mRNA. If an EJC is left on the mRNA because the transcript contains a premature stop codon, then UPF1 comes into contact with UPF2 and UPF3, triggering the phosphorylation of UPF1. In vertebrates, the location of the last exon junction complex relative to the termination codon usually determines whether the transcript will be subjected to NMD or not. If the termination codon is downstream of or within about 50 nucleotides of the final exon junction complex then the transcript is translated normally. However, if the termination codon is further than about 50 nucleotides upstream of any exon junction complexes, then the transcript is down regulated by NMD. The phosphorylated UPF1 then interacts with SMG 5, SMG 6 and SMG 7, which promote the dephosphorylation of UPF1. SMG 7 is thought to be the terminating effector in NMD, as it accumulates in P bodies, which are cytoplasmic sites for mRNA decay. In both yeast and human cells, the major pathway for mRNA decay is initiated by the removal of the 5’ cap followed by degradation by XRN1, an exoribonuclease enzyme. The other pathway by which mRNA is degraded is by deadenylation from 3’ 5'. In addition to the well recognized role of NMD in removing aberrant transcripts, there are transcripts that contain introns within their 3'UTRs. These messages are predicted to be NMD targets yet they (e. g., activity regulated cytoskeleton associated protein, known as Arc) can play crucial biologic functions suggesting that NMD may have physiologically relevant roles. An individual carrying only one affected allele will have no or extremely low levels of the mutant β globin mRNA. An even more severe form of the disease can occur called thalassemia intermedia or ‘inclusion body’ thalassemia. Instead of decreased mRNA levels, a mutant transcript produces truncated β chains, which in turn leads to a clinical phenotype in the heterozygote. Published in the British Associations of Dermatologists in 2012, Lack of red hair phenotype in a North African obese child homozygous for a novel POMC null mutation showed nonsense mediated decay RNA evaluation in a hair pigment chemical analysis. They found that inactivating the POMC gene mutation results in obesity, adrenal insufficiency, and red hair. This has been seen in both in humans and mice. In this experiment they described a 3 year old boy from Rome, Italy. He was a source of focus because he had Addison's disease and early onset obesity. They collected his DNA and amplified it using PCR. Sequencing analysis revealed a homozygous single substitution determining a stop codon. This caused an aberrant protein and the corresponding amino acid sequence indicated the exact position of the homozygous nucleotide. The substitution was localized in exon 3 and nonsense mutation at codon 68. The results from this experiment strongly suggest that the absence of red hair in non European patients with early onset obesity and hormone deficiency does not exclude the occurrence of POMC mutations. In this genome wide survey, the scientists found that autosomal genes are more likely to undergo nonsense mediated decay than X linked genes. This is because NMD fine tunes X chromosomes and it was demonstrated by inhibiting the pathway. The results were that balanced gene expression between X and autosomes gene expression was decreased by 10–15% no matter the method of inhibition. The NMD pathway is skewed towards depressing expression of larger population or autosomal genes than x linked ones. In conclusion, the data supports the view that the coupling of alternative splicing and NMD is a pervasive means of gene expression regulation.