eLife:miRNA担任细胞内的mRNA质量监控者

miRNA介导的mRNA质量监控系统示意图

当miRNA靶位点位于mRNA中的读码框(ORF)区时，由于核糖体在翻译过程中的清扫作用，miRNA难以稳定结合到mRNA中的靶位点上，无法发挥调控作用。当mRNA发生无义突变后，核糖体的翻译在提前终止密码子(PTC)处发生停滞，其下游原本位于ORF区中的miRNA靶位点便能够被miRNA所高效识别，抑制无义突变mRNA的翻译并导致其被迅速降解，从而有效阻止截短蛋白质的产生

miRNA是真核生物基因组编码的长约22个碱基的非编码小rna，调控超过三分之一以上基因的表达，参与了包括细胞增殖、分化、凋亡和代谢等几乎所有生命过程，并与多种人类疾病存在重要关联。miRNA与 Ago等蛋白质形成RISC复合物，通过碱基互补配对识别位于信使RNA(mRNA) 3’非翻译区(3’ UTR)的靶位点，促进mRNA的降解并抑制其翻译，是细胞内基因表达调控网络的重要组成部分。

在本项研究中，吴立刚研究组博士研究生赵雅等发现，miRNA在细胞内除了调控基因表达外，还扮演了mRNA质量监控者这一全新角色，负责识别并清除细胞中的无义突变mRNA，防止功能异常的羧端截短蛋白质给生物体造成危害。

mRNA是细胞内遗传信息由基因组DNA传递到具有功能的蛋白质分子过程中最重要的中间分子。DNA复制中的突变，mRNA转录、加工中的错误，以及可变剪接，都可能产生含有提前终止密码子(PTC)的mRNA，因终止密码子不编码氨基酸，因此也被称为无义突变。无义突变导致核糖体对mRNA的翻译提前终止，产生羧端截短的蛋白质。这些截短的蛋白质往往没有活性或功能异常，对细胞的正常功能造成潜在威胁。

目前已知多种遗传疾病，如地中海贫血、进行性肌营养不良, 以及乳腺癌、结直肠癌等癌症，均与无义突变密切相关。生物体经过长期进化发展出了一整套精密、高效的监控机制来识别和清除这些有害的无义突变，但目前我们对细胞内mRNA质量监控机制的种类和作用原理了解非常有限。

此前研究较多的是由外显子连接复合体(EJC)介导的对含有提前终止密码子mRNA的降解(NMD)机制，但尚有很多生理和病理现象难以用该模型进行解释，并且部分基因的无义突变体也不能被EJC介导的NMD机制所识别和清除，如与结直肠癌发生发展密切相关的APC基因等。

本项研究发现，miRNA引起的mRNA的翻译抑制和降解作用有很强的位置依赖性。当miRNA靶位点位于读码框(ORF)区时，由于核糖体在翻译过程中的清扫作用，miRNA难以稳定结合到mRNA中的靶位点上，因此抑制效率非常低。而一旦mRNA中原有终止密码子上游出现提前终止密码子，使得一些原本在ORF区中的miRNA靶位点位于了新形成的3’ UTR区，miRNA便能够充分识别并结合到靶位点，造成无义突变mRNA的翻译被抑制，并被迅速降解，从而有效阻止截短蛋白质的产生。

对结肠癌细胞系的外显子组和转录组测序分析以及实验验证，进一步揭示了细胞内有多种基因的无义突变体受到miRNA介导的质量监控系统的调控，例如抑癌基因APC的无义突变体受到miR-29等多种miRNA的有效抑制。

研究还发现miRNA介导的质量监控系统与EJC介导的NMD在细胞内互不相斥，且它们的抑制效应具有累加性，共同抑制了乳腺癌相关的BRCA1基因的无义突变体的表达。上述研究结果拓展了人们对miRNA功能的认识，并为无义突变体导致的疾病提供了新的治疗思路。

本项研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委以及中国科学院的经费支持。

原文摘要：

MicroRNA-mediated repression of nonsense mRNAs

Ya Zhao, Jimin Lin, Beiying Xu, Sida Hu, Xue Zhang, Ligang Wu

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.

作者：上海生化细胞所