結(jié)上述研究成果，基因缺失突變形成的無(wú)義mRNA降解NMD可引導(dǎo)COMPASS復(fù)合物對(duì)同源基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)H3K4的三甲基化，激活同源基因轉(zhuǎn)錄。無(wú)義mRNA怎么介導(dǎo)對(duì)同源基因轉(zhuǎn)錄的表觀調(diào)控，具體機(jī)制是什么，有待于下一步的工作。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1057-y

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1064-z

 

參考文獻(xiàn)：

1. Kitano, H. Biological robustness，Nature Reviews Genetics, 5:827 (2004)

2. Rossi, A. et al. Genetic compensation induced by deleterious mutations but not gene knockdowns. Nature ,524:230 (2015).

專家點(diǎn)評(píng)：

孫永華（國(guó)家斑馬魚(yú)資源中心主任）

 

遺傳補(bǔ)償是指機(jī)體中特定基因發(fā)生功能喪失型的序列突變后，導(dǎo)致該基因家族的其他成員表達(dá)上調(diào)，從而彌補(bǔ)特定基因功能的遺傳學(xué)現(xiàn)象。遺傳補(bǔ)償現(xiàn)象廣泛存在于動(dòng)植物，如擬南芥、斑馬魚(yú)、小鼠甚至是人類中，被認(rèn)為是生物在進(jìn)化中為了應(yīng)對(duì)基因突變而產(chǎn)生的遺傳耐受，其通常發(fā)生于基因敲除而非基因敲降個(gè)體中。近年來(lái)，隨著基因組編輯技術(shù)的迅速發(fā)展，利用反向遺傳學(xué)手段系統(tǒng)構(gòu)建突變體研究基因的在體功能成為可能，然而出乎意料的是眾多基因的突變并不會(huì)導(dǎo)致明顯的表型缺陷。例如，在斑馬魚(yú)中，超過(guò)80%的基因突變并不會(huì)出現(xiàn)明顯的表型。因此，學(xué)術(shù)界對(duì)遺傳補(bǔ)償?shù)年P(guān)注度越來(lái)越高。這兩篇發(fā)表于Nature的論文利用斑馬魚(yú)或小鼠培養(yǎng)細(xì)胞模型，在不同的層面闡釋了誘發(fā)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的可能的分子機(jī)制。

 

德國(guó)馬普研究所Didier Y. R. Stainier實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)論證了無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解（nonsense-mediated mRNA decay，NMD）對(duì)誘發(fā)遺傳補(bǔ)償?shù)闹匾裕焊蓴_NMD途徑的重要因子upf1的表達(dá)會(huì)降低遺傳補(bǔ)償效應(yīng)；在野生型胚胎中過(guò)表達(dá)未加冒的RNA（這種RNA在體內(nèi)會(huì)快速被5’-3’核酸內(nèi)切酶降解）會(huì)導(dǎo)致遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的出現(xiàn)；缺失基因的啟動(dòng)子區(qū)或整個(gè)基因座位（沒(méi)有突變mRNA的降解）并不會(huì)導(dǎo)致遺傳補(bǔ)償效應(yīng)。同時(shí)，他們的研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生補(bǔ)償?shù)幕蛲ǔＥc突變mRNA具有高度的序列相似性，且補(bǔ)償基因的高表達(dá)與其轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)處的組蛋白H3K4me3修飾有關(guān)。

 

更進(jìn)一步，浙江大學(xué)陳軍實(shí)驗(yàn)室和彭金榮實(shí)驗(yàn)室合作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)且僅當(dāng)轉(zhuǎn)錄的mRNA攜帶提前終止密碼子（premature termination codon，PTC）才會(huì)誘導(dǎo)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)，如果突變位點(diǎn)位于基因的最后一個(gè)外顯子則不會(huì)誘發(fā)遺傳補(bǔ)償，非常有意思的是他們還證明只有攜帶PTC和同源序列的轉(zhuǎn)基因才能激活體內(nèi)同源基因的表達(dá)，而注射體外合成的mRNA并不具備這樣的功能。他們的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，介導(dǎo)NMD的upf1或upf3b都不參與遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的產(chǎn)生，而同家族的upf3a直接參與誘導(dǎo)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)：Upf3a蛋白結(jié)合在攜帶PTC的無(wú)義mRNA上，招募Wdr5-COMPASS復(fù)合體至同源基因的轉(zhuǎn)錄起始區(qū)域，促進(jìn)核小體H3K4位的3甲基化，激活同源基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生遺傳補(bǔ)償。如果無(wú)義mRNA與Upf3b結(jié)合，則會(huì)招募Upf2和Upf1使無(wú)義mRNA進(jìn)入NMD途徑。

 

這兩份工作分別從NMD發(fā)生和無(wú)義 mRNA產(chǎn)生的角度，揭示了遺傳補(bǔ)償效應(yīng)發(fā)生的可能分子機(jī)制。它們的共同點(diǎn)在于：1) 均強(qiáng)調(diào)無(wú)義mRNA對(duì)于遺傳補(bǔ)償發(fā)生的必要性；2)發(fā)生補(bǔ)償?shù)幕蛲ǔＥc突變RNA具有序列相似性；3)補(bǔ)償基因的激活表達(dá)與其轉(zhuǎn)錄起始序列處的H3K4me3修飾相關(guān)。不同點(diǎn)在于，浙大工作認(rèn)為無(wú)義突變mRNA并非只是簡(jiǎn)單地被NMD途徑降解，部分無(wú)義突變mRNA會(huì)與Upf3a招募COMPASS復(fù)合體，激活同源基因的表達(dá)。

 

遺傳補(bǔ)償?shù)姆肿訖C(jī)制的揭示對(duì)于如何阻斷遺傳補(bǔ)償以研究基因功能，或者激活遺傳補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)對(duì)突變導(dǎo)致的遺傳疾病的治療均提供了全新的思路。例如為了更好地研究基因功能，通過(guò)敲除啟動(dòng)子區(qū)阻斷突變RNA轉(zhuǎn)錄，或針對(duì)編碼重要功能域的最后一個(gè)外顯子創(chuàng)造突變，都可以有效地避免遺傳補(bǔ)償效應(yīng)；另一方面，通過(guò)敲除/敲降upf3a也可以阻斷遺傳補(bǔ)償?shù)?。?duì)于錯(cuò)義突變所導(dǎo)致的遺傳疾病的治療，則可以考慮在突變基因中人為制造PTC或轉(zhuǎn)基因引入PTC來(lái)誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生遺傳補(bǔ)償，從而達(dá)到基因治療的目的。

 

 

總之，遺傳補(bǔ)償分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)具有重大科學(xué)意義。當(dāng)然，這一領(lǐng)域仍然有一些亟待回答的科學(xué)問(wèn)題。例如，在同一基因家族的多個(gè)成員間，發(fā)生遺傳補(bǔ)償是否具有基因或序列特異的選擇性？為什么有些無(wú)義mRNA突變會(huì)導(dǎo)致遺傳補(bǔ)償，另一些突變又不導(dǎo)致補(bǔ)償效應(yīng)？是否存在過(guò)度遺傳補(bǔ)償，以及什么情況下可能出現(xiàn)過(guò)度補(bǔ)償?shù)男?yīng)？

 

 

徐鵬飛（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院，百人計(jì)劃研究員）

 

對(duì)于一些尚沒(méi)有胚胎干細(xì)胞（ESCs）系的模式生物如斑馬魚(yú)等來(lái)說(shuō)，利用同源重組的方法建立基因敲除模型一直是一項(xiàng)困難的任務(wù)，因此Morpholino（是把核苷酸上的五碳糖環(huán)用一個(gè)嗎菲林（morpholino）取代，同時(shí)對(duì)磷酸基團(tuán)也做了改變，使其可以以堿基配對(duì)的方式與體內(nèi)的目的基因mRNA 結(jié)合，抑制蛋白翻譯，達(dá)到瞬時(shí)敲低基因表達(dá)的目的，在斑馬魚(yú)、爪蟾和雞胚等模式生物中得到廣泛應(yīng)用）等基因敲低技術(shù)一直是一種簡(jiǎn)便快捷的研究基因功能的手段，直到TALEN、Crispr-Cas9等基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，人們終于可以在斑馬魚(yú)等模式生物中高效的實(shí)現(xiàn)基因敲除，建立小鼠基因敲除模型的效率也大大提高了。大家在為之興奮的同時(shí)，很多實(shí)驗(yàn)室（尤其是斑馬魚(yú)實(shí)驗(yàn)室）都多多少少遇到了相同的問(wèn)題：基因敲除模型與Morpholino敲低模型不一致，甚至敲低表型在基因敲除模型中徹底消失。這個(gè)問(wèn)題造成了很大的困擾：這種現(xiàn)象是因?yàn)镸orpholino的脫靶效應(yīng)引起的？難道之前很多的基因敲低工作都是錯(cuò)的？抑或是在遺傳水平上完全缺失某些基因啟動(dòng)了全新的機(jī)制所導(dǎo)致？

 

針對(duì)這些問(wèn)題，科學(xué)家們進(jìn)行了深入的探索，之前已有一些工作表明遺傳敲除某些基因會(huì)啟動(dòng)某種代償機(jī)制，對(duì)缺失的基因，其同源基因會(huì)在突變體中的表達(dá)量上調(diào)，從而補(bǔ)償其功能，而達(dá)到維持機(jī)體正常生理功能的目的【1,2】！但其機(jī)制并未闡明。

 

4月4日Nature在線背靠背發(fā)表的來(lái)自浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的陳軍老師和彭金榮老師實(shí)驗(yàn)室的工作，和來(lái)自德國(guó)馬克普朗克研究所的Didier Stainier實(shí)驗(yàn)室的工作分別對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了研究【3,4】。陳軍、彭金榮老師研究組首先針對(duì)capn3a和nid1a兩個(gè)基因，用一系列漂亮的突變體結(jié)合轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)系證明了基因突變導(dǎo)致的遺傳補(bǔ)償機(jī)制（Genetic Compensation Response，GCR）是依賴于突變所造成的蛋白翻譯未成熟提前終止信號(hào)（premature termination codon，PTC），這種提前終止會(huì)導(dǎo)致突變基因的同源基因上調(diào)，從而導(dǎo)致敲低capn3a導(dǎo)致的肝臟變小以及nid1a敲低所導(dǎo)致的體長(zhǎng)變短兩個(gè)表型在其各自的突變體中消失；進(jìn)一步的研究證明該補(bǔ)償機(jī)制依賴于Upf3a蛋白介導(dǎo)的一種存在于真核生物中重要的RNA監(jiān)控機(jī)制- “無(wú)義介導(dǎo)的mRNA降解”信號(hào)通路（nonsense-mediated mRNA decay，NMD），但并不依賴于同樣參與NMD的Upf1和Upf3b，有意思的是，Upf3a介導(dǎo)的基因代償，并非使突變mRNA降解，相反的，是保護(hù)其不被降解（這與同期發(fā)表的另一篇文章的機(jī)制正好相反）；陳、彭研究組進(jìn)一步證明，Upf3a誘導(dǎo)遺傳補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制是其與COMPASS復(fù)合體結(jié)合，從而增加相關(guān)同源基因在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的H3K4三甲基化水平，而最終使這些基因的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)（下圖），而被保護(hù)的突變基因可能起到識(shí)別、并招募Upf3a及COMPASS復(fù)合體至其同源基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的作用。

 

 

同期背靠背發(fā)表的另一篇文章利用斑馬魚(yú)和小鼠模型，同樣闡明了PTC介導(dǎo)的依賴于NMD的基因代償機(jī)制，同樣需要COMPASS介導(dǎo)的H3K4三甲基化參與，最大的不同是，Stainier組所闡述的機(jī)制依賴于突變mRNA的降解，而不是保護(hù)（下圖），可能的原因是否是因?yàn)椴煌慕M織所利用的遺傳代償機(jī)制有所不同？（前一篇文章兩個(gè)基因分別影響肝臟和體長(zhǎng)發(fā)育，后一篇文章主要關(guān)注了細(xì)胞的形態(tài)和斑馬魚(yú)血管）

 

 

 

綜上所述，這兩篇文章解決了困擾很多研究組的一個(gè)難題，為辛辛苦苦獲得了突變體而發(fā)現(xiàn)表型沒(méi)了的實(shí)驗(yàn)室重新帶來(lái)了希望，因此相信一段時(shí)間內(nèi)陳、彭老師的Upf3a突變體會(huì)非常搶手。另外，像這兩篇文章中提到的，這也許可以為基因突變所導(dǎo)致的一些疾病帶來(lái)新的治療策略，同時(shí)，這兩篇文章也引出了一些很有意思的問(wèn)題，如：COMPASS在特定基因的突變體中如何實(shí)現(xiàn)特異性的識(shí)別其同源基因的，突變mRNA如何識(shí)別其同源基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？是否有更多的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制參與？以及為什么只有部分基因存在代償機(jī)制，該代償機(jī)制是否存在細(xì)胞或組織特異性等。