Nature重磅 | 浙大陈军团队发现mRNA携带PTC通过Upf3a和COMPASS元件引起遗传补偿效应

推荐：江舜尧

编译：微遗传

编辑：马莉

2019年4月3日浙江大学生命科学学院陈军教授团队在国际顶级期刊《Nature》上发表了题为“PTC-bearing mRNA elicits a genetic compensation response via Upf3aand COMPASS components”的文章。在该研究中，研究人员发现upf3a morpholino对capn3a（Δ14）胚胎处理后，在capn8和capn12基因TSS位点组蛋白H3K4的三甲基化水平的降低。Upf3a蛋白可以和COMPASS复合物Wdr5蛋白直接作用，并和Rbbp5蛋白发生联系，形成Upf3a-Wdr5-Rbbp5的复合物，从而激活基因转录。Morpholino产生阻断wdr5功能，进而可抑制遗传补偿效应，表明了COMPASS复合物在遗传补偿效应中的必需性。

研究概要

2015年，德国马普学会DidierStainier教授报道了斑马鱼中一种遗传补偿效应（genetic compensation，GC）。在斑马鱼中，科学家通常使用Morpholino来阻断mRNA翻译进行基因功能缺失的研究。基因补偿效应(GCR)最近被认为可用来解释基因敲除和敲低之间的表型差异，然而，GCR的潜在分子机制仍不明确。本研究中，研究人员使用斑马鱼capn3a和nid1a基因敲低和敲除模型，提出了mRNA携带过早终止密码子(PTC)迅速触发包含Upf3a和COMPASS复合物成分的GCR。与具有小肝脏的capn3a敲除胚胎和身体较短的nid1a敲除胚胎不同，capn3a-null和nid1a-null突变体表型正常，这些表型差异归因于同一家族中其他基因的上调。通过对6个设计独特的转基因进行分析，他们证明了GCR依赖于PTC和补充内源性基因的同源转基因mRNA核苷酸序列。他们也发现了upf3a(含有无意义密码介导的mRNA衰减通路的成员之一)和GCR中COMPASS复合物包括wdr5的功能组成。此外，他们还证明了GCR伴随着补偿性基因转录起始位点区域组蛋白H3 Lys4三甲基化(H3K4me3)的增强。这些发现为GCR提供了潜在的机制基础，同时将在突变基因中创建PTC或引入包含PTC的转基因来触发GCR，从而在治疗与遗传疾病相关的错义突变治疗策略的发展产生了至关重要的作用。

斑马鱼中，Morpholino抑制capn3a基因功能造成肝脏缩小，而capn3a的一个14bp缺失突变体（Δ14）却表型正常。该缺失突变体造成氨基酸第60位沉默突变即一个提前终止密码子，capn3 mRNA水平也非常低，显示是一个完全功能缺失突变。研究者们同时检测19个capn3同源基因发现有共计10个同源基因的mRNA水平升高，capn8和capn12的表达增加最多，但是Morpholino组没有这些基因表达升高。因此他们推测是无义mRNA降解（NMD）引起的。为了验证推测，他们继续构建了多个capn3基因不同位点可能引起NMD的沉默突变。实验表明，不同位点的沉默突变可有不同的补偿效果。有75%位点的沉默突变没有肝脏缩小表型，激活了同源基因的表达。这一补偿效应有序列特异性，只引起同源基因的表达升高。 capn3无义RNA不能引起别的基因的表达上升。同时capn3a转录本水平越低，同源基因的表达越高。进一步分析显示，补偿效应的产生需要这些无义RNA的转录和翻译，进一步提示了NMD的存在。无义mRNA降解（NMD）由Upf1，Upf2和Upf3蛋白结合在外显子连接部位，触发RNA降解。Upf3b活跃参加介导了NMD，而在其他研究中upf3a没有NMD作用，甚至显示相反效果。该研究构建了upf3a（-）；capn3a（Δ14）双缺失突变体，斑马鱼呈现了capn3a功能缺失的肝脏缩小表型，没有了遗传补偿，从而揭示了upf3a介导了遗传补偿效应。