将翻译缺陷mRNA的细胞质降解与转录适应性联系起来的机制

《SCIENCE》：Mechanisms linking cytoplasmic decay of translation-defective mRNA to transcriptional adaptation

转录适应（TA）机制通过突变mRNA降解触发补偿基因表达，研究揭示ILF3蛋白连接细胞质mRNA降解与核转录激活，并鉴定关键触发序列及同源互补机制，为基因治疗提供新策略。

　　

编辑总结

矛盾的是，携带关键基因失活突变的个体有时能够存活甚至茁壮成长。其中一个因素是转录适应，这是一个尚未完全理解的过程：突变基因产生的信使RNA（mRNA）降解产物会激活相关的补偿基因。El-Brolosy等人将RNA结合蛋白ILF3确定为连接细胞质mRNA降解与核基因激活的关键环节（参见Rambout和Maquat的观点文章）。他们还确定了作为这种反应“触发因素”的确切mRNA降解片段。他们的研究使我们更接近于理解这一不寻常的现象，并有可能利用转录适应来为多种遗传疾病提供程序化的补偿。——Di Jiang

结构化摘要

引言

遗传学中一个长期存在的悖论是，许多经过工程改造的突变动物以及携带关键基因失活变异的个体表现出很少的或没有表型特征。这种适应性重新引发了人们对缓冲遗传扰动机制的兴趣。许多突变会产生异常的信使RNA（mRNA），这些mRNA会被细胞质中的监控途径（如无义介导的降解（NMD）和连续降解（NSD）所降解。转录适应（TA）是一种适应性机制，其中突变mRNA的降解——而不是蛋白质的丢失——会引发相关基因的序列依赖性上调，这些相关基因被称为适应基因。如果这些基因是功能相关的同源基因或在杂合子背景下存在野生型等位基因，TA可以帮助减轻表型后果。然而，细胞质中的RNA降解如何影响核转录激活以及启动这一过程的mRNA降解中间产物的性质仍然不清楚。

研究理由

我们假设存在一种穿梭的RNA结合蛋白（RBP），它将细胞质中的mRNA降解与核中的转录过程联系起来。为了研究TA的机制，我们结合了功能基因组学和生化方法来（i）识别TA的介质及其机制；（ii）确定启动该反应的mRNA衍生的降解中间产物。

结果

在一个TA模型中进行的全基因组CRISPR筛选中，发现Actg1的非终止等位基因能够上调其同源基因Actg2，结果表明RBP ILF3是这一反应的介质。ILF3与之前报道的TA成分（包括mRNA降解因子和COMPASS复合体）相互作用，其敲除减少了Actg2的上调，但不影响突变mRNA的降解。Perturb-seq实验提供了ILF3在TA中发挥更广泛作用的证据。交叉链接核RNA免疫沉淀后进行测序（RIP-seq）表明，ILF3与适应基因位点的RNA结合，这与降解中间产物引导ILF3到互补的反义转录本的观点一致。新兴的转录组分析表明，ILF3促进转录延伸，而通过dCas13将ILF3人工招募到反义RNA上足以增加转录。

为了识别触发TA的序列，我们开发了一种基于寡核苷酸的筛选方法——触发筛选：将以1个核苷酸（nt）为间隔的短片段克隆到设计用于经历NMD的载体中，并测试它们激活内源基因的能力。对Actg1的筛选发现了一个75个核苷酸的序列，当该序列转染到细胞中时足以诱导Actg2的上调。对该序列的扫描诱变研究表明，Actg1和Actg2之间的完全序列同源性区域是关键，这表明需要与适应基因的反义RNA发生杂交。将这种方法扩展到其他基因时，发现了能够激活这些基因自身表达的序列（自我TA）。另外，通过反义寡核苷酸（ASO）介导的反义RNA敲低也导致了基因表达的增加。

结论

本研究确定ILF3是TA的介质，它将细胞质中的mRNA降解与核转录激活联系起来。我们提出，细胞质中产生的降解中间产物引导ILF3到适应基因位点的新生反义RNA，通过改变染色质环境和/或干扰反义RNA对正义基因表达的负面影响来促进基因表达。触发筛选方法为识别和设计能够激活基因表达的寡核苷酸提供了框架，这为遗传性疾病的治疗提供了一种潜在策略。

在浏览器中打开

转录适应（TA）的分子模型。

ILF3与mRNA降解中间产物结合，这些中间产物在转移到核后引导其招募到适应基因位点的反义RNA上，从而促进基因激活。平铺触发筛选方法确定了参与这一过程的mRNA降解片段。[使用BioRender.com创建的图表]

摘要

转录适应（TA）是一种遗传适应性机制，通过这种机制，突变信使RNA（mRNA）的降解会引发所谓适应基因的序列依赖性上调。细胞质中生成的mRNA片段如何影响核转录仍不清楚。通过全基因组CRISPR筛选，我们发现ILF3是一种RNA结合蛋白，它连接了细胞质中的mRNA降解和转录过程，并且它是多种TA底物的必需成分。ILF3在适应基因的RNA中富集，通过dCas13人工招募ILF3可以促进基因表达。利用平铺寡核苷酸筛选方法，我们识别出了在引入细胞后能激活适应基因的触发RNA片段。进一步的功能分析揭示了触发序列与目标序列之间的同源性在其中的关键作用。这些发现增强了我们对TA的分子理解，并为设计用于增强基因表达的可编程寡核苷酸提供了依据。