编辑推荐：
本文综述了mRNA质量控制机制在调控衰老与年龄相关疾病中的最新研究进展。作者系统论述了无义介导mRNA降解（NMD）、无终止降解（NSD）及无终止降解（NGD）三种关键mRNA监控通路的机制及其在维持转录本质量、防止异常蛋白累积中的作用。文章重点探讨了NMD、NSD/NGD及其相关的核糖体相关质量控制（RQC）通路功能下降如何破坏蛋白质稳态，进而导致衰老加速及神经退行性疾病、癌症等年龄相关疾病的发生。综述指出，增强这些mRNA监控通路的功能可能是延缓衰老和治疗相关疾病的新策略。
引言
衰老是一个复杂的生物学过程，伴随着生理功能逐渐衰退以及对多种年龄相关疾病易感性的指数级增加。在分子层面，基因组不稳定和蛋白质稳态（proteostasis）的破坏加速了细胞衰老和机体老化。近期研究表明，mRNA质量控制系统在衰老中扮演着重要角色。利用线虫Caenorhabditis elegans进行的研究证实，mRNA质量控制及剪接的稳态调控在机体衰老中具有重要功能。此外，在芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae和线虫中，与共翻译mRNA质量控制系统密切相关的停滞核糖体的年龄依赖性累积，对衰老和寿命产生影响。真核细胞拥有多种mRNA监控系统来清除异常转录本。其中，无义介导mRNA降解（Nonsense-mediated mRNA decay, NMD）靶向含有提前终止密码子（Premature termination codons, PTCs）的mRNA；无终止降解（Nonstop decay, NSD）清除缺乏终止密码子、导致核糖体在poly(A)尾停滞的mRNA；而无终止降解（No-go decay, NGD）则传统上针对含有导致内部核糖体停滞的茎环结构或稀有密码子的mRNA。NMD、NSD和NGD的功能受损会导致如早衰和神经退行性变等生理缺陷，凸显了维持mRNA质量控制对机体健康的重要性。
mRNA监控机制的基本概念
NMD是研究最为深入的mRNA监控过程，可消除含有位于外显子-外显子连接点上游的PTCs的转录本。NMD的关键因子包括从酵母、线虫到人类中都保守的SMG-2/UPF1、SMG-3/UPF2、SMG-4/UPF3和SMG-1/SMG1。在经典的EJC（外显子连接复合体）依赖性模型中，NMD由位于EJC结合位点上游的PTC触发。SMG-2/UPF1和SMG-4/UPF3分别通过结合到遭遇PTC的核糖体的eRF3和EJC来识别真核释放因子1和3（eRF1和eRF3），SMG-3/UPF2则桥接两者从而激活NMD。此外，还存在EJC非依赖性的NMD模型，例如PTC与poly(A)结合蛋白胞质1（PABPC1）之间距离过长可减弱终止效率，增加UPF1占有率，最终引发NMD。
NSD和NGD是另外两种已确立的共翻译mRNA监控过程，靶向与核糖体停滞或碰撞相关的缺陷转录本。NSD作用于缺乏终止密码子的mRNA，而NGD靶向导致延伸停滞的mRNA。这些mRNA上的核糖体停滞和碰撞会触发核糖体相关质量控制（Ribosome-associated quality control, RQC）。锌指蛋白598（ZNF-598/ZNF598）可识别碰撞的核糖体并介导40S核糖体亚基的泛素化，这对于启动RQC至关重要。一旦检测到碰撞，激活信号共整合子1复合体（ASCC）会识别碰撞的核糖体，并通过其解旋酶活性解离前导核糖体。停滞在mRNA 3‘端的核糖体则由PELOTA（PELO-1/DOM34/PELO）和HBS1样翻译GTP酶（HBS-1/HBS1/HBS1L）的异源二聚体复合物进行拯救，并募集ATP结合盒亚家族E成员1（ABCE-1/ABCE1）将核糖体拆分为60S和40S亚基。随后，触发停滞和碰撞的异常mRNA通过两条途径被降解：在NSD途径中，超杀伤（SKI）-外泌体复合物通过其3‘-5’核酸外切酶活性降解mRNA；在NGD途径中，5‘-3’核酸外切酶1（XRN-1/XRN1）降解mRNA片段。同时，与停滞核糖体相关的新生肽链被LISTERIN E3泛素蛋白连接酶1（Y54E10A.11/Ltn1/LTN1）泛素化。核输出介质因子（Y82E9BR.18/RQC2/Clbn/NEMF）结合60S亚基，并促进羧基末端丙氨酸-苏氨酸（CAT）尾的延伸。随后，缬酪肽包含蛋白（CDC48/VCP）从60S亚基中提取出泛素化的新生肽，释放的多肽被蛋白酶体降解，从而防止异常蛋白质的累积。
NMD在衰老及年龄相关疾病中的作用
NMD在衰老过程中的潜在作用近期备受关注。在线虫中，衰老会降低NMD活性，而正常的NMD是多种干预措施（包括daf-2/胰岛素/IGF-1受体突变）导致线虫长寿所必需的。值得注意的是，被鉴定为NMD正调控因子的α-1,3/1,6-甘露糖基转移酶（ALGN-2/ALG2）有助于线虫的长寿。与这些线虫研究一致，NMD的靶标——长启动子衍生转录本或延长的3‘非翻译区（3’ UTR）在衰老的哺乳动物培养细胞中积累。此外，在包括鳉鱼和小鼠在内的多个物种中，含有PTC的转录本在衰老过程中倾向于上调。尽管这不是NMD调控衰老的直接证据，但这表明NMD活性下降有助于破坏蛋白质稳态，而这可能是加速衰老的一个原因。
NMD在多种年龄相关神经退行性疾病中也起着关键作用，包括阿尔茨海默病（Alzheimer‘s disease, AD）、肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS）和亨廷顿病。在果蝇中，大部分含有差异保留内含子的mRNA在衰老过程中增加，这可能激活NMD，而这些mRNA与AD相关。在tau蛋白病模型果蝇中转基因表达人tau基因会导致NMD靶标上调约两倍，而过表达smg-2/UPF1可改善此现象。smg-2/UPF1过表达也在多种果蝇和哺乳动物ALS模型中引发神经保护功能。NMD还调节内质网递送mRNA的mRNA质量，表明NMD受损可能损害神经元完整性，导致神经退行性变。此外，人类SMG-2/UPF1、SMG-3/UPF2或SMG-4/UPF3通过NMD途径抑制了表达人FUS基因的酵母ALS模型中FUS介导的神经毒性。NMD缺失还会导致短亚型TAR DNA结合蛋白（sTARDBP）mRNA水平急剧增加，而其积累会导致神经退行性变。这些发现提示了NMD的重要神经保护功能以及靶向NMD治疗神经退行性疾病的潜力。
癌症的发病机制也与NMD相关。癌症基因组通常包含许多体细胞突变，其中一部分会产生PTCs，这暗示了NMD在调控关键癌症相关基因中的作用。由肿瘤抑制基因（包括p53和p21）编码的含有PTC的转录本会被NMD降解。在50例肝细胞癌（HCC）患者中，有31例患者的癌组织中smg-2/UPF1表达显著降低，表明NMD活性普遍下降。在HCC组织中，NMD靶标SMAD7（编码转化生长因子-β（TGF-β）抑制剂）的mRNA水平显著增加。smg-2/UPF1过表达可显著降低HCC细胞中SMAD7的mRNA和蛋白水平。因此，SMG-2/UPF1通过下调SMAD7激活TGF-β通路来抑制HCC肿瘤发生。smg-2/UPF1下调也通过增强线粒体活性氧来增强肿瘤的免疫逃逸。相反，NMD组分常被作为癌症治疗靶点。用SMG-1抑制剂（SMG1i）化合物11j与MDM2抑制剂XR-2联合处理，可显著上调p53通路，防止癌变。此外，通过抑制甲基化SMG-2/UPF1的PRMT4来 destabilize SMG-2/UPF1，会导致产生多种抗原，使细胞对抗PD-1治疗敏感。
NSD和NGD在衰老及年龄相关疾病中的作用
另外两种与RQC相关的mRNA监控机制——NSD和NGD，也在防止异常mRNA和蛋白质积累方面对细胞起到保护作用。近期研究表明，NSD和NGD在衰老和年龄相关疾病中具有关键功能。核糖体相关的分离3‘UTR是来源于丢失了编码序列和5’UTR但仍与核糖体结合的mRNA的RNA片段。氧化应激会损害含铁硫簇的核糖体回收因子ABCE1/ABCE-1，导致核糖体在终止密码子附近停滞，并随后通过NGD途径进行内切核酸酶切割。此类分离的3‘UTR在老年小鼠和人类大脑中积累，特别是在高氧化应激的神经元中，代表了衰老过程中核糖体回收受损的分子标志。在酵母中，氧化应激导致含有8-氧代-7,8-二氢鸟苷（氧化RNA损伤标志物）的氧化mRNA积累，这些mRNA会停滞翻译并触发NGD途径降解。此外，NSD/NGD的关键组分PELO-1/DOM34/PELO、HBS-1/HBS1/HBS1L及其旁系同源物SKI7，对于氧化应激耐受不可或缺，因为它们可抵消异常蛋白质的产生。NSD和NGD过程失调会导致蛋白质聚集，这是多种年龄相关疾病和衰老的标志。缺乏终止密码子的mRNA（NSD降解的靶标）可产生与细胞缺陷相关的异常蛋白质，例如人类外周神经病患者中非终止变异体REEP1的自聚集。由缺乏终止密码子的mRNA产生的蛋白质产物定位于核仁并导致果蝇和培养的人类细胞核仁变形。这种核仁变形可能导致核糖体生物合成受损。受损的核糖体生物合成通过将前60S亚基释放到细胞质中而导致翻译缺陷，从而引起核糖体停滞。受损的rRNA合成和核糖体生物合成减少也分别通过激活p53和视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）直接导致细胞衰老。此外，NSD和NGD缺陷会导致酵母内源性蛋白质的广泛聚集。这些聚集的蛋白质主要由高度丰富和活跃翻译的蛋白质组成，支持了mRNA监控途径可防止产生错误折叠蛋白质并破坏蛋白质稳态的异常翻译事件的观点。
mRNA监控相关RQC在衰老及年龄相关疾病中的作用
翻译过程中mRNA上的核糖体停滞可能由mRNA损伤、二级结构变化、稀有密码子或tRNA和氨基酸缺乏引起。核糖体停滞及随后的核糖体碰撞会产生异常和功能失调的新生多肽，破坏蛋白质质量。因此，RQC作为一种共翻译监控过程，可降解新生多肽和异常mRNA，同时回收核糖体和tRNA，从而有助于维持适当的蛋白质质量。RQC受损会导致异常蛋白质及其聚集增加，从而破坏蛋白质稳态，暗示了RQC与年龄相关病理之间的密切关系。
在线虫、酵母和鳉鱼中，核糖体在聚碱性片段上的停滞和碰撞随着年龄增长而增加，降低了翻译延伸动力学。此外，核糖体停滞导致易聚集的异常新生肽链随年龄积累。核糖体停滞通常发生在具有易停滞序列的mRNA上，包括NSD靶向的缺乏终止密码子的mRNA，或含有触发NGD的抑制性结构的mRNA。NSD、NGD和RQC组分的水平和活性随年龄增长而下降。在线虫中，与第1天成虫相比，第9天成虫的RQC/NSD和RQC/NGD报告信号增加了近两倍，表明NSD、NGD和RQC活性相应降低。关键RQC组分（包括RACK-1/ASC1/RACK1、TCF25和Y82E9BR.18/RQC2/Clbn/NEMF）的翻译水平在衰老过程中降低两倍以上。这些数据表明，RQC组分水平下降导致新生多肽清除受损和聚集蛋白质积累。此外，关键NSD、NGD和RQC组分的mRNA水平，如pelo-1/DOM34/PELO和skih-2/SKIV2L，在衰老过程中降低约两倍。年龄依赖性的mRNA监控和RQC损伤会加剧蛋白毒性应激并破坏蛋白质稳态。这是通过允许核糖体停滞衍生的异常新生肽链积累，以及通过升高的mTOR信号传导损害自噬来实现的。值得注意的是，对于解决停滞核糖体和降解缺陷mRNA至关重要的PELO-1/DOM34/PELO和SKIH-2/SKIV2L，是线虫中由胰岛素/IGF-1信号减弱所导致的长寿以及维持健康寿命所必需的。重要的是，PELO-1/DOM34/PELO的作用在哺乳动物中是保守的，其在培养的人类细胞和小鼠中的缺失会加速细胞衰老、肌肉减少症和神经退行性变。在短寿命脊椎动物非洲鳉鱼的大脑中，聚碱性片段上核糖体停滞的年龄依赖性增加导致富含碱性氨基酸的mRNA翻译减少。这种翻译减少导致蛋白质-转录本解偶联，即mRNA水平保持不变而蛋白质水平下降。发生蛋白质-转录本解偶联的蛋白质包括核糖体蛋白、DNA和RNA聚合酶、剪接体组分和DNA修复因子，所有这些都会影响衰老。
RQC受损也与多种年龄相关神经系统疾病有机制上的联系，包括帕金森病（Parkinson‘s disease, PD）和AD。在线粒体受损时，线粒体外膜定位mRNA上停滞的核糖体会募集RQC因子，如PELO-1/DOM34/PELO、ABCE-1/ABCE1和E3连接酶CCR4-NOT转录复合体亚基4（NTL-4/CNOT4），后者泛素化ABCE-1/ABCE1以触发PINK-1依赖性线粒体自噬。值得注意的是，PD患者大脑中ABCE-1/ABCE1和HBS-1/HBS1/HBS1L的水平显著降低。此外，线粒体功能障碍会损害翻译终止，导致线粒体外膜相关复合物-I 30 kD亚基（C-I30）的非模板C末端延伸。这种延伸由Y82E9BR.18/RQC2/Clbn/NEMF通过添加丙氨酸和苏氨酸（称为CAT加尾）介导。这些带有C末端延伸的异常蛋白质被整合到线粒体呼吸复合物中或形成胞质聚集体，破坏氧化磷酸化和蛋白质稳态。在果蝇PD模型中，通过过表达编码RQC关键组分的eRF1或abce-1/ABCE1来增强RQC，可防止C-I30的C末端延伸并减轻线粒体和神经肌肉缺陷。在表达人淀粉样前体蛋白C末端片段（APP.C99）的果蝇AD模型中，APP.C99翻译过程中的核糖体停滞增加。功能失调的RQC会增加APP.C99的聚集，导致内溶酶体和自噬缺陷。增强RQC和消除聚集的APP.C99可减轻AD模型中的神经肌肉退化和认知缺陷，表明RQC功能对AD的发病机制至关重要。Y54E10A.11/Ltn1/LTN1的隐性低效突变（由框内缺失引起）会降低小鼠年龄依赖性肌肉功能，并增加营养不良性神经突和过度磷酸化的tau蛋白。因此，Y54E10A.11/Ltn1/LTN1通过RQC调控神经退行性病理。另一个调控CAT加尾的关键RQC因子基因Y82E9BR.18/RQC2/Clbn/NEMF的突变会导致小鼠和人类的神经肌肉退行性变。翻译起始的抑制是RQC中实现适当蛋白质质量控制的关键步骤之一。编码RQC底物mRNA翻译起始抑制因子的gyf-1/Gigyf2/GIGYF2基因突变会导致小鼠运动功能障碍和神经退行性变。此外，在gyf-1/Gigyf2/GIGYF2突变小鼠的脑干和小脑中会积累α-突触核蛋白阳性神经突斑块。
结语
mRNA监控机制，包括NMD、NSD和NGD，通过提高mRNA和蛋白质质量，在维持细胞和机体健康方面起着至关重要的作用。NMD消除含有PTCs的转录本，而NSD和NGD降解导致核糖体停滞和碰撞的转录本，这些停滞由RQC解决。这些监控过程有助于正常细胞功能，并在衰老和年龄相关疾病中扮演关键角色。越来越多的证据表明，NSD和NGD以及RQC在衰老和年龄相关疾病的发病机制中具有关键作用。然而，很少有研究关注源自RQC功能障碍的人类疾病的临床方法。最近，RQC功能障碍与年龄相关疾病的发病机制有关，这提高了通过增强RQC来治疗AD、PD和ALS等疾病的可能性。特别是在临床上激活RQC通路或其关键组分，可能预防早衰并延缓年龄依赖性慢性疾病的发作。
