简介
微卫星具有固有的多态性，其中一些重复序列的长度变化导致30多种神经和神经肌肉疾病(1,2). 对于编码区发生扩张突变的疾病，如亨廷顿病（HD）和六种脊髓小脑共济失调（SCA1、2、3、6、7和17），（CAG）n个扩张（CAG经验)导致在其各自的蛋白质中合成聚谷氨酰胺（polyQ）束，这些蛋白积聚在细胞内，通常是泛素化的内含物中(三,4). 编码区域GCG也描述了类似的场景经验眼咽部肌营养不良的突变、多胺（polyA）表达和核内丝状内含物的存在(5). 毒性被认为是由蛋白质功能丧失机制引起的。例如，据报道，含有多聚Q的蛋白质会破坏各种细胞途径，包括转录调节、泛素-蛋白酶体系统、自噬和突触传递(6–11). 另外，对于微卫星扩增位于非编码区的疾病，已经提出了RNA增益功能模型。在强直性肌营养不良1型（DM1）患者中，CTG的转录经验3′-非翻译区（3′-UTR）的突变DMPK公司基因产生稳定的RNA发夹结构，作为支架和触发器，分别改变某些选择性剪接因子（包括MBNL1和CUGBP1）的活性(12,13). 最近，人类基因组中普遍转录的发现以及天然反义RNA与基因表达的功能相关性，使得编码区和非编码区之间的区别变得模糊了(14–16).
反义监管问题
最近对全基因组转录的评估表明，可以检测到许多哺乳动物基因的反义转录，包括与微卫星扩增疾病相关的野生型等位基因[表(14,17–20)]. 在大多数情况下，主要的有义链是蛋白质编码的，并且通常以比相应的反义转录物更高的拷贝水平存在，该反义转录物是非编码的，并且仅与有义转录单元部分重叠，通常在启动子和3′末端区。反义转录被认为可以在多个水平上调节基因表达，包括（i）由于转录相反链的RNA聚合酶II全酶复合物之间的潜在碰撞，导致有义链的转录干扰；（ii）通过招募各种染色质重塑复合物调节基因表达，这些复合物介导组蛋白修饰和DNA甲基化；（iii）掩蔽从导致选择性剪接的感觉链转录的前mRNA的剪接和聚腺苷酸化位点，以及poly（A）位点选择；（iv）诱导RNA编辑并调节RNA干扰、稳定性和翻译的正反义转录物之间的双重形成(21–23). 微卫星重复序列的扩增可能通过改变正反义转录物的相对水平或通过影响转录起始或终止位点来破坏这些调控步骤。
表1。
| 疾病 | 基因 | 重复正常/扩展 | 当前致病机制一 | 有义/反义阅读b条 |
|---|
| 牙脑苍白球蛋白萎缩（DRPLA） | DRPLA公司 | （复合年增长率）3–36/49–88 | 蛋白质GOF（polyQ） | 741/27 |
| 脆性X综合征（FRAXA） | FMR1（飞行管理1级）感觉 | （CGG）6–52/230至>2000 | 蛋白质LOF（FMRP） | 227/1 |
| 脆性X相关震颤/共济失调综合征（FXTAS） | ASFMR1、FMR4反义 | （CGG）6–52/60–200 | RNA GOF（CGG经验) | |
| 弗里德雷希共济失调（FRDA） | FXN公司 | （GAA）6–32/>200 | 蛋白质LOF（frataxin） | 102/3 |
| 亨廷顿病（HD） | HTT公司 | （复合年增长率）6–35/36–121 | 蛋白质GOF（polyQ） | 2554/43 |
| 亨廷顿病样2型（HDL2） | JPH3型 | （复合年增长率）6–28/40–59 | RNA GOF（CUG经验) | 31/188 |
| 强直性肌营养不良1型（DM1） | DMPK公司 | （CTG）5–37/50至>3500 | 核糖核酸-脱氧核糖核酸经验) | 483/27 |
| 强直性肌营养不良2型（DM2） | ZNF9型 | （CCTG）10–26/75至～11000 | 核糖核酸脱氧核糖核酸经验) | 2091/0 |
| 眼咽部肌营养不良（OPMD） | PABPN1型 | （GCG）10/12–17 | 蛋白质GOF（polyA） | 292/1 |
| 脊髓和延髓肌萎缩（SBMA） | 应收账 | （复合年增长率）9–36/40–55 | 蛋白质GOF（polyQ） | 103/3 |
| 脊髓小脑共济失调1型（SCA1） | ATXN1型 | （复合年增长率）6–39/39–81 | 蛋白质GOF（polyQ） | 2541/59 |
| 脊髓小脑共济失调2型（SCA2） | ATXN2型 | （复合年增长率）13–33/>34 | 蛋白质GOF（polyQ） | 759/13 |
| 脊髓角肌共济失调3型（SCA3） | ATXN3型 | （复合年增长率）13–44/>55 | 蛋白质GOF（polyQ） | 177/20 |
| 脊髓小脑共济失调6型（SCA6） | CACNA1A公司 | （复合年增长率）4–18/20–29 | 蛋白质GOF/LOF（？） | 242/48 |
| 脊髓角肌共济失调7型（SCA7） | ATXN7系列 | （复合年增长率）4–35/37–306 | 蛋白质GOF（polyQ） | 1313/34 |
| 脊髓小脑共济失调8型（SCA8） | ATXN8型感觉 | （立方英尺）<50/74–1300 | 蛋白质GOF（polyQ）感觉 | 95/4 |
| ATXN8OS系统反义 | | RNA GOF（CUG经验)反义 | |
| 脊髓小脑共济失调10型（SCA10） | ATXN10型 | （附件）10–29/800–4500 | 未知 | 1560/9 |
| 脊髓小脑共济失调12型（SCA12） | PPP2R2B型 | （复合年增长率）4–32/51–78 | 未知 | 264/35 |
| 脊髓小脑共济失调17型（SCA17） | TBP（待定） | （复合年增长率）25–42/47–63 | 蛋白质GOF（polyQ） | 66/2 |
| 脊髓小脑共济失调31型（SCA31） | TK2型 | （TGGAA）0/≥110 | RNA GOF（UGGAA经验) | 412/4 |
在接下来的部分中，我们重点关注三种神经系统疾病，其中双向转录与疾病的发病机制和进展有关，尽管在其他微卫星扩增位点也有反义RNA的报道(2,13). 首先，我们回顾了脊髓小脑共济失调8型（SCA8）的研究进展，SCA8是由感觉链和CUG产生的polyQ蛋白经验反义RNA被认为在发病机制中起重要作用。与SCA8相比，脆性X综合征（FRAXA）和脆性X相关震颤/共济失调综合征（FXTAS）是两种由CGG•CCG在FMR1/ASFMR1、FMR4轨迹。当失去FMR1（飞行管理1级）反义ASFMR1和FMR4转录物在FXTAS中的潜在作用将被综述。最后，我们评估了HD-like 2（HDL2）奇怪的分子病因，目前的证据表明，该病与CTG扩张有关JPH3型基因和CUG经验RNA毒性。考虑到HDL2与HD的临床相似性，以及大量证据表明polyQ毒性在后一种疾病中起主要作用，HDL2 CAG令人惊讶经验大脑中还没有检测到反义转录物。
在开始讨论之前，重要的是要注意，反义转录的任何潜在病理影响可能取决于几个参数，包括疾病位点的基因组组织、受影响基因的时空表达模式，重复序列和重复长度以及在基因中的位置。此外，邻近基因的表达也可能发生改变，这可能与基因密度高的疾病位点特别相关，例如DMPK公司DM1基因(24–27).
SCA8：polyQ蛋白和CUG的有毒混合物经验RNA？
对于大多数不稳定的微卫星疾病基因，反义RNA是否通过扩展的重复区域转录尚不清楚(14,20). SCA8是一个例外，它是一种显性SCA，外显率降低，有证据表明双向转录导致反义转录单元产生有毒的非编码RNA(ATXN8OS系统)和一种几乎纯的polyQ蛋白，ataxin 8，来自ATXN8型(18). 与其他形式的脊髓小脑共济失调不同，这种共济失调包含CAG经验在感觉链的编码区，SCA8最初被认为是一种完全由RNA介导的疾病，类似于DM1，因为唯一可检测到的RNA是非编码的ATXN8OS系统包含CUG的成绩单经验靠近3′端(28). 如前所述，神经肌肉疾病DM1中的RNA毒性是由非编码CTG的转录引起的经验在中DMPK公司基因。CUG中的转录结果经验在RNA加工过程中有效捕获MBNL1剪接因子并改变替代外显子使用以促进胎儿同种型产生的RNA(12,13). 这些CUG经验RNA–MBNL1复合物积聚在核RNA病灶中，可能是毒性更强的实体或只是一种保护性反应(29).
SCA8也可能由这种CUG引起经验毒性机制得到了多项研究的支持。野生型或扩展型人类的转基因表达SCA8公司中的基因果蝇导致进行性视网膜神经变性肌肉盲（MBNL1的苍蝇同源物）功能丧失突变(30). 此外，CUG经验在SCA8患者和表达人类基因的转基因小鼠的小脑皮层（Purkinje细胞、Bergmann胶质细胞、分子层中间神经元）中均可检测到病灶AXTN8/ATXN8OS带有（CTG）的基因116扩张突变（SCA8 BAC-exp）(31). 这些突变小鼠出现了渐进的神经表型，显著的步态障碍和小脑皮层抑制减少(18,31). 而低拷贝SCA8 BAC表达和杂合子Mbnl1型ΔE3/+敲除小鼠明显正常，这些品系之间的杂交导致后代的旋转体缺陷增强。如果毒性RNA-介导的机制与DM1相似，那么小脑抑制的减少可能反映了小脑抑制途径中涉及的蛋白质剪接的改变和随后的错误表达。事实上，这似乎是事实，因为GABA转运体GAT4/GABT4的水平在人类SCA8和小鼠SCA8 BAC-exp大脑中都升高，这与MBNL1调节的GAT4前mRNA选择性剪接有关。这些数据与突变型ATXN8OS CUG的模型一致经验转录物捕获MBNL1蛋白，而MBNL蛋白反过来会导致编码对GABA能抑制重要的蛋白质的MBNL靶RNA的错误剪接。
在感觉链上，ATXN8转录最初在人脑样本中缺失，可能是由于CAG经验放大问题(18). 幸运的是，ATXN8 RNA可以通过在小鼠SCA8 BAC-exp模型中扩增的下游立即使用引物，通过链特异性RT-PCR检测到。令人惊讶，与其他CAG不同经验扩张性疾病，这种RNA被预测编码一种几乎纯的polyQ蛋白(18). 在人类SCA8和SCA8 BAC-exp小鼠大脑和脑干的Purkinje细胞中观察到小脑polyQ内含物，可通过识别扩张polyQ束的单克隆抗体（mAb）1C2检测到，表明反义转录通过这些微卫星重复发生。因此，SCA8是微卫星疾病的第一个候选者，在该疾病中，RNA-介导（RNA焦点形成和错误分裂）和蛋白质介导（polyQ核内内含物）事件均已被记录（图). 然而，致病图片并不完整。对于感觉转录，尚不清楚ATXN8型蛋白印迹分析无法检测到的转录和polyQ蛋白足以引起细胞功能障碍，尽管纯polyQ蛋白质似乎具有高度毒性，因此易感细胞群可能会被迅速消除(32). 对于反义转录，CUG的表达经验RNA导致RNA对RNA剪接和小脑GABA能抑制丧失产生功能增强效应，但SCA8中观察到的小脑萎缩的基础仍然是一个谜，因为在SCA8 BAC-exp转基因模型中，这些神经退行性改变没有被重新描述。另一个复杂因素是另一个基因，KLHL1型，也以反义方向转录到ATXN8OS系统基因和这些基因的5′端以头对头的方式重叠(33). 因为反义转录理论上可以下调对侧链的表达，ATXN8OS系统CTG公司经验转录物可能降低SCA8中KLHL1 mRNA的水平。同意这种可能性，氯化钾1敲除小鼠小脑分子层轻度萎缩，这是SCA8患者的一个特征性特征，在转基因SCA8 BAC-exp模型中缺失。这一反义功能丧失模型的确认，需要KLHL1型SCA8大脑中的基因表达减少，尚未见报道。
双向转录在SCA8发病机制中的潜在作用。感觉的转录(ATXN8型)链（蓝丝带）导致从CAG合成ataxin8 polyQ（polyQ）蛋白经验成绩单（蓝线）。虽然尚未证明ataxin8的直接作用，但polyQ（绿色）在其他微卫星扩张障碍中的表达，如亨廷顿病，扰乱了多种调节途径（转录、泛素-蛋白酶体系统、自噬、突触传递）。相反，ATXN8OS转录产生有毒的CUG经验RNA（红线，具有U–U错配的RNA干环，显示为凸起的三角形），由于MBNL1螯合和CELF1过度磷酸化，使RNA剪接模式恢复为胎儿模式。还显示了差异转录RNA聚合酶II复合物（Pol II）诱导的转录干扰。
SCA8的一个令人费解的特征是与该疾病相关的外显率低，并且有报道称一些未受影响的个体藏匿于此ATXN8/ATXN8OS具有多达1000个CTG重复序列的等位基因(34–36). 也许通过重复的双向转录导致某些个体该位点基因沉默，从而显著降低有毒RNA和蛋白质的水平。然而，该位点没有异染色质形成的报道。是ATXN8型和ATXN8OS系统在同一细胞中共存，如果存在，它们的相对表达水平是什么？特定细胞类型的激光显微切割和染色体特异性RT-PCR可用于解决这一重要问题。此外，还需要开发其他细胞和动物模型系统来确定rCUG的相对毒性阈值经验RNA和polyQ。
FXTAS双向转录
在DM1中，最严重的疾病出现在出生时，是由非常大的CTG引起的经验（通常大于1000个重复）突变，而较短的扩张与成人发病的退行性疾病有关。CGG也出现了类似的情况经验5′-UTR突变FMR1（飞行管理1级）基因(37).FMR1（飞行管理1级）扩张根据重复长度引起两种不同的疾病(38). 在正常人群中，FMR1（飞行管理1级）等位基因包含6–52个CGG重复，并且较大的扩增（>200个重复）导致FMR1（飞行管理1级）转录沉默与神经发育障碍脆性X综合征。虽然较长的重复序列（55-200）最初被认为是预突变，但现在已知这些中间扩增会导致晚期成人发病障碍，即脆性X震颤/共济失调综合征（FXTAS）(39). FXTAS的临床表现包括小脑变性伴浦肯野细胞丢失、小脑深部白质海绵状变性和轴突肿胀。主要的神经病理学标志是嗜酸性泛素阳性的核内包涵体通过大脑和脊柱扩散。
一些证据表明，与DM1和SCA8中观察到的事件类似，RNA-介导的蛋白隔离事件可能对FXTAS发病机制很重要。FXTAS中FMR1 mRNA水平增加2–10倍，这些RNAs可在泛素阳性核内内含物中检测到，这些内含物也含有一系列蛋白质，包括层粘连蛋白A、Purα、hnRNPA2/B1、MBNL1、HSP40和20S蛋白酶体复合体(40,41). 支持rCGG有效捕获其中一些蛋白质的观点经验内含物，hnRNP A2/B1或Purα的过度表达抑制果蝇（CGG）90-EGFP转基因模型和Purα基因敲除小鼠在4周龄时出现震颤和癫痫发作，表明Purα在大脑发育和功能中起着重要作用(42–44). FXTAS相关CGG经验重复序列也是独立于基因背景的致病性。鼠标财务报告1（CGG）98和（CGG）∼120据报道，敲除模型再现了FXTAS的几个特征(45,46). 最近，已经产生了转基因小鼠，其中a（CGG）的表达90向上游重复Fmr1型或EGFP由Purkinje细胞特异性L7启动子驱动(47). 与表达相应转基因减去CGG的对照品系相比经验Fmr1和EGFP驱动（CGG）90细胞株出现无处不在的核内包涵体、浦肯野细胞轴突肿胀和神经元丢失增加。有趣的是，hnRNP A2/B1和Purα并不与这些CGG共定位经验夹杂物。
反义转录也可能在FXTAS发病机制中起作用(19). 位于FMR1（飞行管理1级）驱动反义的表达ASFMR1系列基因通过CCG重复区。FXTAS患者血细胞中ASFMR1转录物水平升高，ASFMR1转录物被剪接、多聚腺苷化、转运到细胞质，并可能通过CUG上游的起始密码子被翻译成聚脯氨酸蛋白经验尽管没有证据表明会发生这种情况(19). 存在多种交替剪接形式的ASFMR1 RNA和CGG经验突变改变了剪接模式。另一个非编码基因，FMR4号机组，在的上游启动FMR1（飞行管理1级）启动站点(48). 这两个基因似乎共享一个双向启动子，因为这两个转录单位在脆性X中沉默，但在患者白细胞FXTAS中上调。当然，这些反义重复序列也可以折叠成RNA发夹，从而隔离rCCG结合蛋白。
HDL2：一帧不够
亨廷顿病样2型（HDL2）是另一种常染色体显性和进行性神经变性疾病，由CTG•CAG扩张突变引起，与HD一样，该突变导致纹状体神经元显著缺失(49–51). 与HD相反，HDL2感觉转录物由嗜连接蛋白-3(JPH3型)基因，包含CTG经验位于3′-UTR或编码区中，根据剪接JPH3型外显子2A，包含CTG重复序列上游的三个可选3′剪接位点。HDL2扩展相对较短（40-59个重复），这可能反映了重复在编码区和非编码区中的位置。虽然蛋白质和RNA功能获得机制的结合可以解释HDL2的发病机制，但CTG的位置经验在非编码区，表明存在RNA介导的机制。确实，CUG经验HDL2死后大脑皮层神经元中可检测到RNA病灶，这些病灶与MBNL1共定位(50). 也有报道称，在HDL2大脑中，几个MBNL1靶点（MAPT第2外显子和APP第7外显子）发生错配。
由于HD和HDL2之间的相似性，也对蛋白质获得功能的机制进行了评估。一个明显的候选者是从JPH3型反义CAG经验抄本。为了支持这种可能性，在HDL2大脑中观察到的1–2µm泛素阳性核周内含物也被mAb 1C2识别，该单克隆抗体最初是针对含有多聚Q区的TATA-box-binding蛋白（TBP）诱导产生的(51). 反对角色的论点JPH3型反义转录是不可能检测到CAG经验据报道，使用RT-PCR策略和单克隆抗体1C2从HDL2大脑中获得的转录物与编码在感观转录物上的多胺和多亮氨酸发生交叉反应(50,51). 然而，另一项研究未能证实1C2识别多胺或多亮氨酸(18)抗JPH3抗体不能检测到HDL2脑中扩张的多胺或多亮氨酸蛋白(51). 另一个混杂因素是在HDL2核内内含物中检测到TBP(51). 与SCA8类似，这些1C2阳性内含物通常不会与HDL2脑中的核RNA病灶共定位，因此在相同的细胞群体中，正或反义转录物可能不会以类似的水平表达，或者有毒RNA和蛋白质的组合会导致因细胞快速死亡而导致重表达不足。然而，脑内JPH3反义转录的问题应使用RNA-seq技术重新研究，特别是考虑到最近的不对称链特异性基因表达分析（ASSAGE）报告。使用正常血单个核细胞和几个细胞系，这项研究证明JPH3型反义转录物存在，并且确实比正义RNA表达更丰富（测序读数增加6倍(14,20)].
观点
虽然当代对SCA8、FXTAS和HDL2的研究揭示了双向转录在这些疾病的发病机制中发挥巨大作用的潜力，但仍存在许多基本问题。重复长度会影响受影响位点的双向表达吗？有毒的RNA和蛋白质可能是由相同的扩增突变协同产生的吗？还是某些细胞类型优先合成一种而不是另一种？产生有毒RNA和蛋白质的细胞是否特别容易受到扩张介导的细胞死亡？要回答这些问题和许多相关问题，需要开发新一代基于细胞和动物的模型，专门评估双向转录诱导的组合蛋白和RNA毒性的潜力。
利益冲突声明。未声明。
