ナンセンス変異

遺伝学において、ナンセンス変異とは、 DNA配列中の点変異であり、転写されたmRNA中にナンセンスコドンまたは未熟な終止コドンを生じ、切断された不完全な、おそらくは機能しないタンパク質産物を生じる。^[1]ナンセンス変異は必ずしも有害ではない。^[2]ナンセンス変異の機能的影響は、コーディングDNA内の終止コドンの位置など、多くの側面に依存する。^[2]たとえば、ナンセンス変異の影響は、ナンセンス変異が元の終止コドンにどれだけ近いか、およびタンパク質の機能的サブドメインがどの程度影響を受けるかに依存する。^{[3]ナンセンス変異は}ポリペプチド鎖の未熟な終結につながるため、連鎖終結変異とも呼ばれる。^[4]

ミスセンス変異は、単一のヌクレオチドの変化によって異なるアミノ酸が置換される点変異であるため、ナンセンス変異とは異なります。ナンセンス変異は、終止コドンを除去する点変異であるノンストップ変異とも異なります。遺伝性疾患患者の約10％にナンセンス変異が関与しています。^[5]これらの変異が引き起こす疾患には、デュシェンヌ型筋ジストロフィー（DMD）、嚢胞性線維症（CF）、^[6]脊髄性筋萎縮症（SMA）、がん、代謝性疾患、神経疾患などがあります。^{[5] [7]}ナンセンス変異の発生率は遺伝子や組織によって異なりますが、ナンセンス変異を持つすべての患者で遺伝子サイレンシングが発生します。^[5]

    DNA : 5′—ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA—3′
         3′—TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT—5′ 

   mRNA : 5′—AUG ACU CAC CGA GCG CGA AGC UGA—3′

タンパク質: N— Met  Thr  His  Arg  Ala  Arg  Ser  Stop —C

上記の例は、24ヌクレオチド(8 つのトリプレット コドン)の 5' DNA 配列と、その相補鎖から始まり、その下に表示されます。次の行は、転写によって生成される5' mRNA鎖を強調表示します。最後に、最後の行は、それぞれのコドンから翻訳されるアミノ酸を示し、8 番目で最後のコドンは停止コドンを表します。4 番目のアミノ酸であるアルギニン(Arg) に対応するコドンは、この例の次の図でナンセンス変異を受けるため、強調表示されています。

    DNA : 5'—ATG ACT CAC T GA GCG CGA AGC TGA—3'
         3′—TAC TGA GTG A CT CGC GCT TCG ACT—5′ 

   mRNA : 5′—AUG ACU CAC U GA GCG CGU AGC UGA—3′

タンパク質: N— Met  Thr  His  Stop —C

ここで、5' DNA 配列の 4 番目のコドン (CGA) にナンセンス変異が導入され、シトシンがチミンに置き換えられ、5' DNA 配列に TGA が、相補鎖に ACT が生成されたとします。ACT は UGA として転写されるため、終止コドンとして翻訳されます。翻訳中に終止コドンに早期に到達するため、mRNA の残りのコドンはタンパク質に翻訳されません。これにより、短縮された (つまり、短縮された) タンパク質産物が生成され、多くの場合、正常な非変異タンパク質の機能が失われます。^[1]

有害な結果はナンセンス変異の大部分を占め、自然に観察される最も一般的な結果です。有害なナンセンス変異は、生物の全体的な適応度と生殖成功を低下させます。^[8]たとえば、タンパク質をコードする遺伝子で発生するナンセンス変異は、タンパク質の構造的または機能的欠陥を引き起こし、細胞生物学を混乱させる可能性があります。このタンパク質の機能の重要性に応じて、この混乱はその生物の適応度と生存に有害となる可能性があります。^[8]

ナンセンス変異が中立的である場合、それは利益も害ももたらさない。これらは、変異の影響が気付かれない場合に発生する。言い換えれば、これは、変異が生物にプラスにもマイナスにも影響を与えないことを意味する。この影響は気付かれないために、このような変異を記述する論文が不足している。このタイプのナンセンス変異の例としては、その特定のタンパク質の元の終止コドンの直前に発生する変異がある。^[8]この変異はタンパク質鎖の末端に非常に近いところで発生したため、この変化の影響はそれほど大きくない可能性がある。これは、変異したこのアミノ酸が、タンパク質または生物全体の全体的な構造や機能に大きな影響を与えなかったことを示唆している。このシナリオはまれだが、あり得る。^[8]

有益なナンセンス変異は、ナンセンス変異の結果の中で最も稀なものであると考えられています。有益なナンセンス変異は、有害な変異の影響とは逆に、生物の全体的な適応度と生殖成功度を高めます。^{[2] [8]}ナンセンス変異はDNA配列内に未熟な終止コドンを導入するため、このシナリオが実際に生物に利益をもたらす可能性は極めて低いです。^[1]この例としては、毒素を放出する機能不全のタンパク質に影響を与えるナンセンス変異が挙げられます。この変異によってもたらされる終止コドンは、この機能不全のタンパク質が適切に機能するのを阻止します。このタンパク質が最大限の力を発揮するのを止めると、毒素の放出が少なくなり、生物の適応度が向上します。ナンセンス変異によるこのような状況は、有害な結果よりもはるかに少ない頻度で発生します。^[8]

ナンセンス変異によるmRNA分解

未熟な終止コドンは短縮されたポリペプチド産物を生成する傾向があると予想されますが、実際には、生体内では短縮されたタンパク質の形成は頻繁には発生しません。ヒトや酵母などの下等種を含む多くの生物は、ナンセンス変異を含むmRNAを非機能的なポリペプチドに翻訳される前に分解するナンセンス仲介 mRNA分解経路を採用しています。

tRNA抑制

ナンセンス変異は、未熟な終止コドンを持つ改変された mRNA をもたらすため、最終的なタンパク質の機能への損傷を抑制する 1 つの方法は、mRNA を読み取る tRNA を変更することです。これらのtRNAはサプレッサー tRNAと呼ばれます。終止コドンが UAG の場合、他の任意のアミノ酸 tRNA を元のアンチコドンからAUC に変更して、代わりに UAG コドンを認識するようにすることができます。これにより、タンパク質は切り詰められませんが、変更されたアミノ酸が残る可能性があります。これらのサプレッサー tRNA 変異は、特定のコドンを読み取る tRNA が細胞に複数ある場合にのみ可能であり、そうでない場合、変異により細胞が死滅します。終止コドンは UAG、UAA、および UGA のみです。UAG および UAA サプレッサーは、元のコドンの代わりにそれぞれの終止コドンを読み取りますが、UAA サプレッサーは、ゆらぎ塩基対形成のため UAG も読み取ります。UGA サプレッサーは非常にまれです。この技術で越えなければならないもう一つのハードルは、終止コドンが解離因子によっても認識されるという事実であり、翻訳を継続するにはtRNAは依然として解離因子と競合する必要がある。このため、抑制は通常10～40%しか成功しない。これらの抑制tRNA変異は、変異ではない終止コドンも標的とし、一部のタンパク質が本来の長さよりもはるかに長くなる原因となる。細菌と下等真核生物だけがこれらの変異で生き残ることができ、哺乳類と昆虫細胞は抑制変異の結果として死滅する。^[4]

歴史的な理由から、3つの終止コドンには名前が付けられています（終止コドンを参照）。UAGはアンバーコドン、UAAはオーカーコドン、UGAはオパールコドンと呼ばれています。^[10]

ナンセンス変異は、ヒトの疾患を引き起こすタンパク質コード配列内の一塩基置換の約20％を占めています。^[12]ナンセンス変異を介した病理は、完全長タンパク質の量の減少に起因することがよくあります。これは、ナンセンス変異を持つ転写産物のうち、ナンセンス変異を介した崩壊（NMD）を起こさないのはわずか5〜25％であるためです。^{[13] [12]}残りのナンセンス変異を含むmRNAを翻訳すると、毒性効果のある短縮タンパク質変異体が生成される可能性があります。^[14]

23 種類の異なる単一ポイントヌクレオチド置換により、非終止コドンを終止コドンに変換できます。CGA TGA および CAG TAG の変異は、ヒト遺伝子変異データベース (HGMD) で特徴付けられる最も一般的な疾患関連置換です。^[12]各ヌクレオチドの置換頻度が異なるため、疾患を誘発するナンセンス変異によって生成される 3 つの終止コドンの割合は、非疾患遺伝子変異の終止コドン分布とは異なります。 [12]特に、疾患関連のナンセンス変異では、コドン TAG が過剰に表れているのに対し、TGA および TAA コドンは過小に表れています。 [ ^{12 ]}${\displaystyle \longrightarrow}$${\displaystyle \longrightarrow}$

翻訳終結効率はmRNA上の特定の終止コドン配列の影響を受け、UAA配列は最も高い終結効果をもたらします。^[15]終止コドンの周囲の配列も終結効率に影響を与えます。^[15]その結果、ナンセンス変異によって引き起こされる疾患の根本的な病理は、最終的には変異した遺伝子の正体と変異の特定の位置に依存します。

ナンセンス変異によって引き起こされる疾患の例には以下のものがあります。

• 嚢胞性線維症（嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子（CFTR）のG542X変異によって引き起こされる）
• ベータサラセミア（βグロビン）
• ハーラー症候群
• ドラベ症候群
• アッシャー症候群

他の遺伝子のナンセンス変異も、いくつかの組織や臓器系の機能障害を引き起こす可能性があります。

SMAD8

SMAD8はENDOGLIN遺伝子ファミリーの8番目のホモログであり、TGF-b/BMP間のシグナル伝達に関与している。SMAD8の新規ナンセンス変異が肺動脈性高血圧症と関連していることが判明している。 ^[16]肺系は、SMAD1、SMAD5、およびSMAD8に依存して肺血管機能を調節している。通常SMAD8によって操作されるシグナルのダウンレギュレーションと喪失が、肺動脈性高血圧症の発症に寄与している。 ^{[16] TGF-Bシグナル伝達ファミリーの一部である}ALK1遺伝子は、肺動脈性高血圧症患者で変異し、SMAD8遺伝子もダウンレギュレーションしていることが判明した。^{[16] SMAD8変異体はALK1によって}リン酸化されず、野生型生物では通常シグナル伝達を可能にするSMAD4との相互作用を阻害する。^[16]

LGR4はRスポンジンに結合してWntシグナル伝達経路を活性化する。^[17] Wntシグナル伝達は骨量と骨芽細胞の 分化を調節し、骨、心臓、筋肉の発達に重要である。^[17]健康な集団におけるLGR4ナンセンス変異は、骨密度の低下と骨粗鬆症の症状に関連している。LGR4変異マウスでは、観察された低骨量は加齢に伴う骨量減少によるものではないことが示された。 ^[17] LGR4の変異は、まれな骨疾患の病歴を持つ家系と関連している。^[17] LGR4を欠損した野生型マウスも、発達中に骨芽細胞の分化が遅れることを示し、骨量の調節と発達におけるLGR4の重要な役割を示した。^[17]

ナンセンス変異によって引き起こされる疾患の治療薬は、NMDの効力を低下させたり、翻訳中に未熟な終止コドンのリードスルーを促進したり、ゲノムのナンセンス変異を編集したりすることで、野生型の機能を再現しようとします。^[18]

NMDおよび翻訳終結タンパク質の発現を抑制するアンチセンスオリゴヌクレオチドは、ナンセンス変異誘発性疾患の動物モデルで研究されている。 ^{[18] [19]研究中の他のRNA治療薬には、未熟な終止コドンに遭遇したときに連鎖終結を開始する代わりに}リボソームがアミノ酸を挿入できるようにする合成サプレッサーtRNAがある。^[18]

CRISPR-Cas9ベースの一塩基置換は終止コドンからアミノ酸コドンを生成するために使用されており、細胞培養において10％の編集成功率を達成している。^[20]

リードスルーは、アミノグリコシドやネガマイシンなどの低分子薬剤を使用することで達成されています。^[18]オキサジアゾールであるアタルレン（旧称PTC124）は、異常な終止コドンの選択的なリードスルーを促進し、ナンセンス変異誘発性疾患に対する潜在的な治療薬となっています。^[21]トランスラーナという商標名で販売されているアタルレンは、現在、欧州経済領域とブラジルでデュシェンヌ型筋ジストロフィーの治療薬として承認されています。^{[22] [23]}しかし、嚢胞性線維症治療薬としてのアタルレンの第III相試験は、主要評価項目を達成できませんでした。^{[24] [25]}

• 嚢胞性線維症の非営利組織であるEmily's Entourageは、ナンセンス変異を研究している。
• ミスセンスmRNA
• ナンセンスサプレッサー
• タンパク質切断変異体

• ナンセンス変異財団は、あらゆる遺伝子にわたるナンセンス変異患者を支援しています