无义突变

无义突变（Nonsense mutation）是一类点突变（Point mutation），它将编码某一氨基酸的密码子（有义密码子）直接改变为一个终止密码子（UAA， UAG 或 UGA， 在DNA水平上对应TAA， TAG 或 TGA）。这种突变导致信使RNA翻译过程在突变位点处提前终止，产生被截短的、通常不稳定或无功能的蛋白质产物。因此，绝大多数无义突变属于功能丧失性突变（Loss-of-function mutation），与多种遗传病和癌症的发生密切相关。

1. 分子机制与后果

• 发生机制：通常由单个碱基的替换（转换或颠换）引起。

  • 示例：将编码谷氨酰胺的CAG密码子（DNA： CAG）的第一个碱基C突变为T，则变为TAG（对应mRNA上的UAG， 即琥珀终止密码子）。

• 主要分子后果：

  1. 截短蛋白的产生：核糖体在遇到提前出现的终止密码子时，会释放未完成的多肽链，形成截短蛋白。

  2. mRNA降解：细胞存在一套无义介导的mRNA降解（Nonsense-mediated mRNA decay， NMD）机制。该机制能够识别并降解含有提前终止密码子的异常mRNA，以防止产生潜在有害的截短蛋白。因此，无义突变常导致突变等位基因的mRNA水平显著降低。

  3. 功能丧失：截短的蛋白通常缺乏关键的功能结构域，导致其完全或部分丧失正常生物学功能。

2. 生物学与病理学意义

• 遗传病的常见病因：无义突变是导致数千种孟德尔遗传病的主要原因之一。

  • 范例：

    • 囊性纤维化：CFTR 基因上的无义突变（如G542X）。

    • 杜氏肌营养不良：DMD 基因中的无义突变导致肌营养不良蛋白合成中断。

    • β-地中海贫血：HBB 基因的无义突变导致β-珠蛋白链合成缺陷。

• 在癌症中的作用：

  • 肿瘤抑制基因失活：无义突变是导致肿瘤抑制基因（如 TP53， APC， PTEN， BRCA1）功能丧失的重要机制，遵循二次打击假说。

  • DNA修复基因失活：导致同源重组修复（如 *BRCA1/2*）或错配修复（如 MLH1， MSH2）等功能丧失，引发基因组不稳定性。

  • 在癌基因中较少见，因为通常需要功能获得性突变来驱动癌症。

3. 无义突变与“通读”治疗策略

由于无义突变有明确的分子后果（产生提前终止密码子），这为开发靶向性疗法提供了独特机会：

• 无义突变通读药物：这类小分子药物的目标是诱导核糖体“忽略”提前的终止密码子，继续翻译至正常的终止密码子，从而产生全长、有功能的蛋白质。

  • 作用机制：通常通过改变核糖体对终止密码子的解码准确性，或抑制终止密码子与释放因子的结合。

  • 代表药物：阿塔鲁伦（Ataluren， PTC124）是首个进入临床的无义突变通读药物，用于治疗由无义突变引起的杜氏肌营养不良和囊性纤维化。其疗效具有疾病和突变背景依赖性。

• 基因治疗：通过病毒载体导入正确的基因拷贝，替代突变基因的功能。

• CRISPR/Cas9基因编辑：理论上可通过同源定向修复直接修正突变的DNA序列。

4. 相关概念

• 错义突变：一个氨基酸密码子变为另一个氨基酸密码子，可能影响蛋白质功能，但不一定导致功能完全丧失。

• 移码突变：插入或缺失非3的倍数个碱基，导致阅读框改变，通常也会很快引入提前终止密码子，产生更严重的截短效应。

• 终止密码子获得：即无义突变本身。

• 终止密码子丢失：将终止密码子变为氨基酸密码子，导致蛋白质C端异常延伸。

5. 研究挑战

• NMD的干扰：NMD机制会降低突变mRNA的丰度，可能影响通读药物的底物可用性和疗效评估。

• 通读效率与保真度：药物诱导的通读可能效率不高，且可能影响正常基因的终止密码子识别，导致毒性。

• 蛋白质功能恢复：即使产生全长蛋白，其折叠和功能是否完全正常仍需验证。

参考文献

1. Frischmeyer, P. A., & Dietz, H. C. (1999). Nonsense-mediated mRNA decay in health and disease. Human Molecular Genetics, 8(10)， 1893-1900. （关于无义介导的mRNA降解机制及其在疾病中作用的经典综述）

2. Keeling, K. M., & Bedwell, D. M. (2011). Pharmacological suppression of premature termination codons as a therapeutic strategy for genetic diseases. Current Drug Targets, 12(1)， 1-12. （综述了靶向无义突变的通读药物治疗策略）

3. Mort, M., et al. (2008). A meta-analysis of nonsense mutations causing human genetic disease. Human Mutation, 29(8)， 1037-1047. （对导致人类遗传病的无义突变进行了大规模分析）

4. Welch, E. M., et al. (2007). PTC124 targets genetic disorders caused by nonsense mutations. Nature, 447(7140)， 87-91. （报道了首个无义突变通读药物PTC124（Ataluren）的发现与临床前研究）

5. Kervestin, S., & Jacobson, A. (2012). NMD: a multifaceted response to premature translational termination. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13(11)， 700-712. （深入探讨了无义介导的mRNA降解通路的多重调控与功能）