Nonsense-mediated mRNA decay in collagen X

Abstract

Genetic disorders are a major cause of human disability and disease. It has been estimated that 5-10% of the population is affected by an inherited disorder during their lifetime, and a startling 70% of pediatric admissions involve a genetic component. Considering this level of influence on human disability and the multifactorial genesis of most diseases, studies on the mechanisms of genetic disease, especially those relating to its fundamental mechanisms will have increasing relevance to almost every known disease. The mutations that can lead to genetic disorders are various, but one recurrent type is called a nonsense mutation. Nonsense mutations are known to be responsible for one third of all inherited diseases as well as many oncologic diseases. A nonsense mutation, caused by either a deletion, insertion or a point mutation, results in the generation of a stop codon in the mRNA before the genuine stop codon that signals the termination of translation of the mRNA into the appropriate full length protein. The theoretical consequence would be the synthesis of a shorter protein which could exert a dominant negative effect and have serious consequences for cell function. To avoid these possibly deleterious effects of the nonsense mutations, the human body has developed an elegant quality control surveillance mechanism called nonsense mediated mRNA decay (NMD). This pathway detects the premature termination codons (PTC) inside the mRNA and renders the mutation-containing mRNA to NMD. Thus, the cells can be protected from the effect of a PTC. For the NMD machinery to be efficient, a signal is required that allows the machinery to distinguish between the normal and the premature stop codon. In previous studies on the NMD pathway basic principles of NMD were developed. The signal to differentiate a PTC from the normal stop was discovered to be the connection point between exons where introns had been removed, the so called exon-exon junctions (EJC). They need to be found downstream of a PTC for the determination of prematurity. Since the last exon is not followed by an EJC any more, PTC’s in the last exon of a gene cannot be detected by the NMD machinery and will therefore result in a truncated protein. However, when the genetic background of the cartilage disease Schmid Metaphyseal Chondrodysplasia (SMCD) was analyzed, it was discovered that the mutations in the last exon of collagen X that are causitive for SMCD did indeed undergo NMD – impossible according to the known NMD rules. Furthermore, when the mutations were analyzed more closely it was found that the mutations lost this ability to trigger NMD in the last exon when they were located at a greater distance from the normal stop codon. These findings exposed a new complexity of the NMD principles. Obviously, last-exon NMD required a completely different mechanism to detect PTC’s than did mutations in the other exons of genes. To identify this mechanism, the close by region of the 3’untranslated region (3’UTR) was analyzed. It was found that, upon deleting a small region of the 3’UTR, NMD in the last exon of collagen X could no longer be triggered. This brought up an all new theory of 3’UTR mediated NMD, that might still involve known NMD factors such as eIF4e or Stau1, but could also include yet unknown proteins. Further investigation into the 3’UTR mediated NMD will offer insights into a broader spectrum of the principles of NMD. An approach to the new questions arising from this research would be to test the possibility of inhibition or enhancement of the 3’UTR mediated NMD pathway in a mouse system and the resulting effects on the phenotype. Furthermore, investigation on those mutations in the last exon of collagen X that do not elicit NMD will shed light on the resulting phenotype of these mutations. Possibly, they result in a different disease that has yet to be connected with collagen X. The knowledge on the genetic background of this disease will greatly improve the scientific possibilities of research in this field. In the future, this research might allow us to intervene therapeutically in the genetic components of SMCD and other diseases caused by some form of NMD in humans and ameliorate or even prevent the disadvantages arising from these genetic diseases.

Genetische Erkrankungen verursachen einen großen Anteil aller bekannten Erkrankungen und sekundären Behinderungen. In Schätzungen liegt der Anteil der von genetischen Erkrankungen betroffenen Bevölkerung bei 5-10%, während sogar 70% der stationären pädiatrischen Aufnahmen eine genetische Komponente beinhalten sollen. Aufgrund des Ausmaßes dieses Einflusses auf Behinderungen und Erkrankungen sowie die multifaktoriellen Ursachen der meissten Erkrankungen werden Studien zu den Mechanismen genetischer Erkrankungen – besonders diese grundlegender Mechanismen – eine zunehmende Rolle in beinahe jeder bekannten Erkrankung zunehmend an Relevanz gewinnen. Verschiedene Typen an Mutationen können zu genetischen Erkrankungen führen. Ein häufiger Mutationstyp ist die Nonsense Mutation. Nonsense Mutationen verursachen sowohl ein Drittel aller Erbkrankheiten als auch viele onkologische Erkrankungen. Nonsense Mutationen – ob durch eine Deletion, Insertion oder Punktmutation verursacht – verursachen ein stop Kodon in der mRNA. Es liegt vor dem eigentlichen stop Kodon, welches das Ende der Translation der mRNA in das funktionstüchtige komplette Protein signalisiert. Theoretisch würde hieraus die Synthese eines verkürzten Proteins resultieren, das dominant negative Effekte auslösen und somit schwerwiegende Konsequenzen für die Zellfunktion haben kann. Um diese möglicherweise zerstörerischen Effekte von Nonsense Mutationen zu verhindern hat der menschliche Körper einen eleganten Überwachungsmechanismus entwickelt: Nonsense-mediierten mRNA Zerfall (nonsense mediated mRNA decay, NMD). Dieser Signalweg erkennt verfrühte stop Kodons (premature termination codons, PTCs) innerhalb von mRNS und unterwirft sie NMD-Zerfall. Die Zelle kann so vor dem Effekt einer PTC geschützt werden. Die Effizienz des NMD-Zerfallsmechanismus ist abhängig von einem verlässlichen Signal, das die Unterscheidung zwischen einem nomalen und einem frühzeitigen stop Kodon erlaubt. Frühere Studien konnten grundlegende Prinzipien des NMD Signalpfads darstellen. Ein PTC wird vom regulären stop Kodon mithilfe des so genannten Exon-verbindungs-Komplexes (exon junction complex, EJC) unterschieden. Dieser stellt den Verbindungspunkt zwischen den einzelnen Exonen nach Entfernung der Introns dar. Wird ein EJC stromabwärts eines stop Kodons erkannt, gilt dieser Stop als verfrüht. Liegt ein PTC jedoch im letzten Exon und folgt diesem somit kein weiterer EJC, kann der Stop nicht als verfrüht erkannt werden und resultiert in einem verkürzten Protein. Als jedoch genetische Grundlagen der Knorpelerkrankung Schmid Metaphysäre Chondrodysplasie (SMCD) analysiert wurden zeigte sich, dass die ursächlichen Mutationen sämtlich im letzten Exon lagen und dennoch den NMD-Signalpfad auszulösen vermochten – den bekannten NMD-Prinzipien zufolge unmöglich. Darüber hinaus zeigte sich bei genauerer Analyse, dass diese Mutationen bei größerer Distanz zum regulären stop Kodon keinen NMD-Zerfall mehr auslösten. Diese Ergebnisse legten eine neue Komplexität der NMD Prinzipien dar. Offenbar war ein vollständig anderer Mechanismus notwendig um PTCs im letzten Exon zu erkennen als er es für Mutationen in den anderen Exonen von Genen war. Um diesen zu indentifizieren wurde die benachbarte 3’nichttranslatierte Region (3’ untranslated region, 3’UTR) untersucht. Es zeigte sich, dass die Deletion eines kleinen Abschnitts der 3’UTR NMD-Zerfall im letzten Exon unterband. Hieraus wurde die vollständig neue Theorie des 3’UTR mediierten NMD-Zerfalls entwickelt, an deren Signalpfad bekannte NMD-Faktoren wie eIF4e oder Stau1 beteiligt sein könnten, darüber hinaus jedoch auch bis dato unbekannte Proteine. Weiterführende Forschung im Bereich des 3’UTR mediierten NMD- Zerfalls wird Erkenntnisse über ein deutlich breiteres Spektrum der NMD Prinzipien liefern. Ein möglicher Zugang könnte die Erforschung möglicher Inhibition oder Verstärkung des 3’UTR mediierten NMD-Zerfallswegs in einem Maussystem sein, und daraus resultierende phänotypische Veränderungen. Möglicherweise resultieren sie in einem völlig anderen Phänotyp, der bisher nicht mit dem SMCD Phänotyp in Verbindung gebracht werden konnte. Forschungsergebnisse dieser Art könnten zukünftig therapeutische Interventionsmöglichkeiten in die genetischen Komponenten der Schmid Metaphysären Chondrodysplasie und andere Erkrankungen aus dem NMD Formenkreis denkbar machen und die Beeinträchtigungen, die aus dieser genetischen Erkrankung resultieren lindern.