Более сорока нейродегенеративных заболеваний человека связаны с мутациями в ряде генов, которые заключаются в увеличении числа повторов определенных групп нуклеотидов [2]. Пожалуй, наиболее известный пример — болезнь Хантингтона , сопровождающаяся, помимо тяжелейших когнитивных, неврологических и психических нарушений, характерными неконтролируемыми движениями, напоминающими зловещий танец. Этот недуг наследуется аутосомно-доминантно и проявляется, как правило, уже в среднем возрасте, поэтому те, кому суждено им заболеть, зачастую успевают передать болезнь своим детям, сами того не подозревая. Причина болезни Хантингтона кроется в числе повторов CAG в гене, кодирующем белок хантингтин. Когда их число превышает 40, у человека развивается болезнь.

О том, как в будущем можно будет помочь пациентам с болезнью Хантингтона, читайте в статье «Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона)» [3].

Похожий механизм лежит в основе спиномозжечковой атаксии типа 8, при которой увеличивается число повторов CAG в последовательности гена атаксина 8 (ATXN8). Именно на его примере в 2011 году описали новый механизм AUG-независимой трансляции — RAN-трансляцию. К удивлению ученых, мутация единственного кодона AUG, расположенного перед повторами CAG, не останавливала синтез белка: трансляция продолжалась, причем во всех трех возможных рамках считывания. Получающийся белковый продукт в зависимости от рамки считывания имел аномально длинный полиглутаминовый, полисериновый или полиаланиновый тракт (последовательность аминокислот), естественно, был нефункциональным и образовывал скопления в клетках [4].

Что же заставляло рибосому начинать синтез белка в отсутствие стандартного старт-кодона? Выяснилось, что рибосома, по-видимому, способна распознавать вторичные структуры, которые формируют повторы CAG, причем чем меньше повторов CAG, тем менее эффективна RAN-трансляция. Удивительно, что RAN-трансляция идет и с антисмыслового транскрипта, содержащего повторы CUG.

С тех пор RAN-трансляцию описали при болезни Хантингтона, некоторых видах бокового амиотрофического склероза и лобно-височной деменции, синдроме ломкой X-хромосомы / атаксии и других нейродегенеративных болезнях. Похоже, в каждом из перечисленных случаев механизм RAN-трансляции уникален, и мы опишем лишь несколько из них [4].

Синдром ломкой X-хромосомы / атаксия

Синдром ломкой X-хромосомы / атаксия (fragile X-associated tremor/ataxia, FXTAS) — это поздно проявляющееся нейродегенеративное заболевание, связанное с увеличением числа повторов CGG в 5′-нетранслируемой области (5′-UTR) гена FMR1. У здоровых людей число повторов не превышает 45, а у больных может насчитываться до 200 повторов. Любопытно, что если их число превышает 200, то происходит сайленсинг FMR1, что приводит к совершенно другому заболеванию [4].

Инициация RAN-трансляции в 5′-UTR FMR1 в отсутствие AUG возможна в двух рамках считывания, причем в одном случае синтезируется белок с полиглициновым трактом, а в другом — с полиаланиновым. Исследователям удалось показать, что RAN-трансляция, приводящая к образованию белка с полиглициновым трактом, инициируется в области до повторов, потому что вставка стоп-кодона перед повторам CGG предотвращала синтез аномального белка. И начинаться RAN-трансляция может с нескольких кодонов, расположенных в 5′-UTR и отличающихся от AUG одной позицией. Однако вставка стоп-кодона перед повторами CGG никак не сказывалась на синтезе продукта с полиаланиновым трактом [4].

Похоже, RAN-трансляция может начинаться и в нетранслируемой области, и в области повторов в зависимости от рамки считывания. Недавние исследования показали, что в случае FMR1 RAN-трансляция кэп-зависима, хотя 5′-UTR этого гена и содержит элемент, похожий на IRES [4].

Боковой амиотрофический склероз и лобно-височная деменция

Наиболее часто в основе бокового амиотрофического склероза и лобно-височной деменции лежит увеличение количества повторов гексануклеотидов GGGGCC/GGCCCC в локусе C9orf72. У пациентов с такими мутациями накапливаются аномальные белки с дипептидными повторами: глицин—аланиновыми и глицин—аргининовыми, если мутантный белок был синтезирован со смысловой цепи, и глицин—пролиновыми, если RAN-трансляция затронула антисмысловую цепь. Мутантные белки с дипептидными повторами накапливаются по всей центральной нервной системе, причем неоднородно: белки с одинаковыми повторами, как правило, обнаруживают в одной области мозга [4].

Роль RAN-трансляции в случаях бокового амиотрофического склероза и лобно-височной деменции остается неясной: высказывают предположения, что внутриклеточные скопления белков с дипептидными повторами безопасны, а токсичностью для нервной системы обладают белки с дипептидными повторами, откладывающиеся вне клеток, и RAN-трансляция не является основной причиной развития заболевания [4].

Почему повторы GGGGCC/GGCCCC стимулируют RAN-трансляцию, известно плохо. Показано, что чем больше повторов GGGGCC/GGCCCC, тем больше белков с дипептидными повторами образуется, то есть количество повторов в гене положительно связано с продуктивностью RAN-трансляции. Однако конкретный механизм RAN-трансляции в этом случае так и остается неизвестным. Повторы GGGGCC находятся в пределах первого интрона локуса C9orf72, поэтому предположили, что токсичные белки могут синтезироваться с уже вырезанного интрона. Впрочем, эксперименты на дрозофиле этот механизм не подтвердили. Теоретически возможно, что интроны с повторами не подвергаются сплайсингу и сохраняются в зрелых мРНК. Действительно, такие дефектные транскрипты удалось идентифицировать in vitro, однако их явно недостаточно для развития болезни. Итак, механизм RAN-трансляции и в этом случае пока неизвестен [4].

Болезнь Хантингтона

Как мы обсуждали выше, болезнь Хантингтона вызвана увеличением числа копий повтора CAG в гене, кодирующем белок хантингтин (кстати, его функции в здоровом мозге остаются неизвестными). В случае болезни Хантингтона RAN-трансляция затрагивает не всю открытую рамку считывания целиком, а какой-то ее внутренний участок, и результатом такой трансляции является токсичный белок с полиглутаминовым трактом. RAN-трансляция может затрагивать и антисмысловую цепь, в результате чего образуются белки с полилейциновыми и полицистеиновыми трактами. Как и в случае FXTAS, вставка стоп-кодона перед областью повторов не подавляет RAN-трансляцию, дающую начало белкам с полилейциновыми и полицистеиновыми трактами [4].

Несмотря на медицинское значение, наши представления о механизмах RAN-трансляции очень расплывчаты. Мы знаем, что продукты RAN-трансляции — как правило, токсичные белки, содержащие повторы определенных аминокислот. RAN-трансляция может затрагивать как смысловую, так и антисмысловую цепи, а ее эффективность зависит от копийности повторов и нуклеотидного контекста, в котором они расположены. Однако мы ничего не можем сказать о том, как именно происходит инициация при RAN-трансляции. Поскольку воздействие на RAN-трансляцию может иметь высокий терапевтический потенциал для пациентов с нейродегенеративными заболеваниями, будем надеяться, что новые исследования прольют свет на детали этого загадочного пути трансляции.

Литература

1. John Douglas Cleary, Amrutha Pattamatta, Laura P. W. Ranum. (2018). Repeat-associated non-ATG (RAN) translation. J. Biol. Chem.. 293, 16127-16141;
2. Monica Banez-Coronel, Laura P. W. Ranum. (2019). Repeat-associated non-AUG (RAN) translation: insights from pathology. Lab Invest. 99, 929-942;
3. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона);
4. Katelyn M. Green, Alexander E. Linsalata, Peter K. Todd. (2016). RAN translation—What makes it run?. Brain Research. 1647, 30-42;
5. Weiwei Cheng, Shaopeng Wang, Alexander A. Mestre, Chenglai Fu, Andres Makarem, et. al.. (2018). C9ORF72 GGGGCC repeat-associated non-AUG translation is upregulated by stress through eIF2α phosphorylation. Nat Commun. 9.