Definice mutace posunu snímků

Mutace posunu snímků jsou inzerce nebo delece v genomu, které nejsou v násobcích tří nukleotidů. Jsou podmnožinou mutací inzerce-delece (indel), které se specificky nacházejí v kódující sekvenci polypeptidů. Počet nukleotidů, které jsou přidány nebo odstraněny z kódující sekvence, zde není násobkem tří. Mohou vzniknout z extrémně jednoduchých mutací, jako je přidání nebo odstranění jednoho nukleotidu.

Mutace posunu snímků nezahrnují substituce, kdy nukleotid nahrazuje jiný. V substitučních mutacích se polypeptid mění pouze o jednu aminokyselinu. Frameshift mutace také nezahrnují indely v nekódujících nebo regulačních oblastech genomu, protože tyto mutace nemají žádný přímý účinek na aminokyselinovou sekvenci, i když se regulace proteinů může změnit.

Účinky Frameshift mutací

Mutace Frameshift patří mezi nejškodlivější změny kódující sekvence proteinu. Je velmi pravděpodobné, že povedou k rozsáhlým změnám délky polypeptidu a chemického složení, což povede k nefunkčnímu proteinu, který často naruší biochemické procesy buňky. Mutace posunu rámců mohou vést k předčasnému ukončení translace mRNA a také k tvorbě rozšířeného polypeptidu.

Aminokyselinové sekvence po směru mutace posunu rámců jsou také pravděpodobně chemicky odlišné od původní sekvence . Například pokud dojde k mutaci posunu snímků v integrálním transmembránovém proteinu, mohlo by to výrazně změnit úsek hydrofobních zbytků, které překlenují lipidovou dvojvrstvu, což znemožňuje přítomnost proteinu v jeho subcelulárním umístění. Když se takové chyby vyskytnou, buňka často vnímá nedostatek funkčního proteinu a snaží se to kompenzovat upregulací exprese mutovaného genu. To může dokonce přemoci translační aparát buňky a vést k velkému počtu špatně poskládaných proteinů, které by nakonec mohly vést k rozsáhlému narušení všech funkcí rovnoměrné buněčné smrti.

Nemoci způsobené mutacemi v genech posunu rámců zahrnují Crohnovu chorobu, cystickou fibrózu a některé formy rakoviny. Na druhou stranu, když se některé proteiny stanou nefunkčními, mohly by mít ochranný účinek, jak je vidět na rezistenci na HIV u lidí s genem chemokinového receptoru (CCR5), který obsahuje mutaci shifthift.

Protože mutace posunu snímků jsou obvykle změnami genetického materiálu v každé buňce, je vzácné najít lék. Většina intervencí je paliativních.

Genetický kód

Hlavním důvodem přítomnosti mutací posunu snímků je mechanismus těla pro překlad genetické informace do aminokyselinových sekvencí prostřednictvím genetického kódu založeného na tripletech. . To znamená, že každá sada tří nukleotidů na mRNA představuje buď aminokyselinu, nebo instrukci k zastavení translace.

Objev genetického kódu

Mendelovy počáteční experimenty s přenosem genetického materiálu vlastnosti ukazovaly na diskrétní fyzickou a chemickou entitu, která nesla genetickou informaci. Na základě hromadné biochemické analýzy buněk byly detekovány čtyři hlavní složky – sacharidy, tuky, bílkoviny a nukleové kyseliny. Kterákoli z těchto složek by mohla představovat genetický materiál.

Počáteční výzkumy chemické povahy genomu předpokládaly, že proteiny s 20 aminokyselinami pravděpodobně nesou Mendelovy faktory nebo geny. Pozdější experimenty však ukázaly, že nukleové kyseliny byly nositeli genetické informace. To představovalo zajímavou obtížnost. I když byly nukleové kyseliny chemicky analyzovány jako polymery vyrobené ze 4 různých nukleotidů, nebylo jasné, jak mohou informace o oslnivé rozmanitosti forem a funkcí v těle vzejít pouze ze 4 nukleotidů.

Triplet Codon

O něco později centrální dogma molekulární biologie naznačilo, že většina organismů používala RNA jako meziprodukt mezi DNA a proteiny. To vyvolalo další otázku, jak čtyři báze mohou nést informace kódující 20 aminokyselin. Pokud by každý nukleotid kódoval jednu aminokyselinu, pak by mohly být spolehlivě a reprodukovatelně kódovány pouze čtyři aminokyseliny. Pokud by každé dva nukleotidy kódovaly aminokyselinu, vedlo by to pouze k 16 aminokyselinám. Proto byly ke kódování 20 aminokyselin zapotřebí minimálně tři nukleotidy.

Existuje 64 permutací z nukleotidových tripletů, kde každá pozice v tripletu může být jedním ze 4 nukleotidů. Tyto nukleotidové triplety byly pojmenovány kodony. To také dalo vzniknout myšlence nadbytečnosti – každá aminokyselina mohla být zastoupena více než jedním kodonovým tripletem.Některé experimenty také odhalily, že kodony byly „přečteny“ překladovým aparátem jako diskrétní kousky 3 bází. To znamená, že ribozomy tyto kodony „vidí“ jako sérii třípísmenných slov. Například pokud má molekula RNA sekvenci AAAGGCAAG, může kódovat maximálně 3 aminokyseliny ze 3 kodonů AAG, GGC a AAG.

Translokace ribozomu

Po navázání každé aminokyseliny na rostoucí polypeptidový řetězec se ribozom posune o tři báze vpřed. Způsob, jakým se ribozom pohybuje, je důležitým důvodem, proč jsou mutace posunu snímků škodlivé a mají nepřiměřené účinky na funkci bílkovin. Například pokud se ribozom pokaždé pohnul pouze o jednu bázi, lze předchozí mRNA obsahující 9 nukleotidů číst jako AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA a AAG, což vede k vzniku polypeptidu se 7 aminokyselinami. Pokud by translokace ribozomu pohybovala pouze po jedné bázi, vložení jediného nukleotidu by mělo za následek pouze malou změnu aminokyselinové sekvence a vůbec žádnou změnu délky polynukleotidů.

Čtení rámců

V předchozím příkladu může polynukleotidový řetězec kódovat maximálně 3 aminokyseliny. Avšak v závislosti na předcházejících regionech mají napínací plechovky také za následek pouze 2 aminokyseliny. To znamená, že pokud se ribozom nejprve srovná s AAG nebo AGG místo AAA, nukleotidový polymer se čte jiným způsobem. Tímto způsobem lze v závislosti na poloze počátečního místa překladu číst libovolnou kódovací sekvenci třemi různými způsoby. Protože většina DNA je tvořena komplementárními dvojvlákny, vede to k celkem 6 různým „čtecím rámcům“, z nichž pouze jeden vede ke správné aminokyselinové sekvenci pro finální protein.

Pokud však existuje je indel mutace, dochází k posunu čtecího rámce za mutací. Výsledkem je mutace posunu snímků.

Příklady mutace posunu snímků

Obrázek výše ukazuje nukleotid a aminokyselinové sekvence v proteinu divokého typu, stejně jako výsledek inzerce nukleotidů, což vede k začlenění nesprávných aminokyselin a předčasnému konci syntézy polypeptidů. Zatímco původní mRNA má sekvenci AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, vložení dalšího zbytku uracilu na devátou pozici změní čtecí rámec. Místo toho, aby produkoval polypeptid se 7 aminokyselinami počínaje methioninem a pokračující až k prolinům, končí po 4 aminokyselinách s nesprávně zabudovanými zbytky leucinu a alaninu.

Obrázek níže ukazuje různé typy mutací, vážně ovlivnit aminokyselinovou sekvenci. Panel A ukazuje substituci 2 bází vedoucí k předčasnému stop kodonu, zkrácení proteinu. Panely B a D ukazují účinek buď inzerce jednoho nukleotidu, nebo delece 4 nukleotidů. V obou případech mutace posunu rámců mění všechny následné aminokyselinové sekvence. Panel C je podmnožinou indelů, kde jsou vloženy nebo odstraněny 3 (nebo násobky 3) nukleotidů. Neexistuje žádná mutace posunu snímků. U tohoto konkrétního typu indel mutací je počet mutovaných nukleotidů poměrně nízký, může také existovat velmi omezený účinek na funkci proteinu.

• A-místo ribozomu – ribozomální místo, které většinou přijímá příchozí tRNA nabitou aminokyselinovým zbytkem. Peptidové vazby se tvoří na místě A.
• Radioaktivní značení – také známé jako radioizotopové značení, je technika používaná k detekci pohybu určité molekuly chemickým, biochemickým nebo buněčným systémem nahrazením některých atomy v reaktantech s radioaktivními izotopy.
• Stop kodony – nukleotidové sekvence, zejména v mRNA, které signalizují konec translace. UAA, UAG a UGA jsou kanonické stop kodony.
• Divoký typ – běžně se vyskytující kmen, gen nebo charakteristika, považovaná za původní formu fenotypu.

Kvíz

1. Které z nich by vedly k mutaci posunu snímků?
A. Inzerce 3 nukleotidů
B. Vypuštění 18 nukleotidů
C. Vložení 17 nukleotidů
D. Všechny výše uvedené

2. Jak může mutace posunu snímků způsobená jediným nukleotidem drasticky změnit délku polypeptidu?
A. Změna čtecího rámce změní pozici místa pro zastavení překladu
B. Inzerce nebo delece nukleotidu ovlivňuje délku aminokyseliny
C. Místo ribozomu A nemůže pokračovat za místo mutace
D. Všechny výše uvedené

3. Proč jsou mutace posunu snímků relativně vzácné?
A. U kritických proteinů mohou mutace posunu snímků vést k životaschopnému těhotenství
B. Jsou obzvláště rychle opraveny mechanismy opravy DNA buňky
C. Je obtížné vložit nebo odstranit nukleotid do úseku DNA
D. Všechny výše uvedené