Definition af Frameshift-mutation

Frameshift-mutationer er indsættelser eller sletninger i genomet, der ikke er i multipla af tre nukleotider. De er en delmængde af insertions-deletions- (indel-) mutationer, der findes specifikt i den kodende sekvens af polypeptider. Her er antallet af nukleotider, der tilføjes eller fjernes fra den kodende sekvens, ikke multipler af tre. De kan opstå fra ekstremt enkle mutationer, såsom tilføjelse eller fjernelse af et enkelt nukleotid.

Frameshift-mutationer inkluderer ikke substitutioner, hvor et nukleotid erstatter et andet. I substitutionsmutationer ændres polypeptidet kun med en enkelt aminosyre. Frameshift-mutationer inkluderer heller ikke indeler i genomets ikke-kodende eller regulerende regioner, fordi disse mutationer ikke har nogen direkte virkning på aminosyresekvensen, selvom proteinregulering kan ændre sig.

Effekter af Frameshift-mutationer

Frameshift-mutationer er blandt de mest skadelige ændringer i et proteins kodende sekvens. Det er meget sandsynligt, at de fører til store ændringer i polypeptidlængde og kemisk sammensætning, hvilket resulterer i et ikke-funktionelt protein, der ofte forstyrrer de biokemiske processer i en celle. Frameshift-mutationer kan føre til en for tidlig afslutning på translation af mRNA såvel som dannelsen af et udvidet polypeptid.

Aminosyresekvenserne nedstrøms for frameshift-mutationen er sandsynligvis også kemisk forskellige fra den oprindelige sekvens . For eksempel, hvis en frameshift-mutation forekommer i et integreret transmembranprotein, kan det i høj grad ændre strækningen af hydrofobe rester, der spænder over lipid-dobbeltlaget, hvilket gør det umuligt for proteinet at være til stede i dets subcellulære placering. Når sådanne fejl opstår, opfatter cellen ofte manglen på funktionelt protein og forsøger at kompensere ved at opregulere ekspressionen af det muterede gen. Dette kan endda overvælde cellens oversættelsesmaskineri og resultere i et stort antal misfoldede proteiner, der i sidste ende kan føre til storskadelig forringelse af alle funktioner af ens celledød.

Sygdomme forårsaget af frameshift-mutationer i gener inkluderer Crohns sygdom, cystisk fibrose og nogle former for kræft. På den anden side, når nogle proteiner bliver dysfunktionelle, kan de have en beskyttende virkning, som det ses i modstanden mod HIV hos mennesker med et kemokinreceptorgen (CCR5) indeholdende en frameshift-mutation.

Da frameshift-mutationer normalt er ændringer i det genetiske materiale i hver celle, er det sjældent at finde en kur. De fleste interventioner er palliative.

Den genetiske kode

Den grundlæggende årsag til tilstedeværelsen af frameshift-mutationer er kroppens mekanisme til at oversætte genetisk information til aminosyresekvenser gennem en tripletbaseret genetisk kode . Dette betyder, at hvert sæt af tre nukleotider på et mRNA repræsenterer enten en aminosyre eller en instruktion om at stoppe translationen.

Opdagelse af den genetiske kode

Mendels indledende eksperimenter med transmission af genetisk træk peget på en diskret fysisk og kemisk enhed, der bar genetisk information. Baseret på den biokemiske bulkanalyse af celler blev fire hovedkomponenter påvist – kulhydrater, fedtstoffer, proteiner og nukleinsyrer. Enhver af disse komponenter kunne repræsentere genetisk materiale.

Indledende undersøgelser af genomets kemiske natur antog, at proteiner med 20 aminosyrer mest sandsynligt bar Mendels faktorer eller gener. Senere eksperimenter viste imidlertid, at nukleinsyrer var bærere af genetisk information. Dette præsenterede en interessant vanskelighed. Mens nukleinsyrer var blevet analyseret kemisk som værende polymerer fremstillet af 4 forskellige nukleotider, var det ikke klart, hvordan informationen for det blændende udvalg af former og funktioner i kroppen kunne stamme fra kun 4 nukleotider.

Triplet Codon

Lidt senere indikerede molekylærbiologiens centrale dogme, at de fleste organismer brugte RNA som mellemproduktet mellem DNA og proteiner. Dette rejste det næste spørgsmål om, hvordan fire baser kunne bære informationen til at kode 20 aminosyrer. Hvis hvert nukleotid kodet for en enkelt aminosyre, kunne kun fire aminosyrer kodes pålideligt og reproducerbart. Hvis hver anden nukleotid kodede for en aminosyre, ville den stadig føre til kun 16 aminosyrer. Derfor var det nødvendigt med mindst tre nukleotider for at kode for 20 aminosyrer.

Der er 64 permutationer mulige fra nukleotidtripletter, hvor hver position i tripletten kan være en af 4 nukleotider. Disse nukleotidtripletter blev navngivet kodoner. Dette gav også anledning til ideen om redundans – hver aminosyre kunne repræsenteres af mere end en codon-triplet.Nogle eksperimenter afslørede også, at kodoner blev ‘læst’ af oversættelsesmaskineriet som diskrete klumper med 3 baser. Det vil sige, ribosomer ‘ser’ disse kodoner som en række ord på tre bogstaver. For eksempel, hvis et RNA-molekyle har sekvensen AAAGGCAAG, kan det kode for maksimalt 3 aminosyrer fra de 3 kodoner AAG, GGC og AAG.

Ribosomtranslokation

Ribosomet bevæger sig fremad med tre baser, efter at hver aminosyre er bundet til den voksende polypeptidkæde. Den måde, ribosomet bevæger sig på, er en vigtig grund til, at frameshift-mutationer er skadelige og har uforholdsmæssig stor indvirkning på proteinfunktionen. For eksempel, hvis ribosomet kun bevæges af en enkelt base hver gang, kan det foregående mRNA indeholdende 9 nukleotider læses som AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA og AAG, hvilket giver anledning til et polypeptid med 7 aminosyrer. Hvis ribosomtranslokation kun bevægede en base ad gangen, ville indsættelsen af et enkelt nukleotid kun resultere i en lille ændring af aminosyresekvensen og muligvis slet ingen ændring i polynukleotidlængden.

Læserammer

I det foregående eksempel kan polynukleotidkæden kode for maksimalt 3 aminosyrer. Afhængig af opstrømsregionerne resulterer strækdåserne dog kun i kun 2 aminosyrer. Det vil sige, at hvis ribosomet oprindeligt er på linje med AAG eller AGG i stedet for AAA, læses nukleotidpolymeren på en anden måde. Afhængigt af placeringen af oversættelsesstartstedet kan denne kodningssekvens læses på 3 forskellige måder. Da det meste DNA er lavet af komplementære dobbeltstrenge, fører det til i alt 6 forskellige ‘læserammer’, hvoraf kun den ene resulterer i den korrekte aminosyresekvens for det endelige protein.

Dog når der er en indelmutation, er der et skift i læserammen nedstrøms for mutationen. Dette resulterer i en frameshift-mutation.

Eksempler på Frameshift-mutation

Billedet ovenfor viser nukleotidet og aminosyresekvenser i et vildtypeprotein såvel som resultatet af en nucleotidindsættelse, hvilket fører til inkorporering af forkerte aminosyrer og den for tidlige afslutning på polypeptidsyntese. Mens det originale mRNA har en sekvens af AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, ændrer indsætningen af en ekstra uracilrest i den niende position læserammen. I stedet for at producere et polypeptid på 7 aminosyrer, der begynder med methionin og fortsætter op til prolin, ender det efter 4 aminosyrer med forkert inkorporeret leucin og alaninrester.

Billedet nedenfor viser de forskellige typer mutationer, der kunne påvirker aminosyresekvensen alvorligt. Panel A viser substitutionen af 2 baser, hvilket resulterer i et for tidligt stopkodon, der afkorter proteinet. Paneler B og D demonstrerer effekten af enten indsættelse af et enkelt nukleotid eller sletning af 4 nukleotider. I begge tilfælde ændrer en frameshift-mutation alle nedstrøms aminosyresekvenser. Panel C er en delmængde af indeler, hvor 3 (eller multipla af 3) nukleotider indsættes eller slettes. Der er ingen rammeskiftmutation. I denne særlige type indel-mutationer er antallet af muterede nukleotider ret lavt, der kan også være meget begrænset effekt på proteinfunktion

• A-sted for ribosom – Det ribosomale sted, der for det meste modtager et indkommende tRNA ladet med en aminosyrerest. Peptidbindinger dannes på A-stedet.
• Radiomærkning – Også kendt som radioisotopmærkning er en teknik, der bruges til at detektere bevægelsen af et bestemt molekyle gennem et kemisk, biokemisk eller cellulært system ved at erstatte nogle af atomerne i reaktanter med radioaktive isotoper.
• Stop kodoner – Nukleotidsekvenser, især i mRNA, der signalerer slutningen af translationen. UAA, UAG og UGA er de kanoniske stopkodoner.
• Vildtype – Almindeligt fundet stamme, gen eller karakteristisk, opfattes at have været den oprindelige form for fænotypen.

Quiz

1. Hvilke af disse ville resultere i en frameshift-mutation?
A. Indsættelse af 3 nukleotider
B. Sletning af 18 nukleotider
C. Indsættelse af 17 nukleotider
D. Alt ovenstående

2. Hvordan kan en frameshift-mutation forårsaget af et enkelt nukleotid drastisk ændre længden af et polypeptid?
A. En ændring i læserammen ændrer placeringen af oversættelsesstopstedet
B. Indsættelsen eller sletningen af et nukleotid påvirker aminosyrelængden
C. Ribosom A-stedet kan ikke gå videre end mutationsstedet
D. Alt ovenstående

3. Hvorfor er frameshift-mutationer relativt sjældne?
A. I kritiske proteiner kan frameshift-mutationer resultere i ikke-levedygtige graviditeter
B. De repareres især hurtigt af DNA-reparationsmekanismerne i cellen
C. Det er vanskeligt at indsætte eller slette et nukleotid i en DNA-strækning
D. Alt ovenstående