Frameshift-mutaation määritelmä

Frameshift-mutaatiot ovat genomissa olevia lisäyksiä tai poistoja, jotka eivät ole kolmen nukleotidin kerrannaisina. Ne ovat osajoukko insertion-deleetio (indel) -mutaatioita, jotka löytyvät erityisesti polypeptidien koodaavasta sekvenssistä. Tässä koodaavaan sekvenssiin lisättyjen tai poistettujen nukleotidien lukumäärä ei ole kolmen kerroin. Ne voivat syntyä erittäin yksinkertaisista mutaatioista, kuten yksittäisen nukleotidin lisääminen tai poistaminen.

Kehyksensiirtomutaatiot eivät sisällä substituutioita, joissa nukleotidi korvaa toisen. Substituutio mutaatioissa polypeptidi muuttuu vain yhdellä aminohapolla. Frameshift-mutaatiot eivät myöskään sisällä indelleja genomin koodaamattomilla tai säätelyalueilla, koska näillä mutaatioilla ei ole suoraa vaikutusta aminohapposekvenssiin, vaikka proteiinisäätely voi muuttua.

Frameshift-mutaatioiden vaikutukset

Kehyksensiirtomutaatiot ovat kaikkein vahingollisimpia muutoksia proteiinin koodaavassa sekvenssissä. Ne johtavat erittäin todennäköisesti suuriin muutoksiin polypeptidin pituudessa ja kemiallisessa koostumuksessa, mikä johtaa toimimattomaan proteiiniin, joka usein häiritsee solun biokemiallisia prosesseja. Kehyksensiirtomutaatiot voivat johtaa mRNA: n translaation ennenaikaiseen loppumiseen sekä laajennetun polypeptidin muodostumiseen.

Myös aminohapposekvenssit kehyksensiirtomutaation alavirtaan ovat todennäköisesti kemiallisesti erillisiä alkuperäisestä sekvenssistä. . Esimerkiksi, jos kehyksensiirtomutaatio tapahtuu integroidussa kalvon läpäisevässä proteiinissa, se voi muuttaa huomattavasti hydrofobisten tähteiden venytystä, joka ulottuu lipidikaksoiskerroksen läpi, mikä tekee proteiinin mahdottomasta läsnäolosta sen solun alaosassa. Kun tällaisia virheitä esiintyy, solu havaitsee usein toiminnallisen proteiinin puutteen ja yrittää kompensoida säätelemällä mutatoidun geenin ilmentymistä. Tämä voi jopa hukuttaa solun käännösmekanismin, johtaa suureen määrään väärin taittuneita proteiineja, jotka voivat lopulta johtaa tasaisen solukuoleman kaikkien toimintojen laajamittaiseen heikentymiseen.

Geenien kehyksensiirtomutaatioiden aiheuttamat sairaudet ovat Crohnin tauti, kystinen fibroosi ja jotkut syövän muodot. Toisaalta, kun joistakin proteiineista tulee toimintahäiriöitä, niillä voi olla suojaava vaikutus, mikä näkyy HIV-resistenssissä ihmisillä, joilla on kemokiinireseptorigeeni (CCR5), joka sisältää kehyksensiirtomutaation.

Koska framehift-mutaatiot ovat yleensä muutoksia solujen geneettiseen materiaaliin, on harvinaista löytää parannuskeinoa. Suurin osa interventioista on palliatiivisia.

Geneettinen koodi

Kehyssiirtymismutaatioiden läsnäolon ydin on kehon mekanismi geneettisen tiedon muuntamiseksi aminohapposekvensseiksi triplettipohjaisen geneettisen koodin kautta . Tämä tarkoittaa, että jokainen kolmen nukleotidin joukko mRNA: ssa edustaa joko aminohappoa tai käskyä lopettaa translaatio.

Geneettisen koodin löytäminen

Mendelin alkuperäiset kokeet geneettisen siirtymän suhteen piirteet osoittivat kohti erillistä fyysistä ja kemiallista kokonaisuutta, joka kuljetti geneettistä tietoa. Solujen biokemiallisen analyysin perusteella havaittiin neljä pääkomponenttia – hiilihydraatit, rasvat, proteiinit ja nukleiinihapot. Mikä tahansa näistä komponenteista voisi edustaa geneettistä materiaalia.

Alkuperäisissä tutkimuksissa genomin kemiallisesta luonteesta oletettiin, että 20 aminohapon proteiinit todennäköisesti kuljettavat Mendelin tekijöitä tai geenejä. Myöhemmät kokeet osoittivat kuitenkin, että nukleiinihapot olivat geneettisen tiedon kantajia. Tämä aiheutti mielenkiintoisen vaikeuden. Vaikka nukleiinihapot oli analysoitu kemiallisesti polymeereinä, jotka koostuvat neljästä eri nukleotidista, ei ollut selvää, miten tiedot kehon häikäisevästä muodosta ja toiminnasta saataisiin vain 4 nukleotidista.

Tripletti Codon

Hieman myöhemmin molekyylibiologian keskeinen dogma osoitti, että useimmat organismit käyttivät RNA: ta välituotteena DNA: n ja proteiinien välillä. Tämä herätti seuraavan kysymyksen siitä, kuinka neljä emästä voisi kuljettaa tietoa 20 aminohapon koodaamiseksi. Jos jokainen nukleotidi koodaa yhtä aminohappoa, vain neljä aminohappoa voidaan koodata luotettavasti ja toistettavasti. Jos joka toinen nukleotidi koodaisi aminohappoa, se johtaisi silti vain 16 aminohappoon. Siksi 20 aminohapon koodaamiseen vaadittiin vähintään kolme nukleotidia.

Nukleotiditripleteistä on mahdollista saada 64 permutaatiota, joissa kukin tripletin asema voi olla yksi neljästä nukleotidista. Nämä nukleotiditripletit nimettiin kodoneiksi. Tämä aiheutti myös ajatuksen redundanssista – jokaista aminohappoa voisi edustaa useampi kuin yksi kodonitripletti.Jotkut kokeet paljastivat myös, että käännöslaitteet ”lukivat” kodoneja erillisinä paloina 3 emästä. Toisin sanoen ribosomit ’näkevät’ nämä kodonit kuin sarja kolmikirjaimisia sanoja. Esimerkiksi, jos RNA-molekyylillä on sekvenssi AAAGGCAAG, se voi koodata enintään 3 aminohappoa 3 kodonista AAG, GGC ja AAG.

Ribosomien siirtäminen

Ribosomi liikkuu eteenpäin kolmella emäksellä sen jälkeen, kun kukin aminohappo on kiinnittynyt kasvavaan polypeptidiketjuun. Ribosomin liikkumistapa on tärkeä syy siihen, miksi kehyksensiirtomutaatiot ovat vahingollisia ja niillä on suhteettomia vaikutuksia proteiinin toimintaan. Esimerkiksi, jos ribosomi liikkuu vain yhdellä emäksellä joka kerta, edellinen 9 nukleotidia sisältävä mRNA voidaan lukea AAA: ksi, AAG: ksi, AGG: ksi, GGC: ksi, GCA: ksi, CAA: ksi ja AAG: ksi, mikä johtaa polypeptidiin, jossa on 7 aminohappoa. Jos ribosomien translokaatio siirtäisi vain yhtä emästä kerrallaan, yhden nukleotidin insertio johtaisi vain pieneen muutokseen aminohapposekvenssiin eikä mahdollisesti muutokseen lainkaan polynukleotidipituuteen.

Kehysten lukeminen

Edellisessä esimerkissä polynukleotidiketju voi koodata korkeintaan 3 aminohappoa. Joustavat tölkit johtavat kuitenkin ylävirran alueista riippuen myös vain 2 aminohappoa. Toisin sanoen, jos ribosomi on linjassa AAG: n tai AGG: n kanssa AAA: n sijasta alun perin, nukleotidipolymeeri luetaan eri tavalla. Tällä tavalla mikä tahansa koodaussekvenssi voidaan lukea käännöksen aloituskohdan sijainnista riippuen 3 eri tavalla. Koska suurin osa DNA: sta on valmistettu komplementaarisista kaksoissäikeistä, se johtaa yhteensä 6 eri ’lukukehykseen’, joista vain yksi johtaa oikeaan aminohapposekvenssiin lopulliselle proteiinille.

Kun on indel-mutaatio, lukukehyksessä on siirtymä mutaation alavirtaan. Tämä johtaa kehyksensiirtomutaatioon.

Esimerkkejä kehyksensiirtomutaatiosta

Yllä olevassa kuvassa näkyy nukleotidi ja aminohapposekvenssit villityypin proteiinissa sekä nukleotidien insertiotulos, mikä johtaa virheellisten aminohappojen sisällyttämiseen ja polypeptidisynteesin ennenaikaiseen loppumiseen. Vaikka alkuperäisessä mRNA: ssa on AUG AAG UUU GGC: n sekvenssi AUA GUG CCG: n sekvenssi, ylimääräisen urasiilijäännöksen lisäys yhdeksänteen asemaan muuttaa lukukehystä. Sen sijaan, että tuotettaisiin seitsemän aminohapon polypeptidi, joka alkaa metioniinista ja jatkuu proliiniin asti, se päättyy 4 aminohapon jälkeen väärin inkorporoiduilla leusiini- ja alaniinitähteillä.

Alla olevassa kuvassa esitetään erityyppiset mutaatiot, jotka voivat vaikuttaa vakavasti aminohapposekvenssiin. Paneeli A näyttää kahden emäksen substituution, joka johtaa ennenaikaiseen lopetuskodoniin, joka katkaisee proteiinin. Paneelit B ja D osoittavat joko yhden nukleotidin insertoinnin tai 4 nukleotidin deleetion vaikutuksen. Molemmissa tapauksissa kehyksensiirtomutaatio muuttaa kaikkia alavirran aminohapposekvenssejä. Paneeli C on indeksien alaryhmä, johon 3 (tai 3: n kerrannaisia) insertoidaan tai poistetaan. Kehyssiirtymismutaatiota ei ole. Tämäntyyppisissä indelimutaatioissa mutatoitujen nukleotidien määrä on melko pieni, vaikutus proteiinin toimintaan voi olla hyvin rajallinen

• Ribosomin A-alue – ribosomaalinen kohta, joka vastaanottaa enimmäkseen tulevan tRNA: n, joka on ladattu aminohappotähteellä. Peptidisidokset muodostuvat A-kohtaan.
• Radioleimaus – Tunnetaan myös nimellä radioisotooppileimaus, on tekniikka, jota käytetään tietyn molekyylin liikkeen havaitsemiseen kemiallisen, biokemiallisen tai solujärjestelmän kautta korvaamalla osa radioaktiivisten isotooppien kanssa reagoivien atomien joukossa.
• Stop Codons – Nukleotidisekvenssit, erityisesti mRNA: ssa, jotka merkitsevät translaation loppua. UAA, UAG ja UGA ovat kanonisia lopetuskodoneja.
• Villityyppi – Yleisesti löydetty kanta, geeni tai ominaisuus, jonka havaitaan olevan fenotyypin alkuperäinen muoto.

Tietokilpailu

1. Mikä näistä johtaisi kehyksensiirtomutaatioon?
A. Kolmen nukleotidin insertio B. 18 nukleotidin
C. poistaminen 17 nukleotidin insertio
D. Kaikki edellä mainitut

2. Kuinka yksittäisen nukleotidin aiheuttama kehyksensiirtomutaatio voi muuttaa polypeptidin pituutta rajusti?
A. Lukukehyksen muutos muuttaa käännöksen pysäytyskohdan sijaintia B. Nukleotidin insertio tai deleetio vaikuttaa aminohappojen pituuteen
C. Ribosomin A-kohta ei voi edetä mutaatiokohdan ulkopuolella D. Kaikki yllä mainitut

3. Miksi kehyksensiirtomutaatiot ovat suhteellisen harvinaisia?
A. Kriittisissä proteiineissa kehyksensiirtomutaatiot voivat johtaa elinkelvottomiin raskauksiin
B. Ne korjautuvat erityisen nopeasti solun
C DNA-korjausmekanismeilla. Nukleotidia on vaikea lisätä tai poistaa DNA-osaan
D. Kaikki yllä mainitut