Frameshift-Mutation
Definition der Frameshift-Mutation
Frameshift-Mutationen sind Insertionen oder Deletionen im Genom, die nicht in Vielfachen von drei Nukleotiden vorliegen. Sie sind eine Untergruppe von Insertions-Deletions- (Indel-) Mutationen, die spezifisch in der codierenden Sequenz von Polypeptiden gefunden werden. Hier ist die Anzahl der Nukleotide, die der codierenden Sequenz hinzugefügt oder daraus entfernt werden, kein Vielfaches von drei. Sie können durch extrem einfache Mutationen wie das Hinzufügen oder Entfernen eines einzelnen Nukleotids entstehen.
Frameshift-Mutationen enthalten keine Substitutionen, bei denen ein Nukleotid ein anderes ersetzt. Bei Substitutionsmutationen ändert sich das Polypeptid nur um eine einzige Aminosäure. Frameshift-Mutationen enthalten auch keine Indels in den nicht-kodierenden oder regulatorischen Regionen des Genoms, da diese Mutationen keinen direkten Einfluss auf die Aminosäuresequenz haben, obwohl sich die Proteinregulation ändern kann.
Auswirkungen von Frameshift-Mutationen
Frameshift-Mutationen gehören zu den schädlichsten Änderungen an der Kodierungssequenz eines Proteins. Es ist äußerst wahrscheinlich, dass sie zu großen Änderungen der Polypeptidlänge und der chemischen Zusammensetzung führen, was zu einem nicht funktionierenden Protein führt, das häufig die biochemischen Prozesse einer Zelle stört. Frameshift-Mutationen können zu einem vorzeitigen Ende der Translation der mRNA sowie zur Bildung eines erweiterten Polypeptids führen.
Die Aminosäuresequenzen stromabwärts der Frameshift-Mutation unterscheiden sich wahrscheinlich auch chemisch von der ursprünglichen Sequenz . Wenn beispielsweise eine Frameshift-Mutation in einem integralen Transmembranprotein auftritt, kann dies die Ausdehnung der hydrophoben Reste, die die Lipiddoppelschicht überspannen, erheblich verändern, so dass das Protein nicht an seiner subzellulären Stelle vorhanden sein kann. Wenn solche Fehler auftreten, nimmt die Zelle häufig den Mangel an funktionellem Protein wahr und versucht dies durch Hochregulieren der Expression des mutierten Gens zu kompensieren. Dies kann sogar die Translationsmaschinerie der Zelle überwältigen und zu einer großen Anzahl von fehlgefalteten Proteinen führen, die schließlich zu einer großflächigen Beeinträchtigung aller Funktionen eines gleichmäßigen Zelltods führen können.
Krankheiten, die durch Frameshift-Mutationen in Genen verursacht werden Dazu gehören Morbus Crohn, Mukoviszidose und einige Formen von Krebs. Wenn andererseits einige Proteine dysfunktional werden, können sie eine schützende Wirkung haben, wie die Resistenz gegen HIV bei Menschen mit einem Chemokinrezeptorgen (CCR5) zeigt, das eine Frameshift-Mutation enthält.
Da Frameshift-Mutationen normalerweise Veränderungen des genetischen Materials in jeder Zelle sind, ist es selten, eine Heilung zu finden. Die meisten Interventionen sind palliativ.
Der genetische Code
Der Hauptgrund für das Vorhandensein von Frameshift-Mutationen ist der körpereigene Mechanismus zur Übersetzung genetischer Informationen in Aminosäuresequenzen über einen Triplett-basierten genetischen Code . Dies bedeutet, dass jeder Satz von drei Nukleotiden auf einer mRNA entweder eine Aminosäure oder eine Anweisung zum Beenden der Translation darstellt.
Entdeckung des genetischen Codes
Mendels erste Experimente zur Übertragung von Genen Merkmale wiesen auf eine diskrete physikalische und chemische Einheit hin, die genetische Informationen enthielt. Basierend auf der biochemischen Massenanalyse von Zellen wurden vier Hauptkomponenten nachgewiesen – Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nukleinsäuren. Jede dieser Komponenten könnte genetisches Material darstellen.
Erste Untersuchungen zur chemischen Natur des Genoms stellten die Hypothese auf, dass Proteine mit 20 Aminosäuren am wahrscheinlichsten Mendels Faktoren oder Gene tragen. Spätere Experimente zeigten jedoch, dass Nukleinsäuren die Träger der genetischen Information waren. Dies war eine interessante Schwierigkeit. Während Nukleinsäuren chemisch als Polymere aus 4 verschiedenen Nukleotiden analysiert worden waren, war nicht klar, wie die Informationen für die schillernde Vielfalt von Formen und Funktionen im Körper aus nur 4 Nukleotiden entstehen könnten.
Triplett Codon
Wenig später zeigte das zentrale Dogma der Molekularbiologie, dass die meisten Organismen RNA als Zwischenprodukt zwischen DNA und Proteinen verwendeten. Dies warf die nächste Frage auf, wie vier Basen die Information tragen könnten, um 20 Aminosäuren zu codieren. Wenn jedes Nukleotid für eine einzelne Aminosäure codiert, könnten nur vier Aminosäuren zuverlässig und reproduzierbar codiert werden. Wenn alle zwei Nukleotide eine Aminosäure codieren würden, würde dies immer noch zu nur 16 Aminosäuren führen. Daher wurden mindestens drei Nukleotide benötigt, um 20 Aminosäuren zu codieren.
Es sind 64 Permutationen von Nukleotidtripletts möglich, wobei jede Position im Triplett eines von 4 Nukleotiden sein kann. Diese Nukleotidtripletts wurden Codons genannt. Dies führte auch zur Idee der Redundanz – jede Aminosäure könnte durch mehr als ein Codon-Triplett dargestellt werden.Einige Experimente zeigten auch, dass Codons von der Translationsmaschinerie als diskrete Stücke von 3 Basen „gelesen“ wurden. Das heißt, Ribosomen „sehen“ diese Codons wie eine Reihe von Wörtern aus drei Buchstaben. Wenn ein RNA-Molekül beispielsweise die Sequenz AAAGGCAAG hat, kann es maximal 3 Aminosäuren aus den 3 Codons AAG, GGC und AAG codieren.
Ribosomentranslokation
Das Ribosom bewegt sich um drei Basen vorwärts, nachdem jede Aminosäure an die wachsende Polypeptidkette gebunden wurde. Die Art und Weise, wie sich das Ribosom bewegt, ist ein wichtiger Grund, warum Frameshift-Mutationen schädlich sind und unverhältnismäßige Auswirkungen auf die Proteinfunktion haben. Wenn sich das Ribosom beispielsweise jedes Mal nur um eine einzelne Base bewegt, kann die vorherige mRNA, die 9 Nukleotide enthält, als AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA und AAG gelesen werden, wodurch ein Polypeptid mit 7 Aminosäuren entsteht. Wenn die Ribosomentranslokation jeweils nur eine Base bewegte, würde die Insertion eines einzelnen Nukleotids nur zu einer geringen Änderung der Aminosäuresequenz und möglicherweise überhaupt zu keiner Änderung der Polynukleotidlänge führen.
Leserahmen
Im vorherigen Beispiel kann die Polynukleotidkette maximal 3 Aminosäuren codieren. Abhängig von den stromaufwärts gelegenen Regionen ergeben die Streckdosen jedoch auch nur 2 Aminosäuren. Das heißt, wenn das Ribosom anfänglich mit AAG oder AGG anstelle von AAA ausgerichtet ist, wird das Nukleotidpolymer auf andere Weise gelesen. Auf diese Weise kann abhängig von der Position der Translationsstartstelle jede Codierungssequenz auf drei verschiedene Arten gelesen werden. Da die meiste DNA aus komplementären Doppelsträngen besteht, führt dies zu insgesamt 6 verschiedenen „Leserahmen“, von denen nur einer die richtige Aminosäuresequenz für das endgültige Protein ergibt.
Wenn jedoch vorhanden Ist eine Indel-Mutation, gibt es eine Verschiebung im Leserahmen stromabwärts der Mutation. Dies führt zu einer Frameshift-Mutation.
Beispiele für Frameshift-Mutationen
Das obige Bild zeigt das Nukleotid und Aminosäuresequenzen in einem Wildtyp-Protein sowie das Ergebnis einer Nukleotidinsertion, was zum Einbau falscher Aminosäuren und zum vorzeitigen Ende der Polypeptidsynthese führt. Während die ursprüngliche mRNA eine Sequenz von AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG aufweist, ändert die Insertion eines zusätzlichen Uracilrests an der neunten Position den Leserahmen. Anstatt ein Polypeptid mit 7 Aminosäuren zu produzieren, das mit Methionin beginnt und bis zu Prolin reicht, endet es nach 4 Aminosäuren mit falsch eingebauten Leucin- und Alaninresten.
Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Arten von Mutationen, die auftreten könnten die Aminosäuresequenz stark beeinflussen. Tafel A zeigt die Substitution von 2 Basen, was zu einem vorzeitigen Stoppcodon führt, das das Protein abschneidet. Die Felder B und D zeigen den Effekt entweder der Insertion eines einzelnen Nukleotids oder der Deletion von 4 Nukleotiden. In beiden Fällen verändert eine Frameshift-Mutation alle nachgeschalteten Aminosäuresequenzen. Panel C ist eine Teilmenge von Indels, in die 3 (oder ein Vielfaches von 3) Nukleotiden eingefügt oder gelöscht werden. Es gibt keine Frameshift-Mutation. Bei dieser speziellen Art von Indelmutationen ist die Anzahl der mutierten Nukleotide ziemlich gering. Es kann auch eine sehr begrenzte Auswirkung auf die Proteinfunktion geben.
- A-Stelle des Ribosoms – Die ribosomale Stelle, die meistens eine eingehende tRNA erhält, die mit einem Aminosäurerest geladen ist. Peptidbindungen werden an der A-Stelle gebildet.
- Radiomarkierung – Auch als Radioisotopenmarkierung bekannt, ist eine Technik, die verwendet wird, um die Bewegung eines bestimmten Moleküls durch ein chemisches, biochemisches oder zelluläres System zu erfassen, indem einige davon ersetzt werden die Atome in Reaktanten mit radioaktiven Isotopen.
- Stopcodons – Nukleotidsequenzen, insbesondere in mRNA, die das Ende der Translation signalisieren. UAA, UAG und UGA sind die kanonischen Stoppcodons.
- Wildtyp – Häufig vorkommender Stamm, Gen oder Merkmal, der als die ursprüngliche Form des Phänotyps angesehen wird.
Quiz
1. Welche davon würde zu einer Frameshift-Mutation führen?
A. Insertion von 3 Nukleotiden
B. Deletion von 18 Nukleotiden
C. Insertion von 17 Nukleotiden
D. Alle oben genannten
2. Wie kann eine durch ein einzelnes Nukleotid verursachte Frameshift-Mutation die Länge eines Polypeptids drastisch verändern?
A. Eine Änderung des Leserasters ändert die Position der Übersetzungsstoppstelle
B. Die Insertion oder Deletion eines Nukleotids beeinflusst die Aminosäurelänge
C. Die Ribosom-A-Stelle kann nicht über die Mutationsstelle hinausgehen.
D. Alle oben genannten
3. Warum sind Frameshift-Mutationen relativ selten?
A. In kritischen Proteinen können Frameshift-Mutationen zu nicht lebensfähigen Schwangerschaften führen.
B. Sie werden besonders schnell durch die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle
C repariert. Es ist schwierig, ein Nukleotid in einen DNA-Abschnitt einzufügen oder zu löschen.
D. Alle oben genannten