Definizione di mutazione Frameshift

Le mutazioni Frameshift sono inserzioni o delezioni nel genoma che non sono in multipli di tre nucleotidi. Sono un sottoinsieme di mutazioni di inserzione-delezione (indel) che si trovano specificamente nella sequenza codificante dei polipeptidi. Qui il numero di nucleotidi che vengono aggiunti o rimossi dalla sequenza codificante non sono multipli di tre. Possono derivare da mutazioni estremamente semplici come l’aggiunta o la rimozione di un singolo nucleotide.

Le mutazioni framehift non includono le sostituzioni in cui un nucleotide sostituisce un altro. Nelle mutazioni di sostituzione, il polipeptide cambia solo per un singolo amminoacido. Inoltre, le mutazioni Frameshift non includono gli indel nelle regioni non codificanti o regolatrici del genoma perché queste mutazioni non hanno alcun effetto diretto sulla sequenza degli amminoacidi, sebbene la regolazione delle proteine possa cambiare.

Effetti delle mutazioni Frameshift

Le mutazioni framehift sono tra le modifiche più deleterie alla sequenza codificante di una proteina. È estremamente probabile che portino a cambiamenti su larga scala della lunghezza del polipeptide e della composizione chimica, risultando in una proteina non funzionale che spesso interrompe i processi biochimici di una cellula. Le mutazioni framehift possono portare a una fine prematura della traduzione dell’mRNA e alla formazione di un polipeptide esteso.

È probabile che anche le sequenze di amminoacidi a valle della mutazione frameshift siano chimicamente distinte dalla sequenza originale . Ad esempio, se una mutazione frameshift si verifica in una proteina transmembrana integrale, potrebbe alterare notevolmente il tratto di residui idrofobici che attraversano il doppio strato lipidico rendendo impossibile la presenza della proteina nella sua posizione subcellulare. Quando si verificano tali errori, la cellula spesso percepisce la mancanza di proteine funzionali e cerca di compensare sovraregolando l’espressione del gene mutato. Questo può persino sopraffare il meccanismo di traduzione della cellula, provocare un gran numero di proteine mal ripiegate che potrebbero eventualmente portare a una compromissione su larga scala di tutte le funzioni della morte cellulare.

Malattie causate da mutazioni frameshift nei geni includono il morbo di Crohn, la fibrosi cistica e alcune forme di cancro. D’altra parte, quando alcune proteine diventano disfunzionali, potrebbero avere un effetto protettivo, come si è visto nella resistenza all’HIV nelle persone con un gene del recettore delle chemochine (CCR5) contenente una mutazione frameshift.

Poiché le mutazioni frameshift sono di solito modifiche al materiale genetico in ogni cellula, è raro trovare una cura. La maggior parte degli interventi sono palliativi.

Il codice genetico

La ragione principale della presenza di mutazioni frameshift è il meccanismo del corpo per tradurre le informazioni genetiche in sequenze di amminoacidi attraverso un codice genetico basato su triplette . Ciò significa che ogni serie di tre nucleotidi su un mRNA rappresenta un amminoacido o un’istruzione per cessare la traduzione.

Scoperta del codice genetico

Gli esperimenti iniziali di Mendel sulla trasmissione di dati genetici tratti indicavano un’entità fisica e chimica discreta che trasportava informazioni genetiche. Sulla base dell’analisi biochimica di massa delle cellule, sono stati rilevati quattro componenti principali: carboidrati, grassi, proteine e acidi nucleici. Ognuno di questi componenti potrebbe rappresentare materiale genetico.

Le indagini iniziali sulla natura chimica del genoma hanno ipotizzato che le proteine, con 20 aminoacidi, avessero più probabilità di trasportare i fattori o i geni di Mendel. Tuttavia, esperimenti successivi hanno indicato che gli acidi nucleici erano i portatori di informazioni genetiche. Ciò ha presentato una difficoltà interessante. Sebbene gli acidi nucleici fossero stati analizzati chimicamente come polimeri costituiti da 4 nucleotidi diversi, non era chiaro come le informazioni per la straordinaria varietà di forme e funzioni nel corpo potessero derivare da soli 4 nucleotidi.

Tripletto Codone

Un po ‘più tardi, il dogma centrale della biologia molecolare indicava che la maggior parte degli organismi utilizzava l’RNA come intermedio tra DNA e proteine. Ciò ha sollevato la domanda successiva su come quattro basi potrebbero trasportare le informazioni per codificare 20 aminoacidi. Se ogni nucleotide codificasse per un singolo amminoacido, allora solo quattro amminoacidi potrebbero essere codificati in modo affidabile e riproducibile. Se ogni due nucleotidi codificasse un amminoacido, porterebbe comunque a soli 16 amminoacidi. Pertanto, era necessario un minimo di tre nucleotidi per codificare 20 amminoacidi.

Sono possibili 64 permutazioni da triplette nucleotidiche in cui ogni posizione nella tripletta può essere una di 4 nucleotidi. Queste triplette di nucleotidi sono state chiamate codoni. Questo ha anche dato origine all’idea di ridondanza: ogni amminoacido potrebbe essere rappresentato da più di una tripletta di codoni.Alcuni esperimenti hanno anche rivelato che i codoni venivano “letti” dalla macchina di traduzione come blocchi discreti di 3 basi. Cioè, i ribosomi “vedono” questi codoni come una serie di parole di tre lettere. Ad esempio, se una molecola di RNA ha la sequenza AAAGGCAAG, può codificare un massimo di 3 amminoacidi dai 3 codoni AAG, GGC e AAG.

Traslocazione ribosomiale

Il ribosoma avanza di tre basi dopo che ogni amminoacido è stato attaccato alla catena polipeptidica in crescita. Il modo in cui il ribosoma si muove è un motivo importante per cui le mutazioni frameshift sono deleteri e hanno effetti sproporzionati sulla funzione delle proteine. Ad esempio, se il ribosoma si muove solo di una singola base ogni volta, il precedente mRNA contenente 9 nucleotidi può essere letto come AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA e AAG, dando origine a un polipeptide con 7 aminoacidi. Se la traslocazione dei ribosomi si spostasse solo di una base alla volta, l’inserimento di un singolo nucleotide comporterebbe solo una piccola modifica alla sequenza di amminoacidi e forse nessun cambiamento della lunghezza del polinucleotide.

Fotogrammi di lettura

Nell’esempio precedente, la catena polinucleotidica può codificare un massimo di 3 amminoacidi. Tuttavia, a seconda delle regioni a monte, le lattine di allungamento producono anche solo 2 amminoacidi. Cioè, se il ribosoma si allinea inizialmente con AAG o AGG invece di AAA, il polimero nucleotidico viene letto in modo diverso. In questo modo, a seconda della posizione del sito di inizio della traduzione, qualsiasi sequenza di codifica può essere letta in 3 modi diversi. Poiché la maggior parte del DNA è costituito da doppi filamenti complementari, porta a un totale di 6 diversi “frame di lettura”, solo uno dei quali risulta nella corretta sequenza di amminoacidi per la proteina finale.

Tuttavia, quando c’è è una mutazione Indel, c’è uno spostamento nel frame di lettura a valle della mutazione. Ciò si traduce in una mutazione frameshift.

Esempi di mutazione Frameshift

L’immagine sopra mostra il nucleotide e sequenze di amminoacidi in una proteina di tipo selvatico, nonché il risultato di un inserimento di nucleotidi, che portano all’incorporazione di amminoacidi errati e alla fine prematura della sintesi del polipeptide. Mentre l’mRNA originale ha una sequenza di AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, l’inserimento di un residuo di uracile extra nella nona posizione cambia il frame di lettura. Invece di produrre un polipeptide di 7 aminoacidi che inizia con la metionina e continua fino alla prolina, finisce dopo 4 aminoacidi, con residui di leucina e alanina incorporati male.

L’immagine sotto mostra i diversi tipi di mutazioni che potrebbero influenzare gravemente la sequenza degli amminoacidi. Il pannello A mostra la sostituzione di 2 basi risultante in un codone di arresto prematuro, troncando la proteina. I pannelli B e D dimostrano l’effetto dell’inserimento di un singolo nucleotide o della delezione di 4 nucleotidi. In entrambi i casi, una mutazione frameshift altera tutte le sequenze di amminoacidi a valle. Il pannello C è un sottoinsieme di indel in cui vengono inseriti o eliminati 3 (o multipli di 3) nucleotidi. Non vi è alcuna mutazione frameshift. In questo particolare tipo di mutazioni di indel, il numero di nucleotidi mutati è piuttosto basso, potrebbe esserci anche un effetto molto limitato sulla funzione della proteina

• Sito A del ribosoma – Il sito ribosomiale che riceve principalmente un tRNA in entrata caricato con un residuo amminoacidico. I legami peptidici si formano nel sito A.
• Radiolabeling – Conosciuto anche come etichettatura radioisotopica, è una tecnica utilizzata per rilevare il movimento di una particolare molecola attraverso un sistema chimico, biochimico o cellulare, sostituendo alcuni dei gli atomi nei reagenti con isotopi radioattivi.
• Stop Codons – Sequenze nucleotidiche, specialmente nell’mRNA che segnalano la fine della traduzione. UAA, UAG e UGA sono i codoni di stop canonici.
• Tipo selvatico: ceppo, gene o caratteristica comunemente trovato, percepito come la forma originale del fenotipo.

Quiz

1. Quale di questi comporterebbe una mutazione frameshift?
A. Inserimento di 3 nucleotidi
B. Delezione di 18 nucleotidi
C. Inserimento di 17 nucleotidi
D. Tutto quanto sopra

2. Come può una mutazione frameshift causata da un singolo nucleotide cambiare drasticamente la lunghezza di un polipeptide?
A. Un cambiamento nel frame di lettura cambia la posizione del sito di interruzione della traduzione
B. L’inserimento o la delezione di un nucleotide influisce sulla lunghezza dell’amminoacido
C. Il sito A del ribosoma non è in grado di procedere oltre il sito di mutazione
D. Tutte le risposte precedenti

3. Perché le mutazioni frameshift sono relativamente rare?
A. Nelle proteine critiche, le mutazioni frameshift possono provocare gravidanze non vitali
B. Sono riparati particolarmente rapidamente dai meccanismi di riparazione del DNA della cellula
C. È difficile inserire o eliminare un nucleotide in un tratto di DNA
D. Tutte le risposte precedenti