Frameshift-mutasjonsdefinisjon

Frameshift-mutasjoner er innsettinger eller slettinger i genomet som ikke er i multipler av tre nukleotider. De er en delmengde av insertion-deletion (indel) mutasjoner som er spesifikt funnet i den kodende sekvensen av polypeptider. Her er antallet nukleotider som blir lagt til eller fjernet fra den kodende sekvensen ikke multipler av tre. De kan oppstå fra ekstremt enkle mutasjoner som tilsetning eller fjerning av et enkelt nukleotid.

Frameshift-mutasjoner inkluderer ikke substitusjoner der et nukleotid erstatter et annet. I substitusjonsmutasjoner endres polypeptidet bare av en enkelt aminosyre. Frameshift-mutasjoner inkluderer heller ikke indeler i genomets ikke-kodende eller regulatoriske regioner fordi disse mutasjonene ikke har noen direkte effekt på aminosyresekvensen, selv om proteinregulering kan endre seg.

Effekter av Frameshift-mutasjoner

Frameshift-mutasjoner er blant de mest skadelige endringene i den kodende sekvensen til et protein. Det er svært sannsynlig at de vil føre til store endringer i polypeptidlengde og kjemisk sammensetning, noe som resulterer i et ikke-funksjonelt protein som ofte forstyrrer de biokjemiske prosessene i en celle. Frameshift-mutasjoner kan føre til en tidlig slutt på translasjon av mRNA så vel som dannelsen av et utvidet polypeptid.

Aminosyresekvensene nedstrøms for frameshift-mutasjonen er også sannsynlig å være kjemisk forskjellige fra den originale sekvensen . For eksempel, hvis en rammeskiftmutasjon oppstår i et integrert transmembranprotein, kan det i stor grad endre strekningen av hydrofobe rester som spenner over lipid-dobbeltlaget, noe som gjør det umulig for proteinet å være til stede på det subcellulære stedet. Når slike feil oppstår, oppfatter cellen ofte mangelen på funksjonelt protein og prøver å kompensere ved å oppregulere ekspresjonen av det muterte genet. Dette kan til og med overvelde cellens oversettelsesmaskineri, resultere i et stort antall feilfoldede proteiner som til slutt kan føre til storskala svekkelse av alle funksjonene til jevn celledød.

Sykdommer forårsaket av rammeskiftmutasjoner i gener inkluderer Crohns sykdom, cystisk fibrose og noen former for kreft. På den annen side, når noen proteiner blir dysfunksjonelle, kan de ha en beskyttende effekt, sett i motstanden mot HIV hos mennesker med et chemokinreseptorgen (CCR5) som inneholder en rammeskiftmutasjon.

Siden rammeskiftmutasjoner vanligvis er endringer i det genetiske materialet i hver celle, er det sjelden å finne en kur. De fleste intervensjoner er palliative.

Den genetiske koden

Hovedårsaken til tilstedeværelsen av rammeskiftmutasjoner er kroppens mekanisme for å oversette genetisk informasjon til aminosyresekvenser gjennom en triplettbasert genetisk kode . Dette betyr at hvert sett med tre nukleotider på et mRNA representerer enten en aminosyre eller en instruksjon om å stanse oversettelsen.

Oppdagelse av den genetiske koden

Mendels innledende eksperimenter om overføring av genetisk trekk pekte mot en diskret fysisk og kjemisk enhet som bar genetisk informasjon. Basert på bulk biokjemisk analyse av celler ble fire hovedkomponenter påvist – karbohydrater, fett, proteiner og nukleinsyrer. Enhver av disse komponentene kan representere genetisk materiale.

Innledende undersøkelser av genomets kjemiske natur antydet at proteiner, med 20 aminosyrer, mest sannsynlig hadde Mendels faktorer eller gener. Senere eksperimenter indikerte imidlertid at nukleinsyrer var bærere av genetisk informasjon. Dette ga en interessant vanskelighetsgrad. Mens nukleinsyrer hadde blitt analysert kjemisk som polymerer laget av 4 forskjellige nukleotider, var det ikke klart hvordan informasjonen for det blendende utvalget av former og funksjoner i kroppen kunne oppstå fra bare 4 nukleotider.

Triplett Codon

Litt senere indikerte molekylærbiologiens sentrale dogme at de fleste organismer brukte RNA som mellomprodukt mellom DNA og proteiner. Dette brakte opp neste spørsmål om hvordan fire baser kunne føre informasjonen til å kode 20 aminosyrer. Hvis hvert nukleotid kodet for en enkelt aminosyre, kunne bare fire aminosyrer være pålitelig og reproduserbart kodet. Hvis annenhver nukleotid kodet for en aminosyre, ville det fortsatt føre til bare 16 aminosyrer. Derfor var det nødvendig med minimum tre nukleotider for å kode for 20 aminosyrer.

Det er 64 permutasjoner mulig fra nukleotidtripletter der hver posisjon i tripletten kan være en av 4 nukleotider. Disse nukleotidtriplettene ble kalt kodoner. Dette ga også ideen om redundans – hver aminosyre kunne representeres av mer enn en kodontriplett.Noen eksperimenter avslørte også at kodoner ble ‘lest’ av oversettelsesmaskineriet som diskrete biter av 3 baser. Det vil si at ribosomer ‘ser’ disse kodonene som en serie med tre bokstaver. For eksempel, hvis et RNA-molekyl har sekvensen AAAGGCAAG, kan det kode maksimalt 3 aminosyrer fra de tre kodonene AAG, GGC og AAG.

Ribosomtranslokasjon

Ribosomet beveger seg fremover med tre baser etter at hver aminosyre er festet til den voksende polypeptidkjeden. Måten ribosomet beveger seg på er en viktig grunn til at frameshift-mutasjoner er skadelige og har uforholdsmessige effekter på proteinfunksjonen. For eksempel, hvis ribosomet bare beveges av en enkelt base hver gang, kan det forrige mRNA som inneholder 9 nukleotider leses som AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA og AAG, noe som gir opphav til et polypeptid med 7 aminosyrer. Hvis ribosomtranslokering bare flyttet en base om gangen, ville innsetting av et enkelt nukleotid bare resultere i en liten endring i aminosyresekvensen, og muligens ingen endring i det hele tatt i polynukleotidlengde.

Leserammer

I forrige eksempel kan polynukleotidkjeden kode for maksimalt 3 aminosyrer. Avhengig av oppstrømsregionene resulterer imidlertid strekkbokser også i bare 2 aminosyrer. Det vil si at hvis ribosomet innretter seg med AAG eller AGG i stedet for AAA, blir nukleotidpolymeren lest på en annen måte. På denne måten, avhengig av posisjonen til oversettelsens startsted, kan hvilken som helst kodesekvens leses på 3 forskjellige måter. Siden det meste av DNA er laget av komplementære dobbeltstrenger, fører det til totalt 6 forskjellige ‘leserammer’, hvorav bare en resulterer i riktig aminosyresekvens for det endelige proteinet.

Imidlertid når det er er en indelmutasjon, er det et skifte i leserammen nedstrøms for mutasjonen. Dette resulterer i en frameshift-mutasjon.

Eksempler på Frameshift-mutasjon

Bildet over viser nukleotidet og aminosyresekvenser i et villtypeprotein så vel som resultatet av en nukleotidinnsetting, noe som fører til inkorporering av feil aminosyrer og for tidlig slutt på polypeptidsyntese. Mens det opprinnelige mRNA har en sekvens av AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, endrer innsettingen av en ekstra uracilrest i niende posisjon leserammen. I stedet for å produsere et polypeptid med 7 aminosyrer som begynner med metionin og fortsetter opp til prolin, ender det etter 4 aminosyrer, med feilinnlemmede leucin- og alaninrester.

Bildet nedenfor viser de forskjellige typer mutasjoner som kan påvirker aminosyresekvensen alvorlig. Panel A viser substitusjonen av to baser, noe som resulterer i en for tidlig stoppkodon, avkuttende proteinet. Paneler B og D demonstrerer effekten av enten innsetting av et enkelt nukleotid eller sletting av 4 nukleotider. I begge tilfeller endrer en frameshift-mutasjon alle nedstrøms aminosyresekvenser. Panel C er en delmengde av indeler der 3 (eller multipler av 3) nukleotider settes inn eller slettes. Det er ingen rammeskiftmutasjon. I denne spesielle typen indelmutasjoner er antallet muterte nukleotider ganske lavt. Det kan også være svært begrenset effekt på proteinfunksjonen

• A-sted for ribosom – Det ribosomale stedet som for det meste mottar et innkommende tRNA ladet med en aminosyrerest. Peptidbindinger dannes på A-stedet.
• Radiomerking – Også kjent som radioisotopmerking, er en teknikk som brukes til å oppdage bevegelse av et bestemt molekyl gjennom et kjemisk, biokjemisk eller cellulært system, ved å erstatte noen av atomene i reaktanter med radioaktive isotoper.
• Stopp kodoner – Nukleotidsekvenser, spesielt i mRNA som signaliserer slutten på translasjonen. UAA, UAG og UGA er de kanoniske stoppkodonene.
• Villtype – Vanligvis funnet stamme, gen eller karakteristisk, oppfattes å ha vært den opprinnelige formen for fenotypen.

Quiz

1. Hvilke av disse vil resultere i en frameshift-mutasjon?
A. Innsetting av 3 nukleotider
B. Sletting av 18 nukleotider
C. Innsetting av 17 nukleotider
D. Alt det ovennevnte

2. Hvordan kan en frameshift-mutasjon forårsaket av et enkelt nukleotid drastisk endre lengden på et polypeptid?
A. En endring i leserammen endrer plasseringen til nettstedet for oversettelsesstopp
B. Innsetting eller sletting av et nukleotid påvirker aminosyrelengden
C. Ribosom A-stedet kan ikke fortsette utover mutasjonsstedet
D. Alt det ovennevnte

3. Hvorfor er frameshift-mutasjoner relativt sjeldne?
A. I kritiske proteiner kan frameshift-mutasjoner resultere i ikke-levedyktige graviditeter
B. De blir spesielt raskt reparert av DNA-reparasjonsmekanismene i cellen
C. Det er vanskelig å sette inn eller slette et nukleotid i en DNA-strekk
D. Alt det ovennevnte