Frameshift-mutatie-definitie

Frameshift-mutaties zijn inserties of deleties in het genoom die niet in veelvouden van drie nucleotiden zijn. Ze zijn een subset van insertie-deletie (indel) mutaties die specifiek worden aangetroffen in de coderende sequentie van polypeptiden. Hier is het aantal nucleotiden dat wordt toegevoegd aan of verwijderd uit de coderende sequentie geen veelvouden van drie. Ze kunnen voortkomen uit extreem eenvoudige mutaties, zoals de toevoeging of verwijdering van een enkele nucleotide.

Frameshift-mutaties omvatten geen substituties waarbij een nucleotide een andere vervangt. Bij substitutiemutaties verandert het polypeptide alleen door een enkel aminozuur. Frameshift-mutaties omvatten ook geen indels in de niet-coderende of regulerende gebieden van het genoom, omdat deze mutaties geen direct effect hebben op de aminozuursequentie, hoewel de eiwitregulatie kan veranderen.

Effecten van Frameshift-mutaties

Frameshift-mutaties behoren tot de meest schadelijke veranderingen in de coderende sequentie van een eiwit. Het is zeer waarschijnlijk dat ze leiden tot grootschalige veranderingen in de lengte van het polypeptide en de chemische samenstelling, wat resulteert in een niet-functioneel eiwit dat vaak de biochemische processen van een cel verstoort. Frameshift-mutaties kunnen leiden tot een voortijdig einde van de translatie van het mRNA en tot de vorming van een verlengd polypeptide.

De aminozuursequenties stroomafwaarts van de frameshift-mutatie zijn waarschijnlijk ook chemisch verschillend van de oorspronkelijke sequentie. . Als er bijvoorbeeld een frameverschuivingsmutatie optreedt in een integraal transmembraaneiwit, zou dit de hoeveelheid hydrofobe residuen die de lipidedubbellaag overspannen, enorm kunnen veranderen, waardoor het onmogelijk wordt dat het eiwit aanwezig is op zijn subcellulaire locatie. Wanneer dergelijke fouten optreden, neemt de cel vaak het gebrek aan functioneel eiwit waar en probeert dit te compenseren door de expressie van het gemuteerde gen opwaarts te reguleren. Dit kan zelfs het vertaalmechanisme van de cel overweldigen, resulteren in een groot aantal verkeerd gevouwen eiwitten die uiteindelijk zouden kunnen leiden tot grootschalige aantasting van alle functies van zelfs celdood.

Ziekten veroorzaakt door frameshift-mutaties in genen omvatten de ziekte van Crohn, cystische fibrose en sommige vormen van kanker. Aan de andere kant, wanneer sommige eiwitten disfunctioneel worden, kunnen ze een beschermend effect hebben, zoals blijkt uit de resistentie tegen hiv bij mensen met een chemokinereceptorgen (CCR5) met een frameshift-mutatie.

Aangezien frameshift-mutaties meestal veranderingen zijn in het genetisch materiaal in elke cel, is het zeldzaam om een remedie te vinden. De meeste interventies zijn palliatief.

De genetische code

De belangrijkste reden voor de aanwezigheid van frameshift-mutaties is het mechanisme van het lichaam voor het vertalen van genetische informatie in aminozuursequenties via een op triplet gebaseerde genetische code . Dit betekent dat elke set van drie nucleotiden op een mRNA ofwel een aminozuur vertegenwoordigt ofwel een instructie om de vertaling stop te zetten.

Ontdekking van de genetische code

Mendel’s eerste experimenten met de overdracht van genetische kenmerken wezen op een discrete fysische en chemische entiteit die genetische informatie droeg. Op basis van biochemische bulkanalyse van cellen werden vier belangrijke componenten gedetecteerd: koolhydraten, vetten, eiwitten en nucleïnezuren. Elk van deze componenten zou genetisch materiaal kunnen vertegenwoordigen.

Initiële onderzoeken naar de chemische aard van het genoom veronderstelden dat eiwitten, met 20 aminozuren, hoogstwaarschijnlijk de factoren of genen van Mendel bevatten. Latere experimenten gaven echter aan dat nucleïnezuren de dragers waren van genetische informatie. Dit leverde een interessante moeilijkheid op. Hoewel nucleïnezuren chemisch waren geanalyseerd als polymeren gemaakt van 4 verschillende nucleotiden, was het niet duidelijk hoe de informatie voor de oogverblindende verscheidenheid aan vormen en functies in het lichaam kon ontstaan uit slechts 4 nucleotiden.

Triplet Codon

Even later gaf het centrale dogma van de moleculaire biologie aan dat de meeste organismen RNA gebruikten als het tussenproduct tussen DNA en eiwitten. Dit bracht de volgende vraag naar voren: hoe vier basen de informatie zouden kunnen dragen om voor 20 aminozuren te coderen. Als elke nucleotide codeerde voor een enkel aminozuur, dan zouden slechts vier aminozuren betrouwbaar en reproduceerbaar kunnen worden gecodeerd. Als elke twee nucleotiden voor een aminozuur zouden coderen, zou het nog steeds leiden tot slechts 16 aminozuren. Daarom waren minimaal drie nucleotiden nodig om voor 20 aminozuren te coderen.

Er zijn 64 permutaties mogelijk van nucleotide tripletten, waarbij elke positie in het triplet een van de 4 nucleotiden kan zijn. Deze nucleotide-tripletten werden codons genoemd. Dit gaf ook aanleiding tot het idee van redundantie – elk aminozuur zou kunnen worden vertegenwoordigd door meer dan één codontriplet.Sommige experimenten toonden ook aan dat codons door de vertaalmachines werden ‘gelezen’ als afzonderlijke brokken van 3 basen. Dat wil zeggen, ribosomen ‘zien’ deze codons als een reeks drieletterige woorden. Als een RNA-molecuul bijvoorbeeld de sequentie AAAGGCAAG heeft, kan het coderen voor maximaal 3 aminozuren van de 3 codons AAG, GGC en AAG.

Ribosoomtranslocatie

Het ribosoom beweegt drie basen naar voren nadat elk aminozuur aan de groeiende polypeptideketen is vastgemaakt. De manier waarop het ribosoom beweegt, is een belangrijke reden waarom frameshift-mutaties schadelijk zijn en onevenredige effecten hebben op de eiwitfunctie. Als het ribosoom bijvoorbeeld elke keer slechts één enkele base bewoog, kan het vorige mRNA met 9 nucleotiden worden gelezen als AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA en AAG, waardoor een polypeptide ontstaat met 7 aminozuren. Als ribosoomtranslocatie slechts één base per keer zou verplaatsen, zou de insertie van een enkele nucleotide slechts een kleine verandering in de aminozuursequentie tot gevolg hebben, en mogelijk helemaal geen verandering in de lengte van de polynucleotiden.

Leesframes

In het vorige voorbeeld kan de polynucleotideketen coderen voor maximaal 3 aminozuren. Afhankelijk van de bovenstroomse gebieden, leveren de rekbussen echter ook slechts 2 aminozuren op. Dat wil zeggen, als het ribosoom aanvankelijk uitgelijnd is met AAG of AGG in plaats van AAA, wordt het nucleotidepolymeer op een andere manier gelezen. Op deze manier kan, afhankelijk van de positie van de startplaats van de vertaling, elke codereeks op 3 verschillende manieren worden gelezen. Aangezien het meeste DNA is gemaakt van complementaire dubbele strengen, leidt dit tot in totaal 6 verschillende ‘leeskaders’, waarvan er slechts één resulteert in de juiste aminozuursequentie voor het uiteindelijke eiwit.

Echter, als er is een indel-mutatie, is er een verschuiving in het leeskader stroomafwaarts van de mutatie. Dit resulteert in een frameshift-mutatie.

Voorbeelden van frameshift-mutatie

De afbeelding hierboven toont de nucleotide en aminozuursequenties in een wildtype eiwit, evenals het resultaat van een nucleotide-insertie, leidend tot de opname van onjuiste aminozuren en het voortijdige einde van de polypeptidesynthese. Terwijl het originele mRNA een sequentie heeft van AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, verandert de insertie van een extra uracilresidu op de negende positie het leeskader. In plaats van een polypeptide van 7 aminozuren te produceren, beginnend met methionine en doorlopend tot proline, eindigt het na 4 aminozuren, met verkeerd opgenomen leucine- en alanineresiduen.

De onderstaande afbeelding toont de verschillende soorten mutaties die zouden kunnen hebben een ernstige invloed op de aminozuursequentie. Paneel A toont de substitutie van 2 basen resulterend in een voortijdig stopcodon, dat het eiwit verkort. Panelen B en D demonstreren het effect van ofwel de insertie van een enkele nucleotide of de verwijdering van 4 nucleotiden. In beide gevallen verandert een frameshift-mutatie alle stroomafwaartse aminozuursequenties. Paneel C is een subset van indels waarin 3 (of veelvouden van 3) nucleotiden worden ingevoegd of verwijderd. Er is geen frameshift-mutatie. Bij dit specifieke type indel-mutaties is het aantal gemuteerde nucleotiden vrij laag, er kan ook een zeer beperkt effect zijn op de eiwitfunctie.

• A-site van ribosoom – De ribosomale site die meestal een binnenkomend tRNA ontvangt dat is geladen met een aminozuurresidu. Peptidebindingen worden gevormd op de A-plaats.
• Radiolabeling – Ook bekend als radio-isotopenlabeling, is een techniek die wordt gebruikt om de beweging van een bepaald molecuul door een chemisch, biochemisch of cellulair systeem te detecteren, door een deel van de atomen in reactanten met radioactieve isotopen.
• Stopcodons – Nucleotidesequenties, vooral in mRNA die het einde van de translatie aangeven. UAA, UAG en UGA zijn de canonieke stopcodons.
• Wildtype – Gewoonlijk gevonden stam, gen of kenmerk, waarvan wordt aangenomen dat het de oorspronkelijke vorm van het fenotype is.

Quiz

1. Welke van deze zou resulteren in een frameshift-mutatie?
A. Insertie van 3 nucleotiden
B. Verwijdering van 18 nucleotiden
C. Insertie van 17 nucleotiden
D. Al het bovenstaande

2. Hoe kan een frameshift-mutatie veroorzaakt door een enkele nucleotide de lengte van een polypeptide drastisch veranderen?
A. Een verandering in het leeskader verandert de positie van de translatiestoplocatie
B. Het invoegen of verwijderen van een nucleotide heeft invloed op de aminozuurlengte
C. De A-site van het ribosoom kan niet verder gaan dan de mutatieplaats
D. Al het bovenstaande

3. Waarom zijn frameshift-mutaties relatief zeldzaam?
A. In kritische eiwitten kunnen frameshift-mutaties resulteren in niet-levensvatbare zwangerschappen
B. Ze worden vooral snel hersteld door de DNA-herstelmechanismen van de cel
C. Het is moeilijk om een nucleotide in een DNA-stuk in te voegen of te verwijderen
D. Al het bovenstaande