Definicja mutacji z przesunięciem ramki

Mutacje z przesunięciem ramki to insercje lub delecje w genomie, które nie są wielokrotnością trzech nukleotydów. Stanowią one podzbiór mutacji insercyjno-delecyjnych (indel), które występują specyficznie w sekwencji kodującej polipeptydy. Tutaj liczba nukleotydów, które są dodawane lub usuwane z sekwencji kodującej, nie jest wielokrotnością trzech. Mogą wynikać z niezwykle prostych mutacji, takich jak dodanie lub usunięcie pojedynczego nukleotydu.

Mutacje z przesunięciem ramki nie obejmują podstawień, w których jeden nukleotyd zastępuje inny. W mutacjach substytucyjnych polipeptyd zmienia się tylko o jeden aminokwas. Mutacje przesunięcia ramki również nie obejmują indeli w niekodujących lub regulatorowych regionach genomu, ponieważ te mutacje nie mają żadnego bezpośredniego wpływu na sekwencję aminokwasów, chociaż regulacja białka może ulec zmianie.

Skutki mutacji przesunięcia ramki

Mutacje przesunięcia ramki odczytu należą do najbardziej szkodliwych zmian w sekwencji kodującej białka. Jest bardzo prawdopodobne, że prowadzą one do zmian na dużą skalę w długości polipeptydów i ich składzie chemicznym, co prowadzi do powstania niefunkcjonalnego białka, które często zakłóca procesy biochemiczne komórki. Mutacje przesunięcia ramki odczytu mogą prowadzić do przedwczesnego końca translacji mRNA, jak również do tworzenia wydłużonego polipeptydu.

Sekwencje aminokwasowe poniżej mutacji przesunięcia ramki mogą być również chemicznie różne od sekwencji oryginalnej . Na przykład, jeśli mutacja przesunięcia ramki zachodzi w integralnym białku transbłonowym, może znacznie zmienić odcinek reszt hydrofobowych, które obejmują dwuwarstwę lipidową, uniemożliwiając białku obecność w jego lokalizacji subkomórkowej. Kiedy takie błędy występują, komórka często dostrzega brak funkcjonalnego białka i próbuje to skompensować, zwiększając ekspresję zmutowanego genu. Może to nawet przytłoczyć maszynerię translacji komórki, skutkując powstaniem dużej liczby nieprawidłowo sfałdowanych białek, które mogą ostatecznie doprowadzić do upośledzenia na dużą skalę wszystkich funkcji, a nawet śmierci komórki.

Choroby wywołane mutacjami przesunięcia ramki w genach obejmują chorobę Leśniowskiego-Crohna, mukowiscydozę i niektóre formy raka. Z drugiej strony, gdy niektóre białka stają się dysfunkcyjne, mogą mieć działanie ochronne, co widać w przypadku oporności na HIV u osób z genem receptora chemokin (CCR5) zawierającym mutację przesunięcia ramki.

Ponieważ mutacje z przesunięciem ramki odczytu to zwykle zmiany w materiale genetycznym każdej komórki, rzadko można znaleźć lekarstwo. Większość interwencji ma charakter paliatywny.

Kod genetyczny

Podstawową przyczyną obecności mutacji z przesunięciem ramki odczytu jest mechanizm przekładania informacji genetycznej na sekwencje aminokwasów przez organizm oparty na trypletach kodu genetycznego . Oznacza to, że każdy zestaw trzech nukleotydów na mRNA reprezentuje aminokwas lub instrukcję zaprzestania translacji.

Odkrycie kodu genetycznego

Wstępne eksperymenty Mendla z przenoszeniem genów cechy wskazywały na odrębną jednostkę fizyczną i chemiczną, która zawiera informacje genetyczne. Na podstawie zbiorczej analizy biochemicznej komórek wykryto cztery główne składniki – węglowodany, tłuszcze, białka i kwasy nukleinowe. Każdy z tych składników może reprezentować materiał genetyczny.

Wstępne badania chemicznej natury genomu wysunęły hipotezę, że białka z 20 aminokwasami najprawdopodobniej są nośnikami czynników lub genów Mendla. Jednak późniejsze eksperymenty wykazały, że kwasy nukleinowe są nośnikami informacji genetycznej. Stanowiło to interesującą trudność. Chociaż kwasy nukleinowe były analizowane chemicznie jako polimery zbudowane z 4 różnych nukleotydów, nie było jasne, w jaki sposób informacja o olśniewającej różnorodności form i funkcji w organizmie może pochodzić z zaledwie 4 nukleotydów.

Triplet Codon

Nieco później centralny dogmat biologii molekularnej wskazał, że większość organizmów używa RNA jako pośrednika między DNA a białkami. To wywołało następne pytanie, w jaki sposób cztery zasady mogą przenosić informacje do kodowania 20 aminokwasów. Gdyby każdy nukleotyd zakodował pojedynczy aminokwas, to tylko cztery aminokwasy można by niezawodnie i odtwarzalnie zakodować. Gdyby każde dwa nukleotydy kodowały aminokwas, nadal prowadziłoby to tylko do 16 aminokwasów. Dlatego potrzeba było co najmniej trzech nukleotydów, aby zakodować 20 aminokwasów.

Istnieją 64 permutacje z trypletów nukleotydów, w których każda pozycja w tryplecie może być jednym z 4 nukleotydów. Te tryplety nukleotydów nazwano kodonami. To również zrodziło ideę redundancji – każdy aminokwas może być reprezentowany przez więcej niż jeden tryplet kodonów.Niektóre eksperymenty ujawniły również, że kodony były „odczytywane” przez maszynę translacyjną jako oddzielne fragmenty 3 zasad. Oznacza to, że rybosomy „widzą” te kodony jak serię trzyliterowych słów. Na przykład, jeśli cząsteczka RNA ma sekwencję AAAGGCAAG, może kodować maksymalnie 3 aminokwasy z 3 kodonów AAG, GGC i AAG.

Translokacja rybosomu

Rybosom porusza się do przodu o trzy zasady po przyłączeniu każdego aminokwasu do rosnącego łańcucha polipeptydowego. Sposób, w jaki porusza się rybosom, jest ważnym powodem, dla którego mutacje przesunięcia ramki odczytu są szkodliwe i mają nieproporcjonalny wpływ na funkcje białek. Na przykład, jeśli rybosom za każdym razem porusza się tylko o jedną zasadę, poprzedni mRNA zawierający 9 nukleotydów można odczytać jako AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA i AAG, dając początek polipeptydowi o 7 aminokwasach. Gdyby translokacja rybosomów poruszała się tylko o jedną zasadę na raz, wstawienie pojedynczego nukleotydu spowodowałoby jedynie niewielką zmianę w sekwencji aminokwasowej i prawdopodobnie żadnej zmiany w długości polinukleotydu.

Czytanie ramek

W poprzednim przykładzie łańcuch polinukleotydowy może kodować maksymalnie 3 aminokwasy. Jednak w zależności od regionów w górę, odcinek może również dawać tylko 2 aminokwasy. Oznacza to, że jeśli rybosom jest wyrównany początkowo z AAG lub AGG zamiast AAA, polimer nukleotydowy jest odczytywany w inny sposób. W ten sposób, w zależności od pozycji strony początkowej tłumaczenia, dowolną sekwencję kodowania można odczytać na 3 różne sposoby. Ponieważ większość DNA składa się z komplementarnych podwójnych nici, prowadzi to do łącznie 6 różnych „ramek odczytu”, z których tylko jedna daje prawidłową sekwencję aminokwasów dla końcowego białka.

jest mutacją indel, następuje przesunięcie ramki odczytu za mutacją. Powoduje to mutację przesunięcia ramki.

Przykłady mutacji przesunięcia ramki

Powyższy obrazek przedstawia nukleotyd oraz sekwencje aminokwasowe w białku typu dzikiego, jak również wynik insercji nukleotydów, prowadzące do włączenia nieprawidłowych aminokwasów i przedwczesnego końca syntezy polipeptydu. Podczas gdy oryginalny mRNA ma sekwencję AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, wstawienie dodatkowej reszty uracylu w dziewiątej pozycji zmienia ramkę odczytu. Zamiast produkować polipeptyd składający się z 7 aminokwasów, zaczynając od metioniny, a kończąc na prolinie, kończy się on po 4 aminokwasach, z błędnie wprowadzonymi resztami leucyny i alaniny.

Poniższy obrazek przedstawia różne typy mutacji, które mogą poważnie wpływać na sekwencję aminokwasów. Panel A przedstawia podstawienie 2 zasad skutkujące przedwczesnym kodonem stop, skracającym białko. Panele B i D przedstawiają wpływ albo insercji pojedynczego nukleotydu, albo delecji 4 nukleotydów. W obu przypadkach mutacja przesunięcia ramki zmienia wszystkie dalsze sekwencje aminokwasowe. Panel C jest podzbiorem indeli, w których 3 (lub wielokrotności 3) nukleotydów są wstawione lub usunięte. Nie ma mutacji przesunięcia ramki. W tym konkretnym typie mutacji indel liczba zmutowanych nukleotydów jest dość niska, może mieć również bardzo ograniczony wpływ na funkcję białka.

• Miejsce A rybosomu – miejsce rybosomu, które w większości otrzymuje przychodzące tRNA naładowane resztą aminokwasową. Wiązania peptydowe powstają w miejscu A.
• Znakowanie radioizotopowe – nazywane również znakowaniem radioizotopowym, jest techniką używaną do wykrywania ruchu określonej cząsteczki w układzie chemicznym, biochemicznym lub komórkowym, poprzez zastąpienie niektórych atomy w reagentach z radioaktywnymi izotopami.
• Stop Codons – sekwencje nukleotydowe, zwłaszcza w mRNA, które sygnalizują koniec translacji. UAA, UAG i UGA to kanoniczne kodony stop.
• Typ dziki – powszechnie spotykany szczep, gen lub cecha, postrzegana jako oryginalna forma fenotypu.

Quiz

1. Który z nich spowodowałby mutację przesunięcia ramki odczytu?
A. Wstawienie 3 nukleotydów
B. Delecja 18 nukleotydów
C. Wstawienie 17 nukleotydów
D. Wszystkie powyższe

2. W jaki sposób mutacja przesunięcia ramki odczytu spowodowana przez pojedynczy nukleotyd może drastycznie zmienić długość polipeptydu?
A. Zmiana ramki odczytu powoduje zmianę położenia strony zatrzymania tłumaczenia
B. Insercja lub delecja nukleotydu wpływa na długość aminokwasu
C. Miejsce A rybosomu nie jest w stanie wyjść poza miejsce mutacji
D. Wszystkie powyższe

3. Dlaczego mutacje przesunięcia ramki są stosunkowo rzadkie?
A. W białkach krytycznych mutacje przesunięcia ramki odczytu mogą skutkować ciążami niezdolnymi do życia
B. Są szczególnie szybko naprawiane przez mechanizmy naprawy DNA komórki
C. Trudno jest wstawić lub usunąć nukleotyd w odcinku DNA
D. Wszystkie powyższe