Definição de mutações de frameshift

Mutações de frameshift são inserções ou deleções no genoma que não estão em múltiplos de três nucleotídeos. Eles são um subconjunto de mutações de exclusão por inserção (indel) que são encontradas especificamente na sequência de codificação de polipeptídeos. Aqui, o número de nucleotídeos que são adicionados ou removidos da sequência de codificação não são múltiplos de três. Eles podem surgir de mutações extremamente simples, como a adição ou remoção de um único nucleotídeo.

Mutações de deslocamento de quadro não incluem substituições em que um nucleotídeo substitui outro. Em mutações de substituição, o polipeptídeo muda apenas por um único aminoácido. Mutações de frameshift também não incluem indels nas regiões não codificantes ou reguladoras do genoma porque essas mutações não têm nenhum efeito direto na sequência de aminoácidos, embora a regulação de proteínas possa mudar.

Efeitos de mutações de frameshift

Mutações de frameshift estão entre as alterações mais deletérias na sequência de codificação de uma proteína. Eles são extremamente prováveis de levar a mudanças em grande escala no comprimento do polipeptídeo e na composição química, resultando em uma proteína não funcional que freqüentemente interrompe os processos bioquímicos de uma célula. Mutações frameshift podem levar ao fim prematuro da tradução do mRNA, bem como à formação de um polipeptídeo estendido.

As sequências de aminoácidos a jusante da mutação frameshift também são provavelmente quimicamente distintas da sequência original . Por exemplo, se uma mutação de frameshift ocorre em uma proteína transmembrana integral, ela poderia alterar amplamente a extensão dos resíduos hidrofóbicos que abrangem a bicamada lipídica, tornando impossível para a proteína estar presente em sua localização subcelular. Quando esses erros ocorrem, a célula freqüentemente percebe a falta de proteína funcional e tenta compensar regulando positivamente a expressão do gene mutado. Isso pode até mesmo sobrecarregar a máquina de tradução da célula, resultando em um grande número de proteínas mal dobradas que podem levar ao comprometimento em grande escala de todas as funções até mesmo de morte celular.

Doenças causadas por mutações de frameshift nos genes incluem doença de Crohn, fibrose cística e algumas formas de câncer. Por outro lado, quando algumas proteínas se tornam disfuncionais, elas podem ter um efeito protetor, como visto na resistência ao HIV em pessoas com um gene receptor de quimiocina (CCR5) contendo uma mutação frameshift.

Como as mutações frameshift são geralmente alterações no material genético de cada célula, é raro encontrar uma cura. A maioria das intervenções é paliativa.

O código genético

O principal motivo para a presença de mutações frameshift é o mecanismo do corpo para traduzir a informação genética em sequências de aminoácidos por meio de um código genético baseado em tripletos . Isso significa que cada conjunto de três nucleotídeos em um mRNA representa um aminoácido ou uma instrução para interromper a tradução.

Descoberta do código genético

Experimentos iniciais de Mendel sobre a transmissão de genes características apontavam para uma entidade física e química discreta que carregava informações genéticas. Com base na análise bioquímica em massa das células, quatro componentes principais foram detectados – carboidratos, gorduras, proteínas e ácidos nucléicos. Qualquer um desses componentes pode representar material genético.

Investigações iniciais sobre a natureza química do genoma levantaram a hipótese de que as proteínas, com 20 aminoácidos, tinham maior probabilidade de carregar os fatores ou genes de Mendel. No entanto, experimentos posteriores indicaram que os ácidos nucléicos eram os portadores da informação genética. Isso apresentou uma dificuldade interessante. Embora os ácidos nucléicos tenham sido analisados quimicamente como polímeros feitos de 4 nucleotídeos diferentes, não estava claro como as informações para a incrível variedade de formas e funções no corpo poderiam surgir de apenas 4 nucleotídeos.

Tripleto Codon

Um pouco mais tarde, o dogma central da biologia molecular indicou que a maioria dos organismos usava o RNA como intermediário entre o DNA e as proteínas. Isso levantou a próxima questão de como quatro bases poderiam transportar as informações para codificar 20 aminoácidos. Se cada nucleotídeo codifica um único aminoácido, então apenas quatro aminoácidos podem ser codificados de forma confiável e reproduzível. Se cada dois nucleotídeos codificassem um aminoácido, ainda levaria a apenas 16 aminoácidos. Portanto, um mínimo de três nucleotídeos foi necessário para codificar para 20 aminoácidos.

Existem 64 permutações possíveis de tripletos de nucleotídeos, onde cada posição no tripleto pode ser um de 4 nucleotídeos. Esses tripletos de nucleotídeos foram chamados de códons. Isso também deu origem à ideia de redundância – cada aminoácido poderia ser representado por mais de um tripleto de códon.Alguns experimentos também revelaram que os códons foram “lidos” pela máquina de tradução como pedaços discretos de 3 bases. Ou seja, os ribossomos “vêem” esses códons como uma série de palavras de três letras. Por exemplo, se uma molécula de RNA tem a sequência AAAGGCAAG, então ela pode codificar para um máximo de 3 aminoácidos dos 3 códons AAG, GGC e AAG.

Translocação de Ribossomo

O ribossomo avança três bases após cada aminoácido ter sido anexado à crescente cadeia polipeptídica. A forma como o ribossomo se move é uma razão importante porque as mutações frameshift são deletérias e têm efeitos desproporcionais na função da proteína. Por exemplo, se o ribossomo se moveu apenas por uma única base de cada vez, o mRNA anterior contendo 9 nucleotídeos pode ser lido como AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA e AAG, dando origem a um polipeptídeo com 7 aminoácidos. Se a translocação do ribossomo movesse apenas uma base de cada vez, a inserção de um único nucleotídeo resultaria apenas em uma pequena alteração na sequência de aminoácidos e, possivelmente, nenhuma alteração no comprimento do polinucleotídeo.

Quadros de leitura

No exemplo anterior, a cadeia polinucleotídica pode codificar para um máximo de 3 aminoácidos. No entanto, dependendo das regiões a montante, as latas extensíveis também resultam em apenas 2 aminoácidos. Ou seja, se o ribossomo se alinha inicialmente com AAG ou AGG em vez de AAA, o polímero de nucleotídeo é lido de uma maneira diferente. Dessa forma, dependendo da posição do local de início da tradução, qualquer sequência de codificação pode ser lida de 3 maneiras diferentes. Uma vez que a maioria do DNA é feito de fitas duplas complementares, ele leva a um total de 6 ‘quadros de leitura’ diferentes, apenas um dos quais resulta na sequência de aminoácidos correta para a proteína final.

No entanto, quando houver é uma mutação indel, há uma mudança no quadro de leitura a jusante da mutação. Isso resulta em uma mutação de frameshift.

Exemplos de mutação de frameshift

A imagem acima mostra o nucleotídeo e sequências de aminoácidos em uma proteína de tipo selvagem, bem como o resultado de uma inserção de nucleotídeo, levando à incorporação de aminoácidos incorretos e ao fim prematuro da síntese de polipeptídeos. Embora o mRNA original tenha uma sequência de AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, a inserção de um resíduo de uracila extra na nona posição altera o quadro de leitura. Em vez de produzir um polipeptídeo de 7 aminoácidos começando com metionina e continuando até a prolina, ele termina após 4 aminoácidos, com resíduos de leucina e alanina incorporados incorretamente.

A imagem abaixo mostra os diferentes tipos de mutações que poderiam afetam gravemente a sequência de aminoácidos. O painel A mostra a substituição de 2 bases resultando em um códon de parada prematuro, truncando a proteína. Os painéis B e D demonstram o efeito da inserção de um único nucleotídeo ou da deleção de 4 nucleotídeos. Em ambos os casos, uma mutação frameshift altera todas as sequências de aminoácidos a jusante. O painel C é um subconjunto de indels onde 3 (ou múltiplos de 3) nucleotídeos são inseridos ou deletados. Não há mutação de frameshift. Neste tipo particular de mutações indel, o número de nucleotídeos mutados é bastante baixo, pode haver um efeito muito limitado na função da proteína também

• Local A do ribossomo – o local ribossômico que recebe principalmente um tRNA carregado com um resíduo de aminoácido. As ligações peptídicas são formadas no local A.
• Marcação radioativa – Também conhecida como marcação de radioisótopos, é uma técnica usada para detectar o movimento de uma molécula específica através de um sistema químico, bioquímico ou celular, substituindo alguns dos os átomos em reagentes com isótopos radioativos.
• Códons de parada – Sequências de nucleotídeos, especialmente em mRNA que sinalizam o fim da tradução. UAA, UAG e UGA são os códons de parada canônicos.
• Tipo selvagem – Cepa, gene ou característica comumente encontrada, percebida como a forma original do fenótipo.

Quiz

1. Qual deles resultaria em uma mutação de frameshift?
A. Inserção de 3 nucleotídeos
B. Deleção de 18 nucleotídeos
C. Inserção de 17 nucleotídeos
D. Todas as alternativas acima

2. Como uma mutação de frameshift causada por um único nucleotídeo pode alterar drasticamente o comprimento de um polipeptídeo?
A. Uma mudança no quadro de leitura muda a posição do site de parada da tradução
B. A inserção ou deleção de um nucleotídeo afeta o comprimento dos aminoácidos
C. O local do ribossomo A é incapaz de prosseguir além do local da mutação
D. Todas as alternativas acima

3. Por que as mutações frameshift são relativamente raras?
A. Em proteínas críticas, mutações frameshift podem resultar em gravidezes inviáveis
B. Eles são reparados de forma especialmente rápida pelos mecanismos de reparo do DNA da célula
C. É difícil inserir ou deletar um nucleotídeo em um trecho de DNA
D. Todas as alternativas acima