Definiția Mutației Frameshift

Mutațiile Frameshift sunt inserții sau ștergeri în genom care nu se află în multipli de trei nucleotide. Sunt un subset de mutații de inserție-ștergere (indel) care se găsesc în mod specific în secvența de codificare a polipeptidelor. Aici numărul de nucleotide care sunt adăugate sau eliminate din secvența de codare nu sunt multipli de trei. Acestea pot apărea din mutații extrem de simple, cum ar fi adăugarea sau îndepărtarea unei singure nucleotide.

Mutațiile cadrului nu includ substituții în cazul în care o nucleotidă înlocuiește alta. În mutațiile de substituție, polipeptida se schimbă numai cu un singur aminoacid. De asemenea, mutațiile Frameshift nu includ indels în regiunile necodificatoare sau reglatoare ale genomului, deoarece aceste mutații nu au niciun efect direct asupra secvenței de aminoacizi, deși reglarea proteinelor se poate modifica.

Efectele mutațiilor Frameshift

Mutațiile cadrului se numără printre cele mai dăunătoare modificări ale secvenței de codificare a unei proteine. Acestea sunt extrem de susceptibile de a duce la modificări pe scară largă ale lungimii polipeptidelor și ale compoziției chimice, rezultând o proteină nefuncțională care deseori perturbă procesele biochimice ale unei celule. Mutațiile cadrului de schimbare pot duce la un sfârșit prematur al traducerii ARNm, precum și la formarea unei polipeptide extinse.

Secvențele de aminoacizi din aval de mutația cadrului de schimbare sunt, de asemenea, susceptibile să fie chimic distincte de secvența originală . De exemplu, dacă apare o mutație de schimbare a cadrelor într-o proteină transmembranară integrală, aceasta ar putea modifica foarte mult întinderea de reziduuri hidrofobe care se întind pe bistratul lipidic, făcând imposibilă proteina să fie prezentă în locația sa subcelulară. Când apar astfel de erori, celula percepe adesea lipsa de proteine funcționale și încearcă să compenseze prin reglarea în sus a expresiei genei mutante. Acest lucru poate copleși chiar și mecanismul de traducere al celulei, având ca rezultat un număr mare de proteine pliate greșit, care ar putea duce în cele din urmă la afectarea pe scară largă a tuturor funcțiilor, chiar și a morții celulare. includ boala Crohn, fibroza chistică și unele forme de cancer. Pe de altă parte, atunci când unele proteine devin disfuncționale, acestea ar putea avea un efect protector, așa cum se observă în rezistența la HIV la persoanele cu o genă a receptorului chemokinei (CCR5) care conține o mutație framehift.

Deoarece mutațiile cadrului de schimbare sunt de obicei modificări ale materialului genetic din fiecare celulă, este rar să se găsească un remediu. Majoritatea intervențiilor sunt paliative.

Codul genetic

Motivul principal al prezenței mutațiilor framehift este mecanismul organismului de a traduce informațiile genetice în secvențe de aminoacizi printr-un cod genetic bazat pe triplete. . Aceasta înseamnă că fiecare set de trei nucleotide de pe un ARNm reprezintă fie un aminoacid, fie o instrucțiune de a înceta traducerea.

Descoperirea Codului genetic

Experimentele inițiale ale lui Mendel privind transmiterea geneticii trăsături îndreptate către o entitate fizică și chimică discretă care transporta informații genetice. Pe baza analizei biochimice în vrac a celulelor, au fost detectate patru componente majore – carbohidrați, grăsimi, proteine și acizi nucleici. Oricare dintre aceste componente ar putea reprezenta material genetic.

Investigațiile inițiale asupra naturii chimice a genomului au emis ipoteza că proteinele, cu 20 de aminoacizi, ar fi cel mai probabil să poarte factori sau gene Mendel. Cu toate acestea, experimentele ulterioare au indicat că acizii nucleici au fost purtătorii informațiilor genetice. Aceasta a prezentat o dificultate interesantă. În timp ce acizii nucleici au fost analizați chimic ca fiind polimeri compuși din 4 nucleotide diferite, nu era clar cum informațiile pentru varietatea orbitoare de forme și funcții din corp ar putea apărea din doar 4 nucleotide.

Triplet Codon

Puțin mai târziu, dogma centrală a biologiei moleculare a indicat faptul că majoritatea organismelor foloseau ARN ca intermediar între ADN și proteine. Acest lucru a adus următoarea întrebare despre cum patru baze ar putea transporta informațiile pentru a codifica 20 de aminoacizi. Dacă fiecare nucleotidă codifică un singur aminoacid, atunci doar patru aminoacizi ar putea fi codați în mod fiabil și reproductibil. Dacă la fiecare două nucleotide ar codifica un aminoacid, acesta ar duce în continuare la doar 16 aminoacizi. Prin urmare, a fost necesar un minim de trei nucleotide pentru a codifica 20 de aminoacizi.

Există 64 permutări posibile de la triplete de nucleotide în care fiecare poziție din triplet poate fi una dintre cele 4 nucleotide. Aceste triplete de nucleotide au fost numite codoni. Acest lucru a dat naștere și ideii de redundanță – fiecare aminoacid ar putea fi reprezentat de mai mult de un triplet de codoni.Unele experimente au arătat, de asemenea, că codonii au fost „citiți” de mașinile de traducere ca bucăți discrete de 3 baze. Adică, ribozomii „văd” acești codoni ca o serie de cuvinte din trei litere. De exemplu, dacă o moleculă de ARN are secvența AAAGGCAAG, atunci poate codifica maximum 3 aminoacizi din cei 3 codoni AAG, GGC și AAG.

Translocare ribozom

Ribozomul se deplasează înainte cu trei baze după ce fiecare aminoacid a fost atașat la lanțul polipeptidic în creștere. Modul în care se mișcă ribozomul este un motiv important pentru care mutațiile framehift sunt dăunătoare și au efecte disproporționate asupra funcției proteinelor. De exemplu, dacă ribozomul s-a deplasat doar de o singură bază de fiecare dată, mARN anterior care conține 9 nucleotide poate fi citit ca AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA și AAG, dând naștere unei polipeptide cu 7 aminoacizi. Dacă translocația ribozomului ar muta o singură bază la un moment dat, inserarea unei singure nucleotide ar avea ca rezultat doar o mică modificare a secvenței de aminoacizi și, eventual, nicio modificare la lungimea polinucleotidelor.

Reading Frames

În exemplul anterior, lanțul polinucleotidic poate codifica maximum 3 aminoacizi. Cu toate acestea, în funcție de regiunile din amonte, cutiile întinse au ca rezultat doar 2 aminoacizi. Adică, dacă ribozomul se aliniază inițial cu AAG sau AGG în loc de AAA, polimerul nucleotidic este citit într-un mod diferit. În acest fel, în funcție de poziția site-ului de pornire a traducerii, orice secvență de codare poate fi citită în 3 moduri diferite. Deoarece majoritatea ADN-ului este format din fire duble complementare, acesta conduce la un total de 6 „cadre de citire” diferite, dintre care doar unul are ca rezultat secvența corectă de aminoacizi pentru proteina finală. este o mutație indel, există o schimbare în cadrul de citire în aval de mutație. Aceasta are ca rezultat o mutație framehift.

Exemple de mutație Frameshift

Imaginea de mai sus arată nucleotida și secvențe de aminoacizi într-o proteină de tip sălbatic, precum și rezultatul unei inserții de nucleotide, ducând la încorporarea aminoacizilor incorecți și la sfârșitul prematur al sintezei polipeptidice. În timp ce ARNm original are o secvență de AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, inserarea unui reziduu de uracil suplimentar în poziția a noua schimbă cadrul de citire. În loc să producă o polipeptidă de 7 aminoacizi începând cu metionină și continuând până la prolină, aceasta se termină după 4 aminoacizi, cu reziduuri de leucina și alanină încorporate greșit.

Imaginea de mai jos prezintă diferitele tipuri de mutații care ar putea afectează grav secvența de aminoacizi. Panoul A arată substituirea a 2 baze rezultând un codon oprit prematur, trunchierea proteinei. Panourile B și D demonstrează efectul fie al inserției unei singure nucleotide, fie al ștergerii a 4 nucleotide. În ambele cazuri, o mutație framehift modifică toate secvențele de aminoacizi din aval. Panoul C este un subset de indels unde 3 (sau multipli de 3) nucleotide sunt inserate sau șterse. Nu există nicio mutație de schimbare a cadrelor. În acest tip particular de mutații indel, numărul de nucleotide mutate este destul de scăzut, poate exista un efect foarte limitat și asupra funcției proteinelor

• Un situs al ribozomului – site-ul ribozomal care primește cel mai mult un ARNt de intrare încărcat cu un reziduu de aminoacizi. Legăturile peptidice se formează la locul A.
• Radiomarcarea – De asemenea, cunoscută sub numele de marcare radioizotopică, este o tehnică utilizată pentru a detecta mișcarea unei anumite molecule printr-un sistem chimic, biochimic sau celular, prin înlocuirea unora dintre atomii din reactanții cu izotopi radioactivi.
• Stop Codoni – Secvențe de nucleotide, în special în ARNm care semnalează sfârșitul traducerii. UAA, UAG și UGA sunt codonii de oprire canonici.
• Tip sălbatic – tulpină, genă sau caracteristică întâlnită în mod obișnuit, percepută a fi forma originală a fenotipului.

Test

1. Care dintre acestea ar avea ca rezultat o mutație framehift?
A. Inserarea a 3 nucleotide
B. Ștergerea a 18 nucleotide
C. Inserarea a 17 nucleotide
D. Toate cele de mai sus

2. Cum poate o mutație framehift cauzată de o singură nucleotidă să modifice drastic lungimea unei polipeptide?
A. O modificare a cadrului de citire modifică poziția site-ului de oprire a traducerii
B. Inserarea sau deleția unei nucleotide afectează lungimea aminoacizilor
C. Situsul ribozomului A nu poate depăși site-ul mutației
D. Toate cele de mai sus

3. De ce sunt mutațiile frame-shift relativ rare?
A. În proteinele critice, mutațiile frame-shift pot duce la sarcini neviabile
B. Acestea sunt reparate rapid în special de mecanismele de reparare a ADN ale celulei
C. Este dificil să introduceți sau să ștergeți o nucleotidă într-o secțiune de ADN
D. Toate cele de mai sus