Frameshift-mutationsdefinition

Frameshift-mutationer är insättningar eller raderingar i genomet som inte finns i multiplar av tre nukleotider. De är en delmängd av insertions-deletionsmutationer (indel) som finns specifikt i den kodande sekvensen av polypeptider. Här är antalet nukleotider som adderas eller tas bort från den kodande sekvensen inte multiplar av tre. De kan uppstå från extremt enkla mutationer såsom tillsats eller avlägsnande av en enda nukleotid.

Frameshift-mutationer inkluderar inte substitutioner där en nukleotid ersätter en annan. Vid substitutionsmutationer förändras polypeptiden endast med en enda aminosyra. Frameshift-mutationer inkluderar inte heller indeler i genomets icke-kodande eller regulatoriska regioner eftersom dessa mutationer inte har någon direkt effekt på aminosyrasekvensen, även om proteinreglering kan förändras.

Effekter av Frameshift-mutationer

Frameshift-mutationer är bland de mest skadliga förändringarna i ett proteins kodningssekvens. Det är mycket troligt att de leder till storskaliga förändringar av polypeptidlängd och kemisk sammansättning, vilket resulterar i ett icke-funktionellt protein som ofta stör de biokemiska processerna i en cell. Frameshift-mutationer kan leda till ett för tidigt slut på translation av mRNA såväl som bildandet av en utsträckt polypeptid.

Aminosyrasekvenserna nedströms om frameshift-mutationen skiljer sig också troligen kemiskt från den ursprungliga sekvensen . Till exempel, om en ramskiftmutation uppträder i ett integrerat transmembranprotein, kan det kraftigt förändra sträckan av hydrofoba rester som spänner över lipid-dubbelskiktet vilket gör det omöjligt för proteinet att vara närvarande i dess subcellulära läge. När sådana fel inträffar uppfattar cellen ofta bristen på funktionellt protein och försöker kompensera genom att uppreglera expressionen av den muterade genen. Detta kan till och med överväldiga cellens översättningsmaskineri, resultera i ett stort antal felveckade proteiner som så småningom kan leda till storskalig försämring av alla funktioner av jämn celldöd.

Sjukdomar orsakade av ramskiftmutationer i gener inkluderar Crohns sjukdom, cystisk fibros och vissa former av cancer. Å andra sidan, när vissa proteiner blir dysfunktionella, kan de ha en skyddande effekt, vilket ses i resistensen mot HIV hos personer med en kemokinreceptorgen (CCR5) som innehåller en ramskiftmutation.

Eftersom frameshift-mutationer vanligtvis är förändringar i det genetiska materialet i varje cell är det sällsynt att hitta botemedel. De flesta ingripanden är palliativa.

Den genetiska koden

Kärnan till förekomsten av ramskiftmutationer är kroppens mekanism för att översätta genetisk information till aminosyrasekvenser genom en triplettbaserad genetisk kod . Detta innebär att varje uppsättning av tre nukleotider på ett mRNA representerar antingen en aminosyra eller en instruktion om att upphöra med översättning.

Upptäckt av den genetiska koden

Mendels initiala experiment om överföring av genetisk egenskaper pekade på en diskret fysisk och kemisk enhet som bar genetisk information. Baserat på den biokemiska analysen av celler, upptäcktes fyra huvudkomponenter – kolhydrater, fetter, proteiner och nukleinsyror. Vilken som helst av dessa komponenter kan representera genetiskt material.

Initiala undersökningar av genomets kemiska natur antog att hypoteser att proteiner, med 20 aminosyror, troligen skulle bära Mendels faktorer eller gener. Senare experiment visade dock att nukleinsyror var bärare av genetisk information. Detta gav en intressant svårighet. Medan nukleinsyror hade analyserats kemiskt som polymerer gjorda av fyra olika nukleotider, var det inte klart hur informationen för den bländande variationen av former och funktioner i kroppen kunde uppstå från bara fyra nukleotider.

Triplett Codon

Lite senare indikerade molekylärbiologins centrala dogm att de flesta organismer använde RNA som mellanprodukt mellan DNA och proteiner. Detta väckte nästa fråga om hur fyra baser kunde bära informationen för att koda 20 aminosyror. Om varje nukleotid kodade för en enda aminosyra, kunde endast fyra aminosyror kodas på ett tillförlitligt och reproducerbart sätt. Om varannan nukleotid kodade för en aminosyra skulle det fortfarande leda till endast 16 aminosyror. Därför behövdes minst tre nukleotider för att koda för 20 aminosyror.

Det finns 64 permutationer möjliga från nukleotidtripletter där varje position i tripletten kan vara en av fyra nukleotider. Dessa nukleotidtripletter kallades kodoner. Detta gav också upphov till tanken på redundans – varje aminosyra kunde representeras av mer än en kodontriplett.Vissa experiment avslöjade också att kodoner ”lästes” av översättningsmaskineriet som diskreta bitar av tre baser. Det vill säga ribosomer ’ser’ dessa kodoner som en serie med tre bokstäver. Till exempel, om en RNA-molekyl har sekvensen AAAGGCAAG, kan den koda för maximalt 3 aminosyror från de tre kodonerna AAG, GGC och AAG.

Ribosomtranslokering

Ribosomen rör sig framåt med tre baser efter att varje aminosyra har fästs i den växande polypeptidkedjan. Sättet som ribosomen rör sig på är en viktig anledning till att frameshift-mutationer är skadliga och har oproportionerliga effekter på proteinfunktionen. Till exempel, om ribosomen bara rör sig av en enda bas varje gång, kan det tidigare mRNA som innehåller 9 nukleotider läsas som AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA och AAG, vilket ger upphov till en polypeptid med 7 aminosyror. Om ribosomtranslokering bara flyttade en bas i taget, skulle införandet av en enda nukleotid bara resultera i en liten förändring av aminosyrasekvensen och eventuellt ingen förändring alls till polynukleotidlängden.

Läseramar

I föregående exempel kan polynukleotidkedjan koda för maximalt 3 aminosyror. Beroende på uppströmsregionerna resulterar emellertid stretchburkarna bara i endast 2 aminosyror. Det vill säga, om ribosomen inriktas med AAG eller AGG istället för AAA, läses nukleotidpolymeren på ett annat sätt. Beroende på positionen för översättningsstartwebbplatsen kan detta kodningssekvens läsas på tre olika sätt. Eftersom de flesta DNA är gjorda av kompletterande dubbla strängar leder det till totalt 6 olika ”läsramar”, varav endast en resulterar i den korrekta aminosyrasekvensen för det slutliga proteinet.

Men när det finns är en indelmutation, det finns en förändring i läsramen nedströms om mutationen. Detta resulterar i en ramskiftmutation.

Exempel på ramskiftmutation

Bilden ovan visar nukleotiden och aminosyrasekvenser i ett vildtypsprotein såväl som resultatet av en nukleotidinsättning, vilket leder till inkorporering av felaktiga aminosyror och det för tidiga slutet på polypeptidsyntes. Medan det ursprungliga mRNA: t har en sekvens av AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, ändras insättningen av en extra uracilrest i nionde positionen läsramen. Istället för att producera en polypeptid med 7 aminosyror som börjar med metionin och fortsätter upp till prolin, slutar den efter fyra aminosyror, med felaktigt inkorporerade leucin- och alaninrester.

Bilden nedan visar de olika typerna av mutationer som kan påverkar allvarligt aminosyrasekvensen. Panel A visar substitutionen av två baser, vilket resulterar i ett för tidigt stoppkodon, som trunkerar proteinet. Panelerna B och D visar effekten av antingen införandet av en enda nukleotid eller borttagning av fyra nukleotider. I båda fallen förändrar en frameshift-mutation alla nedströms aminosyrasekvenser. Panel C är en delmängd av indeler där 3 (eller multiplar av 3) nukleotider infogas eller tas bort. Det finns ingen mutation med ramskift. I denna speciella typ av indelmutationer är antalet nukleotider muterade ganska lågt, det kan också vara mycket begränsad effekt på proteinfunktionen.

• A-plats för Ribosome – Det ribosomala stället som mestadels får ett inkommande tRNA laddat med en aminosyrarest. Peptidbindningar bildas vid A-platsen.
• Radiomärkning – Även känd som radioisotopmärkning, är en teknik som används för att detektera rörelsen av en viss molekyl genom ett kemiskt, biokemiskt eller cellulärt system, genom att ersätta en del av atomerna i reaktanter med radioaktiva isotoper.
• Stoppa kodoner – Nukleotidsekvenser, särskilt i mRNA som signalerar slutet på translationen. UAA, UAG och UGA är de kanoniska stoppkodonerna.
• Vildtyp – Vanligt förekommande stam, gen eller karakteristik, uppfattas ha varit den ursprungliga formen för fenotypen.

Frågesport

1. Vilka av dessa skulle resultera i en ramskiftmutation?
A. Införande av 3 nukleotider
B. Radering av 18 nukleotider
C. Införande av 17 nukleotider
D. Allt ovanstående

2. Hur kan en frameshift-mutation orsakad av en enda nukleotid drastiskt ändra längden på en polypeptid?
A. En ändring av läsramen ändrar positionen för översättningsstoppsidan
B. Införandet eller strykningen av en nukleotid påverkar aminosyrans längd
C. Ribosom A-platsen kan inte fortsätta bortom mutationsstället
D. Allt ovanstående

3. Varför är frameshift-mutationer relativt sällsynta?
A. I kritiska proteiner kan ramskiftmutationer resultera i icke-livskraftiga graviditeter
B. De repareras särskilt snabbt av DNA-reparationsmekanismerna i cellen
C. Det är svårt att infoga eller ta bort en nukleotid i en DNA-sträcka
D. Allt ovanstående