Тихая мутация
Тихие мутации — это мутации в ДНК , которые не оказывают заметного влияния на фенотип организма. Это особый тип нейтральной мутации . Фраза « тихая мутация» часто используется взаимозаменяемо с фразой « синонимная мутация» ; однако синонимичные мутации не всегда молчат, и наоборот. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Синонимические мутации могут влиять на транскрипцию , сплайсинг , транспорт мРНК и трансляцию , любое из которых может изменить фенотип, делая синонимическую мутацию немолчащей. [ 3 ] Субстратная специфичность тРНК к редкому кодону может влиять на время трансляции и, в свою очередь, на котрансляционное сворачивание белка. [ 1 ] Это отражается в предвзятости в использовании кодонов , которая наблюдается у многих видов. Мутации, которые заставляют измененный кодон производить аминокислоту с аналогичной функциональностью ( например, мутация, производящая лейцин вместо изолейцина ), часто классифицируются как молчащие; если свойства аминокислоты сохраняются, эта мутация обычно не оказывает существенного влияния на функцию белка. [ 6 ]
Генетический код
[ редактировать ]Генетический код транслирует нуклеотидные последовательности мРНК в аминокислотные последовательности. Генетическая информация кодируется с помощью этого процесса с помощью групп из трех нуклеотидов вдоль мРНК, которые обычно известны как кодоны. [ 7 ] Набор из трех нуклеотидов почти всегда производит одну и ту же аминокислоту, за некоторыми исключениями, например, UGA, которая обычно служит стоп-кодоном , но также может кодировать триптофан в митохондриях млекопитающих . [ 7 ] Большинство аминокислот имеют несколько кодонов, что свидетельствует о кода генетического вырожденности : разные кодоны дают одну и ту же аминокислоту. [ 7 ] Кодоны, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называются синонимами. Тихие мутации — это замены оснований, которые не приводят к изменению аминокислоты или ее функциональности при измененной информационной РНК трансляции (мРНК). Например, если кодон ААА изменить на ААГ, та же самая аминокислота — лизин цепь будет включена в пептидную .
Мутации часто связаны с болезнями или негативными последствиями, но «тихие» мутации могут быть чрезвычайно полезными для создания генетического разнообразия среди видов в популяции. Мутации зародышевой линии передаются от родителя к потомству. [ 8 ] [ необходимы дополнительные ссылки ] Ученые предсказали, что в геномах людей имеется примерно от 5 до 10 смертельных мутаций, но это по сути безвредно, поскольку обычно существует только одна копия определенного плохого гена, поэтому заболевания маловероятны. [ 8 ] Тихие мутации также могут быть вызваны вставками или делециями , которые вызывают сдвиг рамки считывания . [ 9 ]
Поскольку «тихие» мутации не меняют функцию белка, к ним часто относятся как к эволюционно нейтральным . Известно, что многие организмы демонстрируют предвзятость в использовании кодонов , что позволяет предположить, что существует отбор для использования определенных кодонов из-за необходимости обеспечения трансляционной стабильности. Доступность транспортной РНК (тРНК) является одной из причин того, что «молчащие» мутации могут быть не такими «тихими», как принято считать. [ 10 ]
Для каждого кодона существует своя молекула тРНК. Например, существует специфическая молекула тРНК для кодона UCU и другая, специфичная для кодона UCC, обе из которых кодируют аминокислоту серин . В этом случае, если бы тРНК UCC было в тысячу раз меньше, чем тРНК UCU, то включение серина в полипептидную цепь происходило бы в тысячу раз медленнее, когда мутация приводит к изменению кодона с UCU на UCC. Если транспорт аминокислот к рибосоме задерживается, трансляция будет осуществляться гораздо медленнее. Это может привести к снижению экспрессии определенного гена, содержащего эту молчащую мутацию, если мутация происходит внутри экзона. Кроме того, если рибосоме придется ждать слишком долго, чтобы получить аминокислоту, рибосома может преждевременно прекратить трансляцию. [ 6 ]
Структурные последствия
[ редактировать ]Первичная структура
[ редактировать ]Несинонимичная мутация, возникающая на уровне генома или транскрипции, приводит к изменению аминокислотной последовательности в белковом продукте. белка Первичная структура относится к его аминокислотной последовательности. Замена одной аминокислоты на другую может нарушить функцию белка и третичную структуру, однако ее эффекты могут быть минимальными или переносимыми в зависимости от того, насколько тесно коррелируют свойства аминокислот, участвующих в замене. [ 11 ] Преждевременное включение стоп-кодона ( нонсенс -мутация ) может изменить первичную структуру белка. [ 12 ] В этом случае образуется укороченный белок. Функция и укладка белка зависят от положения, в котором был вставлен стоп-кодон, а также от количества и состава утраченной последовательности.
И наоборот, молчащие мутации — это мутации, при которых аминокислотная последовательность не изменяется. [ 12 ] Тихие мутации приводят к изменению одной из букв триплетного кода, представляющего кодон , но, несмотря на изменение одного основания, кодируемая аминокислота остается неизменной или схожей по биохимическим свойствам. Это допускается вырожденностью генетического кода .
Исторически считалось, что «тихие» мутации практически не имеют значения. Однако недавние исследования показывают, что такие изменения в триплетном коде действительно влияют на эффективность трансляции белка, а также на его сворачивание и функцию. [ 13 ] [ 14 ]
Более того, изменение первичной структуры имеет решающее значение, поскольку полностью свернутая третичная структура белка зависит от первичной структуры. Открытие было сделано в ходе серии экспериментов в 1960-х годах, в ходе которых было обнаружено, что восстановленная и денатурированная РНКаза в развернутой форме может повторно сворачиваться в нативную третичную форму. Третичная структура белка представляет собой полностью свернутую полипептидную цепь со всеми гидрофобными R-группами, свернутыми внутрь белка для максимизации энтропии за счет взаимодействий между вторичными структурами, такими как бета-листы и альфа-спирали. Поскольку структура белка определяет его функцию, очень важно, чтобы белок правильно сворачивался в третичную форму, чтобы белок функционировал должным образом. Однако важно отметить, что полипептидные цепи могут сильно различаться по первичной структуре, но быть очень похожими по третичной структуре и функциям белка. [ 15 ]
Вторичная структура
[ редактировать ]Тихие мутации изменяют вторичную мРНК структуру .
Вторичная структура белков состоит из взаимодействий между атомами основной цепи полипептидной цепи, исключая R-группы. Одним из распространенных типов вторичных структур является альфа-спираль, которая представляет собой правостороннюю спираль, возникающую в результате водородных связей между n-м аминокислотным остатком и n+4-м аминокислотным остатком. Другим распространенным типом вторичной структуры является бета-лист, который имеет правостороннюю закрутку, может быть параллельным или антипараллельным в зависимости от направления связанных полипептидов и состоит из водородных связей между карбонильными и аминогруппами. Основа двух полипептидных цепей. [ 16 ]
мРНК имеет вторичную структуру, которая не обязательно является линейной, как структура ДНК, поэтому форма, которая сопровождает комплементарные связи в структуре, может иметь значительные последствия. Например, если молекула мРНК относительно нестабильна, то она может быстро расщепляться ферментами цитоплазмы . Если молекула РНК очень стабильна, а комплементарные связи прочны и устойчивы к распаковке до трансляции, то ген может быть недостаточно экспрессирован. Использование кодонов влияет на стабильность мРНК. [ 10 ]
Кроме того, поскольку все организмы содержат немного разный генетический код, их структуры мРНК также немного различаются, однако были проведены многочисленные исследования, которые показывают, что все правильно свернутые структуры мРНК зависят от первичной последовательности полипептидной цепи и что структура поддерживается относительным содержанием динуклеотидов в клеточном матриксе. Также было обнаружено, что вторичная структура мРНК важна для клеточных процессов, таких как стабильность транскриптов и трансляция. Общая идея заключается в том, что функциональные домены мРНК складываются друг на друга, в то время как области старт- и стоп-кодонов обычно более расслаблены, что может способствовать передаче сигналов инициации и терминации трансляции. [ 17 ]
Если приближающаяся рибосома останавливается из-за узла в РНК, то у полипептида потенциально может быть достаточно времени, чтобы свернуться в ненативную структуру, прежде чем молекула тРНК сможет добавить еще одну аминокислоту . Тихие мутации могут также влиять на сплайсинг или контроль транскрипции .
Третичная структура
[ редактировать ]Тихие мутации влияют на сворачивание и функцию белка. [ 1 ] Обычно неправильно свернутый белок можно повторно свернуть с помощью молекулярных шаперонов. РНК обычно производит два часто неправильно свернутых белка, стремясь сворачиваться вместе и застревать в разных конформациях, и ей трудно выделить предпочтительную конкретную третичную структуру из-за других конкурирующих структур. РНК-связывающие белки могут помочь решить проблемы сворачивания РНК, однако, когда в цепи мРНК происходит молчащая мутация, эти шапероны не связываются должным образом с молекулой и не могут перенаправить мРНК в правильную складку. [ 18 ]
Недавние исследования показывают, что «тихие» мутации могут влиять на последующую структуру и активность белка. [ 19 ] [ 20 ] Время и скорость сворачивания белка могут быть изменены, что может привести к функциональным нарушениям. [ 21 ]
Исследования и клиническое применение
[ редактировать ]Тихие мутации использовались в качестве экспериментальной стратегии и могут иметь клиническое значение.
Штеффен Мюллер из Университета Стоуни-Брук разработал живую вакцину от полиомиелита , в которой синонимичные кодоны заменяют природные кодоны в геноме. В результате вирус все же смог заразиться и размножиться, хотя и медленнее. Мыши, вакцинированные этой вакциной, проявили устойчивость к природному штамму полиомиелита.
В экспериментах по молекулярному клонированию может быть полезно ввести молчащие мутации в интересующий ген, чтобы создать или удалить сайты узнавания для ферментов рестрикции .
Психические расстройства могут быть вызваны «тихими» мутациями. Одна «тихая» мутация приводит к тому, что ген дофаминового рецептора D2 становится менее стабильным и быстрее деградирует, приводя к недостаточной экспрессии гена.
Тихая мутация в гене множественной лекарственной устойчивости 1 ( MDR1 ), который кодирует насос клеточной мембраны, вытесняющий лекарства из клетки, может замедлять трансляцию в определенном месте, позволяя пептидной цепи изгибаться в необычную конформацию. Таким образом, мутантный насос менее функционален.
Отклонения от средней болевой чувствительности обусловлены как мутацией ATG в GTG ( несинонимичная ), так и мутацией CAT в CAC ( синонимная ). Эти две мутации являются общими для генов низкой и высокой болевой чувствительности. Низкая болевая чувствительность имеет дополнительную молчащую мутацию CTC на CTG, тогда как высокая болевая чувствительность не имеет и разделяет последовательность CTC в этом месте со средней болевой чувствительностью. [ 22 ]
| ЛПС | АПС | ГЭС |
|---|---|---|
| САС | КОТ | САС |
| КТГ | СТС | СТС |
| ГТГ | АТГ | ГТГ |
Ген множественной лекарственной устойчивости 1
[ редактировать ]Около 99,8% генов, подвергающихся мутациям, считаются молчащими, поскольку замена нуклеотидов не меняет транслируемую аминокислоту. [ 23 ] Хотя предполагается, что «тихие» мутации не влияют на фенотипический результат, некоторые мутации доказывают обратное, например, ген множественной лекарственной устойчивости 1. MDR1 кодирует P-гликопротеин, который помогает избавиться от лекарств в организме. Он расположен в кишечнике, печени, поджелудочной железе и мозге. MDR 1 расположен в тех же местах, где находится CYP3A4, который представляет собой фермент, помогающий избавиться от токсинов или лекарств из печени и кишечника. Тихие мутации, такие как MDR 1, действительно выражают изменение фенотипического ответа. Исследование, проведенное на мышах, показало, что когда у них недостаточно гена MDR 1, их организм не распознает препарат ивермектин или циклоспорин, что приводит к образованию токсинов в организме. [ 23 ]
MRD1 имеет более пятидесяти однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые представляют собой изменения в последовательности нуклеотидных оснований. [ 24 ] [ 23 ] В MDR1 экзон 26 гена, который представляет 3535C, может мутировать в 3535T, что затем меняет транспортную РНК на ту, которая встречается не часто, как это наблюдается, что приводит к изменениям результата во время трансляции. Это пример того, что некоторые «тихие» мутации не всегда «тихие». [ 25 ] Было изучено, что гены множественной лекарственной устойчивости в экзоне 26 C3435T, экзоне 21 G2677T/A и экзоне 12 C1236T содержат SNP, которые возникают одновременно, что приводит к изменению фенотипической «функции». Это предполагает гаплотипическую зависимость между экзоном 26 и другими экзонами, имеющими полиморфизмы. Например, эфавиренц и нелфинавир — это два типа препаратов, которые помогают снизить уровень ВИЧ-инфекции в организме человека. Когда SNP из экзона 26 соединяется с другими экзонами SNP, вероятность поддержания ВИЧ-инфекции у препаратов снижается. Хотя, когда нуклеотиды ТТ в экзоне 26 экспрессируются, у пациента наблюдается более низкая концентрация вируса, но когда генотип трансформируется в CC или CT, инфекция может распространяться как обычно, оставляя ген MDR 1 практически беззащитным. Эти изменения в основаниях экзона 26 MDR-1 показывают корреляцию между мутациями гена MDR-1 и способностью антиретровирусных препаратов подавлять ВИЧ-инфекцию. [ 23 ]
Экзон 26 также был изучен на предмет того, зависит ли он от гаплотипа или нет. Присутствие SNP экзона 26 меняет фенотипические функции, когда оно сочетается с наличием мутаций экзонов 12 и 21. Но когда оно действует отдельно, оно не так сильно влияет на фенотипический результат. Пример зависимости гаплотипа экзона 26 можно увидеть при рассмотрении химиотерапии. Поскольку MDR 1 удаляет лекарства из наших клеток, были использованы ингибиторы, чтобы блокировать способность MRD 1 выводить лекарства, что позволяет таким полезным лекарствам, как химиотерапия и иммунодепрессанты, более эффективно помогать организму в восстановлении. MDR1 содержит различные белки, которые помогают вывести эти специфические лекарства из раковых клеток. [ 26 ] Верапамил и циклоспорин А являются распространенными ингибиторами МЛУ-1. [ 23 ] К сожалению, когда C3435T мутирует с мутацией экзона 12 или экзона 21 (или если все три мутации происходят одновременно, создавая гаплотип), ингибиторы с меньшей вероятностью ослабят функцию MDR1. Множественные молчащие мутировавшие гены имеют тенденцию быть более устойчивыми к этим ингибиторам. [ 26 ]
На молекулярном уровне причина, по которой C3435T в экзоне 26 гена MDR 1 не молчит, заключается в скорости, с которой аминокислоты транслируются в белки. [ 25 ] Вторичные структуры мРНК могут сворачиваться, что означает, что разные кодоны соответствуют разным сворачиваниям мРНК. Например, когда экзон 26 заменяет ATC на ATT, оба кодона производят одну и ту же аминокислоту, но ATC наблюдается чаще, чем кодон мутации. Как следствие, изменяется время, необходимое рибосоме для подтверждения белка. Это приводит к тому, что структура белка отличается от обычной формы белка, что приводит к различным функциям белка. [ 27 ]
Другие причины «тихой мутации» MDR1 возникают в информационной РНК. В мРНК кодоны также действуют как усилители сплайсинга экзонов. Кодоны решают, когда вырезать интроны, в зависимости от кодона, который они считывают в мРНК. [ 24 ] Мутировавшие кодоны имеют более высокий риск ошибки при сплайсинге интронов из последовательности мРНК, что приводит к образованию неправильных экзонов. Следовательно, внесение изменений в зрелую информационную РНК. [ 27 ] Мутации в гене 1 множественной лекарственной устойчивости показывают, как «тихие» мутации могут влиять на исход фенотипа.
См. также
[ редактировать ]- Вырождение кодонов
- Нейтральная мутация
- Генеалогический ДНК-тест
- Миссенс-мутация
- Бессмысленная мутация
- Точечная мутация
- Синонимическая замена
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Кимчи-Сарфати С., О Дж.М., Ким И.В., Сауна З.Е., Кальканьо А.М., Амбудкар С.В., Готтесман М.М. (январь 2007 г.). «Тихий» полиморфизм в гене MDR1 меняет субстратную специфичность» . Наука . 315 (5811): 525–8. Бибкод : 2007Sci...315..525K . дои : 10.1126/science.1135308 . ПМИД 17185560 . S2CID 15146955 .
- ^ Чамари СП, Пармли Дж.Л., Херст Л.Д. (февраль 2006 г.). «Слушать тишину: ненейтральная эволюция на синонимичных участках у млекопитающих». Обзоры природы. Генетика . 7 (2): 98–108. дои : 10.1038/nrg1770 . ПМИД 16418745 . S2CID 25713689 .
- ^ Перейти обратно: а б Гоймер П. (февраль 2007 г.). «Синонимические мутации нарушают свое молчание» . Обзоры природы Генетика . 8 (2): 92. дои : 10.1038/nrg2056 . S2CID 29882152 .
- ^ Чжоу Т, Ко Е.А., Гу В, Лим И, Банг Х, Ко Дж.Х. (31 октября 2012 г.). «Небезмолвная история о синонимичных сайтах в генах потенциалзависимых ионных каналов» . ПЛОС ОДИН . 7 (10): е48541. Бибкод : 2012PLoSO...748541Z . дои : 10.1371/journal.pone.0048541 . ПМЦ 3485311 . ПМИД 23119053 .
- ^ Граур Д (2003). «Мутация одного основания» (PDF) . В Купер Д.Н. (ред.). Природная энциклопедия генома человека . Макмиллан. ISBN 978-0333803868 .
- ^ Перейти обратно: а б Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2007). Молекулярная биология клетки . Гирляндная наука. п. 264. ИСБН 978-1-136-84442-3 .
- ^ Перейти обратно: а б с Брукер Р. (01 февраля 2017 г.). Генетика: анализ и принципы . Высшее образование МакГроу-Хилл. ISBN 9781259616020 .
- ^ Перейти обратно: а б «Мутации и болезни» . Технический интерактив . Архивировано из оригинала 18 января 2022 г.
- ^ Уотсон Джей Ди (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Сан-Франциско: Пирсон/Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0805395921 .
- ^ Перейти обратно: а б Ангов Э (июнь 2011 г.). «Использование кодонов: природный план экспрессии и сворачивания белков» . Биотехнологический журнал . 6 (6): 650–9. дои : 10.1002/biot.201000332 . ПМК 3166658 . ПМИД 21567958 .
- ^ Тенг С., Мадей Т., Панченко А., Алексов Е. (март 2009 г.). «Моделирование влияния полиморфизмов отдельных нуклеотидов человека на белок-белковые взаимодействия» . Биофизический журнал . 96 (6): 2178–88. Бибкод : 2009BpJ....96.2178T . дои : 10.1016/j.bpj.2008.12.3904 . ПМК 2717281 . ПМИД 19289044 .
- ^ Перейти обратно: а б Страчан Т., Рид AP (1999). Молекулярная генетика человека (2-е изд.). Вили-Лисс. ISBN 978-1-85996-202-2 . ПМИД 21089233 . НБК7580.
- ^ Чех А, Федюнин И, Чжан Г, Игнатова З (октябрь 2010 г.). «Тихие мутации в поле зрения: ковариации в количестве тРНК как ключ к разгадке последствий молчащих мутаций». Молекулярные биосистемы . 6 (10): 1767–72. дои : 10.1039/c004796c . ПМИД 20617253 .
- ^ Комар А.А. (август 2007 г.). «Тихие SNP: влияние на функцию гена и фенотип». Фармакогеномика . 8 (8): 1075–80. дои : 10.2217/14622416.8.8.1075 . ПМИД 17716239 .
- ^ «Конспекты лекций по биохимии Массачусетского технологического института: сворачивание белков и болезни человека» (PDF) .
- ^ «Порядки строения белков» . Ханская академия . Проверено 8 ноября 2018 г.
- ^ Шабалина С.А., Огурцов А.Ю., Спиридонов Н.А. (2006). «Периодический образец вторичной структуры мРНК, созданный генетическим кодом» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (8): 2428–37. дои : 10.1093/nar/gkl287 . ПМЦ 1458515 . ПМИД 16682450 .
- ^ Хершлаг Д. (сентябрь 1995 г.). «РНК-шапероны и проблема сворачивания РНК» . Журнал биологической химии . 270 (36): 20871–4. CiteSeerX 10.1.1.328.5762 . дои : 10.1074/jbc.270.36.20871 . ПМИД 7545662 . S2CID 14083129 .
- ^ Комар А.А. (январь 2007 г.). «Генетика. SNP, тихие, но не невидимые» . Наука . 315 (5811): 466–7. дои : 10.1126/science.1138239 . ПМИД 17185559 . S2CID 41904137 .
- ^ Бекман (22 декабря 2006 г.). «Звук тихой мутации» . Новости . Наука/AAAS.
- ^ Чжан З, Митева М.А., Ван Л., Алексов Э. (2012). «Анализ эффектов естественных миссенс-мутаций» . Вычислительные и математические методы в медицине . 2012 : 1–15. дои : 10.1155/2012/805827 . ПМК 3346971 . ПМИД 22577471 .
- ^ Монтера М., Пьяджио Ф., Маркезе С., Жисмонди В., Стелла А., Реста Н., Вареско Л., Гуанти Г., Марени С. (декабрь 2001 г.). «Тихая мутация в экзоне 14 гена APC связана с пропуском экзона в семействе FAP» . Журнал медицинской генетики . 38 (12): 863–7. дои : 10.1136/jmg.38.12.863 . ПМЦ 1734788 . ПМИД 11768390 . Полный текст
- ^ Перейти обратно: а б с д и Вебер, Венделл (2 апреля 2008 г.). Фармакогенетика . Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 9780195341515 .
- ^ Перейти обратно: а б Дудек, Рональд В. (2007). Высокопроизводительная клеточная и молекулярная биология . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 9780781768870 .
- ^ Перейти обратно: а б Страчан, Том; Прочтите, Эндрю (29 марта 2018 г.). Молекулярная генетика человека . Гирляндная наука. ISBN 9781136844072 .
- ^ Перейти обратно: а б «Звук тихой мутации» . Наука | АААС . 22 декабря 2006 г. Проверено 18 ноября 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кэмпбелл, Мэри К.; Фаррелл, Шон О. (1 января 2011 г.). Биохимия . Cengage Обучение. ISBN 978-0840068583 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Мюллер С., Коулман-младший, Виммер Э. (март 2009 г.). «Внедрение синтеза в биологию: вирусный взгляд на генную инженерию посредством синтеза генов и геномов de novo» . Химия и биология . 16 (3): 337–47. doi : 10.1016/j.chembiol.2009.03.002 . ПМЦ 2728443 . ПМИД 19318214 .
С помощью крупномасштабной компьютерной перестройки вирусного генома мы создали сотни «тихих» мутаций в полиовирусе. редизайна генома SAVE для синтетической . вирусной ослабленной процесс нарушения внутренних искажений вирусного генома путем синтетического инженерии ... Мы назвали этот
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Обзорная статья — Чамари Дж., Херст Л.Д. (июнь 2009 г.). «Как банальные изменения ДНК могут навредить здоровью» . Научный американец . 300 (6): 46–53. doi : 10.1038/scientificamerican0609-46 . ПМИД 19485088 .
- «WatCut: онлайн-инструмент для рестрикционного анализа, сканирования скрытых мутаций и анализа SNP-RFLP» . Университет Ватерлоо. 17 апреля 2014 г. Архивировано из оригинала 4 мая 2020 г. . Проверено 22 ноября 2014 г.