Тихие мутации — это мутации в ДНК , которые не оказывают заметного влияния на фенотип организма. Это особый тип нейтральной мутации . Фраза «тихая мутация» часто используется как синоним фразы «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 использования 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 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 вырожденности генетического кода : 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 трансляции измененной информационной РНК (мРНК). Например, если кодон ААА изменить на ААГ, в пептидную цепь будет включена та же самая аминокислота – лизин .
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 существу 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]
Несинонимичная мутация, возникающая на уровне генома или транскрипции, приводит к изменению аминокислотной последовательности в белковом продукте. Первичная структура белка 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 усеченный 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 в триплетном коде, который представляет собой 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]
Тихие мутации изменяют вторичную структуру мРНК .
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, образующуюся 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 состоит 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 .
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 способствовать проблемам 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]
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 вируса 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 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]
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, эфавиренз 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 изучался 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 MRD 1 удаляет лекарства из наших клеток, для блокирования способности MRD 1 выводить лекарства использовались ингибиторы, что позволяет таким полезным лекарствам, как химиотерапия и иммунодепрессанты, более эффективно помогать организму в восстановлении. MDR1 содержит различные белки, которые помогают выводить эти специфические лекарства из раковых клеток. [26] Верапамил и циклоспорин А являются распространенными ингибиторами MDR 1. [23] К сожалению, когда C3435T мутирует с мутацией либо из экзона 12, либо из 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 совершить ошибку при сплайсинге интронов из последовательности мРНК, что приводит к образованию неправильных экзонов. Следовательно, внесение изменений в зрелую информационную РНК. [27] Мутации в гене множественной лекарственной устойчивости 1 показывают, как молчащие мутации могут влиять на исход фенотипа.
С помощью крупномасштабной компьютерной перестройки вирусного генома мы создали сотни «тихих» мутаций в полиовирусе. ... Мы назвали этот процесс нарушения внутренних искажений вирусного генома путем синтетического редизайна генома SAVE для синтетической ослабленной вирусной инженерии .
