В генетике бессмысленная мутация — это точечная мутация в последовательности ДНК , которая приводит к бессмысленному кодону или преждевременному стоп-кодону в транскрибированной мРНК и приводит к укороченному, неполному и, возможно, нефункциональному белковому продукту . [1] Бессмысленные мутации не всегда вредны; [2] функциональный эффект бессмысленной мутации зависит от многих аспектов, таких как расположение стоп-кодона в кодирующей ДНК . [2] Например, эффект бессмысленной мутации зависит от близости бессмысленной мутации к исходному стоп-кодону и степени, в которой затронуты функциональные субдомены белка. [3] Поскольку бессмысленные мутации приводят к преждевременному завершению полипептидных цепей , их также называют мутациями завершения цепи. [4]
Миссенс-мутации отличаются от бессмысленных мутаций, поскольку они являются точечными мутациями , которые демонстрируют изменение одного нуклеотида , вызывающее замену другой аминокислоты . Бессмысленная мутация также отличается от неостановимой мутации , которая является точечной мутацией, удаляющей стоп-кодон. Около 10% пациентов, сталкивающихся с генетическими заболеваниями, имеют отношение к бессмысленным мутациям. [5] Некоторые из заболеваний, которые могут вызывать эти мутации, включают мышечную дистрофию Дюшенна (МДД), муковисцидоз (МФ), [6] спинальную мышечную атрофию (СМА), рак , метаболические заболевания и неврологические расстройства. [5] [7] Скорость бессмысленных мутаций варьируется от гена к гену и от ткани к ткани, но подавление гена происходит у каждого пациента с бессмысленной мутацией. [5]
ДНК : 5′—ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA—3′ 3′—TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT—5′
мРНК : 5′—AUG ACU CAC CGA GCG CGA AGC UGA—3′
Белок: N— Met Thr His Arg Ala Arg Ser Stop —C
Пример выше начинается с 5'- последовательности ДНК с 24 нуклеотидами (8 триплетных кодонов), показанной ниже, и ее комплементарной цепи. Следующая строка выделяет 5'- цепь мРНК , которая генерируется посредством транскрипции . Наконец, последняя строка показывает, какие аминокислоты транслируются с каждого соответствующего кодона , причем восьмой и последний кодон представляет собой стоп-кодон . Кодоны, соответствующие четвертой аминокислоте, аргинину (Arg), выделены, поскольку они подвергнутся бессмысленной мутации на следующем рисунке этого примера.
ДНК : 5'-ATG ACT CAC T GA GCG CGA AGC TGA-3' 3′—TAC TGA GTG A CT CGC GCT TCG ACT—5′
мРНК : 5′—AUG ACU CAC U GA GCG CGU AGC UGA—3′
Белок: N— Met Thr His Stop —C
Теперь предположим, что бессмысленная мутация была введена в четвертый кодон в 5′ последовательности ДНК (CGA), в результате чего цитозин был заменен на тимин , что дало TGA в 5′ последовательности ДНК и ACT в комплементарной цепи. Поскольку ACT транскрибируется как UGA, он транслируется как стоп-кодон. Это приводит к тому, что оставшиеся кодоны мРНК не транслируются в белок, поскольку стоп-кодон преждевременно достигается во время трансляции. Это может привести к укорочению ( т. е . сокращению) белкового продукта, который довольно часто лишен функциональности нормального, немутантного белка. [1]
Вредные результаты представляют собой большинство бессмысленных мутаций и являются наиболее распространенным результатом, который наблюдается естественным путем. Вредные бессмысленные мутации снижают общую приспособленность и репродуктивный успех организма . [8] Например, бессмысленная мутация, происходящая в гене, кодирующем белок, может вызвать структурные или функциональные дефекты в белке, которые нарушают клеточную биологию. В зависимости от значимости функций этого белка, это нарушение теперь может быть пагубным для приспособленности и выживания этого организма. [8]
Когда бессмысленная мутация нейтральна, она не приносит пользы или вреда. Это происходит, когда эффекты мутации незаметны. Другими словами, это означает, что мутация не оказывает положительного или отрицательного влияния на организм. Поскольку этот эффект незаметен, существует недостаток статей, описывающих такие мутации. Примером такого типа бессмысленной мутации является та, которая происходит непосредственно перед исходным стоп-кодоном для данного белка. [8] Поскольку эта мутация произошла в такой непосредственной близости от конца белковой цепи, влияние этого изменения может быть не таким значительным. Это предполагает, что эта аминокислота, которая была мутирована, не оказала большого влияния на общую структуру или функцию белка или организма в целом. Такой сценарий редок, но возможен. [8]
Полезные бессмысленные мутации считаются самыми редкими из возможных результатов бессмысленных мутаций. Полезные бессмысленные мутации повышают общую приспособленность и репродуктивный успех организма, в отличие от эффектов вредной мутации. [2] [8] Поскольку бессмысленная мутация вводит преждевременный стоп-кодон в последовательность ДНК, крайне маловероятно, что этот сценарий может действительно принести пользу организму. [1] Примером этого может служить бессмысленная мутация, которая влияет на дисфункциональный белок, выделяющий токсины . Стоп-кодон, который приносит эта мутация, не позволит этому дисфункциональному белку должным образом выполнять свою функцию. Остановка этого белка от выполнения в полную силу приводит к высвобождению меньшего количества токсина и улучшению приспособленности организма. Такие типы ситуаций с бессмысленными мутациями случаются гораздо реже, чем вредные результаты. [8]
Распад мРНК, вызванный бессмысленными кодами
Несмотря на ожидаемую тенденцию преждевременных терминирующих кодонов давать укороченные полипептидные продукты, на самом деле образование укороченных белков не часто происходит in vivo . Многие организмы, включая людей и низшие виды, такие как дрожжи, используют путь распада мРНК, опосредованный бессмысленными мутациями , который разрушает мРНК, содержащие бессмысленные мутации, прежде чем они смогут быть транслированы в нефункциональные полипептиды.
Подавление тРНК
Поскольку бессмысленные мутации приводят к изменению мРНК с преждевременным стоп-кодоном, один из способов подавления ущерба, нанесенного конечной функции белка, — это изменение тРНК, которая считывает мРНК. Эти тРНК называются супрессорными тРНК . Если стоп-кодон — UAG, любая другая аминокислота тРНК может быть изменена с ее исходного антикодона на AUC, так что вместо этого она будет распознавать кодон UAG. Это приведет к тому, что белок не будет усечен, но он все еще может иметь измененную аминокислоту. Эти супрессорные мутации тРНК возможны только в том случае, если в клетке есть более одной тРНК, которая считывает определенный кодон, в противном случае мутация убьет клетку. Единственными стоп-кодонами являются UAG, UAA и UGA. Супрессоры UAG и UAA считывают свои соответствующие стоп-кодоны вместо своего исходного кодона, но супрессоры UAA также считывают UAG из-за спаривания оснований с колебаниями . Супрессоры UGA встречаются очень редко. Еще одним препятствием для преодоления этой техники является тот факт, что стоп-кодоны также распознаются факторами высвобождения , поэтому тРНК все еще должна конкурировать с факторами высвобождения, чтобы поддерживать трансляцию. Из-за этого подавление обычно бывает успешным только на 10-40%. Эти мутации супрессорных тРНК также нацелены на стоп-кодоны, которые не являются мутациями, в результате чего некоторые белки становятся намного длиннее, чем должны быть. Только бактерии и низшие эукариоты могут выживать с этими мутациями, клетки млекопитающих и насекомых погибают в результате супрессорной мутации. [4]
По историческим причинам трем стоп-кодонам были даны названия (см. Стоп-кодоны ): UAG называется янтарным кодоном, UAA называется охровым кодоном, а UGA называется опаловым кодоном. [10]
Бессмысленные мутации составляют около 20% замен отдельных нуклеотидов в последовательностях кодирования белков, которые приводят к человеческим заболеваниям. [12] Патология , опосредованная бессмысленными мутациями , часто объясняется уменьшением количества полноразмерного белка, поскольку только 5-25% транскриптов, обладающих бессмысленными мутациями, не подвергаются бессмысленному распаду (NMD). [13] [12] Трансляция оставшейся бессмысленной мРНК может генерировать сокращенные варианты белка с токсическими эффектами. [14]
Двадцать три различных одноточечных замены нуклеотидов способны преобразовать не-стоп-кодон в стоп-кодон, при этом мутации CGA TGA и CAG TAG являются наиболее распространенными заменами, связанными с заболеваниями, описанными в Базе данных мутаций генов человека (HGMD). [12] В результате различных частот замен для каждого нуклеотида пропорции трех стоп-кодонов, генерируемых бессмысленными мутациями, вызывающими заболевания, отличаются от распределений стоп-кодонов в не-болезненных вариантах генов. [12] Примечательно, что кодон TAG представлен чрезмерно, в то время как кодоны TGA и TAA представлены недостаточно в бессмысленных мутациях, связанных с заболеваниями. [12]
Эффективность терминации трансляции зависит от конкретной последовательности стоп-кодона на мРНК, при этом последовательность UAA обеспечивает самую высокую терминацию. [15] Последовательности, окружающие стоп-кодон, также влияют на эффективность терминации. [15] Следовательно, основная патология заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями, в конечном итоге зависит от идентичности мутировавшего гена и конкретного местоположения мутации.
Примеры заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями, включают:
Нонсенс-мутации в других генах также могут приводить к дисфункции нескольких систем тканей и органов:
СМАД8
SMAD8 является восьмым гомологом семейства генов ENDOGLIN и участвует в передаче сигналов между TGF-b/BMP . Было выявлено, что новые бессмысленные мутации в SMAD8 связаны с легочной артериальной гипертензией. [16] Легочная система полагается на SMAD1, SMAD5 и SMAD 8 для регуляции функции легочных сосудов. Снижение регуляции и потеря сигналов, которые обычно управляются SMAD8, способствовали патогенезу легочной артериальной гипертензии. [16] Было обнаружено, что ген ALK1 , часть сигнального семейства TGF-B, мутировал, а также подавлял ген SMAD8 у пациентов с легочной артериальной гипертензией. [16] Мутанты SMAD8 не фосфорилировались ALK1, нарушая взаимодействия со SMAD4, которые обычно обеспечивают передачу сигналов в организмах дикого типа . [16]
LGR4 связывает R-спондины для активации сигнального пути Wnt . [17] Сигнальный путь Wnt регулирует костную массу и дифференциацию остеобластов и важен для развития костей, сердца и мышц. [17] Нонсенс-мутация LGR4 в здоровой популяции была связана с низкой плотностью костной массы и симптомами остеопороза . Мутантные мыши LGR4 показали, что наблюдаемая низкая костная масса не связана с возрастной потерей костной массы. [17] Мутации в LGR4 были связаны с семейными линиями с медицинскими историями редких заболеваний костей. [17] Мыши дикого типа, у которых отсутствовал LGR4, также демонстрировали задержку дифференциации остеобластов во время развития, что демонстрирует важную роль LGR4 в регуляции и развитии костной массы. [17]
Терапия заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями, пытается повторить функцию дикого типа, снижая эффективность NMD, облегчая считывание преждевременного стоп-кодона во время трансляции или редактируя геномную бессмысленную мутацию. [18]
Антисмысловые олигонуклеотиды для подавления экспрессии NMD и белков терминации трансляции изучаются на животных моделях заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями. [18] [19] Другие исследуемые РНК-терапевтические средства включают синтетические супрессорные тРНК, которые позволяют рибосомам вставлять аминокислоту вместо инициирования терминации цепи при столкновении с преждевременными стоп-кодонами. [18]
Замены отдельных нуклеотидов на основе CRISPR-Cas9 использовались для генерации аминокислотных кодонов из стоп-кодонов, достигая показателя успешности редактирования 10% в клеточных культурах. [20]
Прочтение было достигнуто с помощью низкомолекулярных препаратов, таких как аминогликозиды и негамицин. [18] Оксадиазол , аталурен ( ранее PTC124 ) , облегчает выборочное считывание аберрантных стоп-кодонов, что делает его потенциальным терапевтическим средством против заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями. [21] Аталурен, продаваемый под торговым наименованием Translarna, в настоящее время является одобренным средством для лечения мышечной дистрофии Дюшенна в Европейской экономической зоне и Бразилии . [22] [23] Однако испытания фазы III аталурена в качестве терапевтического средства для лечения муковисцидоза не достигли своих основных конечных точек. [24] [25]
