Точечная мутация — это генетическая мутация , при которой изменяется, вставляется или удаляется одно нуклеотидное основание из последовательности ДНК или РНК генома организма. [1] Точечные мутации оказывают различные эффекты на нижестоящий белковый продукт — последствия, которые умеренно предсказуемы на основе специфики мутации. Эти последствия могут варьироваться от отсутствия эффекта (например, синонимичные мутации ) до пагубных эффектов (например, мутации со сдвигом рамки считывания ) в отношении производства белка, его состава и функции.
Точечные мутации обычно происходят во время репликации ДНК . Репликация ДНК происходит, когда одна двухцепочечная молекула ДНК создает две одинарные цепи ДНК, каждая из которых является шаблоном для создания комплементарной цепи. Одна точечная мутация может изменить всю последовательность ДНК. Изменение одного пурина или пиримидина может изменить аминокислоту, которую кодируют нуклеотиды .
Точечные мутации могут возникать из-за спонтанных мутаций , которые происходят во время репликации ДНК . Скорость мутаций может быть увеличена мутагенами . Мутагены могут быть физическими, такими как излучение ультрафиолетовых лучей , рентгеновских лучей или экстремального тепла, или химическими (молекулы, которые неправильно размещают пары оснований или нарушают спиральную форму ДНК). Мутагены, связанные с раком, часто изучаются, чтобы узнать больше о раке и его профилактике.
Точечные мутации могут возникать несколькими способами. Во-первых, ультрафиолетовый (УФ) свет и свет более высокой частоты обладают ионизирующей способностью, что в свою очередь может повлиять на ДНК. Реактивные молекулы кислорода со свободными радикалами, которые являются побочным продуктом клеточного метаболизма, также могут быть очень вредны для ДНК. Эти реагенты могут приводить как к одноцепочечным, так и к двухцепочечным разрывам ДНК. В-третьих, связи в ДНК со временем разрушаются, что создает еще одну проблему для поддержания целостности ДНК на высоком уровне. Также могут быть ошибки репликации, которые приводят к мутациям замены, вставки или удаления.
В 1959 году Эрнст Фриз ввел термины «транзиции» или «трансверсии» для классификации различных типов точечных мутаций. [2] [3] Транзиции — это замена пуринового основания другим пурином или замена пиримидина другим пиримидином. Трансверсии — это замена пурина пиримидином или наоборот. Существует систематическая разница в частоте мутаций для транзиций (альфа) и трансверсий (бета). Транзиционные мутации встречаются примерно в десять раз чаще, чем трансверсии.
Бессмысленные мутации включают стоп-прирост и старт-потерю. Стоп-прирост — это мутация, которая приводит к преждевременному терминирующему кодону ( стоп был получен ), который сигнализирует об окончании трансляции. Это прерывание приводит к аномальному укорочению белка. Количество потерянных аминокислот опосредует влияние на функциональность белка и на то, будет ли он вообще функционировать. [4] Стоп-потеря — это мутация в исходном терминирующем кодоне ( стоп был потерян ), приводящая к аномальному расширению карбоксильного конца белка. Старт-прирост создает стартовый кодон AUG выше исходного стартового сайта. Если новый AUG находится рядом с исходным стартовым сайтом, в рамке внутри обработанного транскрипта и ниже по течению от сайта связывания рибосомы, его можно использовать для инициации трансляции. Вероятный эффект — это добавление дополнительных аминокислот к аминоконцу исходного белка. Мутации со сдвигом рамки также возможны при мутациях старт-прирост, но обычно не влияют на трансляцию исходного белка. Потеря старта — это точечная мутация в стартовом кодоне AUG транскрипта, приводящая к снижению или прекращению выработки белка.
Миссенс-мутации кодируют другую аминокислоту. Миссенс-мутация изменяет кодон, так что создается другой белок, не синонимичное изменение. [4] Консервативные мутации приводят к изменению аминокислоты. Однако свойства аминокислоты остаются прежними (например, гидрофобность, гидрофильность и т. д.). Иногда изменение одной аминокислоты в белке не наносит вреда организму в целом. Большинство белков могут выдерживать одну или две точечные мутации, прежде чем их функция изменится. Неконсервативные мутации приводят к изменению аминокислоты, которая имеет свойства, отличные от свойств дикого типа . Белок может потерять свою функцию, что может привести к заболеванию в организме. Например, серповидноклеточная анемия вызывается единственной точечной мутацией (миссенс-мутацией) в гене бета- гемоглобина , которая преобразует кодон GAG в GUG, который кодирует аминокислоту валин , а не глутаминовую кислоту . Белок также может демонстрировать «приобретение функции» или активироваться, как в случае мутации, изменяющей валин на глутаминовую кислоту в гене BRAF ; это приводит к активации белка RAF, который вызывает неограниченную пролиферативную сигнализацию в раковых клетках. [5] Оба эти примера являются примерами неконсервативной (миссенс) мутации.
Молчаливые мутации кодируют одну и ту же аминокислоту (« синонимичная замена »). Молчаливая мутация не влияет на функционирование белка . Может измениться один нуклеотид, но новый кодон определяет ту же аминокислоту, что приводит к немутированному белку. Этот тип изменений называется синонимичным изменением, поскольку старый и новый кодон кодируют одну и ту же аминокислоту. Это возможно, поскольку 64 кодона определяют только 20 аминокислот. Однако разные кодоны могут приводить к разным уровням экспрессии белка. [4]
Иногда термин «точечная мутация» используется для описания вставок или делеций одной пары оснований (что оказывает более неблагоприятное воздействие на синтезированный белок из-за того, что нуклеотиды все еще считываются в триплетах, но в разных рамках: мутация, называемая мутацией сдвига рамки считывания ). [4]
Точечные мутации, которые происходят в некодирующих последовательностях, чаще всего не имеют последствий, хотя есть исключения. Если мутировавшая пара оснований находится в промоторной последовательности гена, то экспрессия гена может измениться. Кроме того, если мутация происходит в месте сплайсинга интрона , то это может помешать правильному сплайсингу транскрибированной пре-мРНК .
Изменяя всего одну аминокислоту, можно изменить весь пептид , тем самым изменив весь белок. Новый белок называется вариантом белка. Если исходный белок функционирует в клеточном воспроизводстве, то эта единичная точечная мутация может изменить весь процесс клеточного воспроизводства для этого организма.
Точечные мутации зародышевой линии могут приводить как к полезным, так и к вредным признакам или заболеваниям. Это приводит к адаптациям, основанным на среде, в которой живет организм. Полезная мутация может создать преимущество для этого организма и привести к передаче признака из поколения в поколение, улучшая и принося пользу всей популяции. Научная теория эволюции во многом зависит от точечных мутаций в клетках . Теория объясняет разнообразие и историю живых организмов на Земле. В отношении точечных мутаций она утверждает, что полезные мутации позволяют организму процветать и размножаться, тем самым передавая свои положительно затронутые мутировавшие гены следующему поколению. С другой стороны, вредные мутации заставляют организм умирать или иметь меньшую вероятность размножаться в явлении, известном как естественный отбор .
Существуют различные краткосрочные и долгосрочные эффекты, которые могут возникнуть из-за мутаций. Более мелкие могут быть остановкой клеточного цикла в многочисленных точках. Это означает, что кодон, кодирующий аминокислоту глицин, может быть изменен на стоп-кодон, в результате чего белки, которые должны были быть произведены, будут деформированы и не смогут выполнить свои предполагаемые задачи. Поскольку мутации могут влиять на ДНК и, следовательно, на хроматин , это может помешать митозу произойти из-за отсутствия полной хромосомы. Проблемы также могут возникнуть во время процессов транскрипции и репликации ДНК. Все это препятствует размножению клетки и, таким образом, приводит к ее гибели. Долгосрочные эффекты могут быть постоянным изменением хромосомы, что может привести к мутации. Эти мутации могут быть как полезными, так и вредными. Рак является примером того, как они могут быть вредными. [6]
Другие эффекты точечных мутаций или однонуклеотидных полиморфизмов в ДНК зависят от местоположения мутации в гене. Например, если мутация происходит в области гена, ответственного за кодирование, аминокислотная последовательность кодируемого белка может быть изменена, что приведет к изменению функции, локализации белка, стабильности белка или белкового комплекса. Было предложено много методов для прогнозирования эффектов миссенс-мутаций на белки. Алгоритмы машинного обучения обучают свои модели различать известные мутации, связанные с болезнями, от нейтральных, тогда как другие методы явно не обучают свои модели, но почти все методы используют эволюционную консервацию, предполагая, что изменения в консервативных позициях, как правило, более пагубны. Хотя большинство методов обеспечивают бинарную классификацию эффектов мутаций на повреждающие и доброкачественные, необходим новый уровень аннотации, чтобы предложить объяснение того, почему и как эти мутации повреждают белки. [7]
Более того, если мутация происходит в области гена, где транскрипционный аппарат связывается с белком, мутация может повлиять на связывание факторов транскрипции, поскольку короткие нуклеотидные последовательности, распознаваемые факторами транскрипции, будут изменены. Мутации в этой области могут повлиять на скорость эффективности транскрипции гена, что в свою очередь может изменить уровни мРНК и, таким образом, уровни белка в целом.
Точечные мутации могут иметь несколько эффектов на поведение и воспроизводство белка в зависимости от того, где мутация происходит в аминокислотной последовательности белка. Если мутация происходит в области гена, который отвечает за кодирование белка, аминокислота может быть изменена. Это небольшое изменение в последовательности аминокислот может вызвать изменение функции, активации белка, то есть того, как он связывается с данным ферментом, где белок будет расположен внутри клетки или количества свободной энергии, запасенной внутри белка.
Если мутация происходит в области гена, где транскрипционный аппарат связывается с белком, мутация может повлиять на способ, которым факторы транскрипции связываются с белком. Механизмы транскрипции связываются с белком посредством распознавания коротких нуклеотидных последовательностей. Мутация в этой области может изменить эти последовательности и, таким образом, изменить способ, которым факторы транскрипции связываются с белком. Мутации в этой области могут повлиять на эффективность транскрипции гена, которая контролирует как уровни мРНК, так и общие уровни белка. [8]
Точечные мутации в нескольких белках-супрессорах опухолей вызывают рак . Например, точечные мутации в аденоматозном полипозе кишечной палочки способствуют возникновению опухолей. [9] Новый анализ, быстрый параллельный протеолиз (FASTpp) , может помочь в быстром скрининге специфических дефектов стабильности у отдельных онкологических пациентов. [10]
Нейрофиброматоз вызывается точечными мутациями в гене нейрофибромина 1 [11] [12] или нейрофибромина 2. [13]
Серповидноклеточная анемия вызывается точечной мутацией в β-глобиновой цепи гемоглобина, в результате которой гидрофильная аминокислота глутаминовая кислота заменяется гидрофобной аминокислотой валин в шестой позиции.
Ген β-глобина находится на коротком плече хромосомы 11. Ассоциация двух диких субъединиц α-глобина с двумя мутантными субъединицами β-глобина образует гемоглобин S (HbS). В условиях низкого содержания кислорода (например, на большой высоте) отсутствие полярной аминокислоты в шестом положении цепи β-глобина способствует нековалентной полимеризации (агрегации) гемоглобина, что искажает форму эритроцитов в серповидную и снижает их эластичность. [14]
Гемоглобин — это белок, содержащийся в эритроцитах, который отвечает за транспортировку кислорода по организму. [15] Белок гемоглобина состоит из двух субъединиц: бета-глобины и альфа-глобины . [16] Бета-гемоглобин создается из генетической информации о гене HBB, или «гемоглобин, бета», обнаруженном на хромосоме 11p15.5. [17] Одна точечная мутация в этой полипептидной цепи, которая состоит из 147 аминокислот, приводит к заболеванию, известному как серповидноклеточная анемия. [18] Серповидноклеточная анемия — это аутосомно-рецессивное заболевание, которым страдает 1 из 500 афроамериканцев, и является одним из самых распространенных заболеваний крови в Соединенных Штатах. [17] Одна замена шестой аминокислоты в бета-глобине, глутаминовой кислоты, на валин приводит к деформированным эритроцитам. Эти серповидные клетки не могут переносить столько же кислорода, сколько нормальные эритроциты, и они легче попадают в капилляры, перекрывая кровоснабжение жизненно важных органов. Изменение одного нуклеотида в бета-глобине означает, что даже самое незначительное усилие со стороны носителя приводит к сильной боли и даже сердечному приступу. Ниже приведена диаграмма, изображающая первые тринадцать аминокислот в нормальной и ненормальной полипептидной цепи серповидных клеток . [18]
Причиной болезни Тея-Сакса является генетический дефект, который передается от родителя к ребенку. Этот генетический дефект находится в гене HEXA, который находится на хромосоме 15.
Ген HEXA является частью фермента, называемого бета-гексозаминидазой A, который играет важную роль в нервной системе. Этот фермент помогает расщеплять жирное вещество, называемое ганглиозидом GM2, в нервных клетках. Мутации в гене HEXA нарушают активность бета-гексозаминидазы A, предотвращая распад жирных веществ. В результате жирные вещества накапливаются до смертельных уровней в головном и спинном мозге. Накопление ганглиозида GM2 вызывает прогрессирующее повреждение нервных клеток. Это является причиной признаков и симптомов болезни Тея-Сакса. [19]
В молекулярной биологии повторная точечная мутация или RIP представляет собой процесс, посредством которого ДНК накапливает мутации перехода G : C в A : T. Геномные данные указывают на то, что RIP происходит или происходил у различных грибов [20], в то время как экспериментальные данные указывают на то, что RIP активен у Neurospora crassa , [21] Podospora anserina , [22] Magnaporthe grisea , [23] Leptosphaeria maculans , [24] Gibberella zeae [25] и Nectria haematococca . [26] У Neurospora crassa последовательности, мутировавшие под действием RIP, часто метилируются de novo . [21]
RIP происходит во время половой стадии в гаплоидных ядрах после оплодотворения, но до мейотической репликации ДНК . [21] У Neurospora crassa повторяющиеся последовательности длиной не менее 400 пар оснований уязвимы для RIP. Повторы с идентичностью нуклеотидов всего лишь 80% также могут быть подвержены RIP. Хотя точный механизм распознавания повторов и мутагенеза плохо изучен, RIP приводит к тому, что повторяющиеся последовательности подвергаются множественным переходным мутациям .
Мутации RIP, по-видимому, не ограничиваются повторяющимися последовательностями. Действительно, например, в фитопатогенном грибке L. maculans мутации RIP обнаружены в областях с одной копией, прилегающих к повторяющимся элементам. Эти области являются либо некодирующими областями, либо генами, кодирующими небольшие секретируемые белки, включая гены авирулентности. Степень RIP в этих областях с одной копией была пропорциональна их близости к повторяющимся элементам. [27]
Реп и Кистлер предположили, что присутствие высокоповторяющихся областей, содержащих транспозоны, может способствовать мутации резидентных эффекторных генов. [28] Таким образом, предполагается, что присутствие эффекторных генов в таких областях способствует их адаптации и диверсификации при воздействии сильного давления отбора. [29]
Поскольку мутация RIP традиционно наблюдается только в повторяющихся областях, а не в областях с одной копией, Фудал и др. [30] предположили, что утечка мутации RIP может происходить на относительно коротком расстоянии от повтора, затронутого RIP. Действительно, это было отмечено в N. crassa , где утечка RIP была обнаружена в последовательностях с одной копией, по крайней мере, в 930 п.н. от границы соседних дублированных последовательностей. [31] Выяснение механизма обнаружения повторяющихся последовательностей, приводящих к RIP, может позволить понять, как могут быть затронуты и фланкирующие последовательности.
RIP вызывает мутации перехода G : C в A : T в повторах, однако механизм, который обнаруживает повторяющиеся последовательности, неизвестен. RID — единственный известный белок, необходимый для RIP. Это белок, подобный ДНК-метилтрансферазе, который при мутации или нокауте приводит к потере RIP. [32] Удаление гомолога rid в Aspergillus nidulans , dmtA , приводит к потере фертильности [33], тогда как удаление гомолога rid в Ascobolus immersens , masc1 , приводит к дефектам фертильности и потере метилирования, индуцированного премейотически (MIP) . [34]
Считается, что RIP развился как защитный механизм против мобильных элементов , которые напоминают паразитов , вторгаясь и размножаясь внутри генома. RIP создает множественные миссенс- и нонсенс-мутации в кодирующей последовательности. Эта гипермутация GC в AT в повторяющихся последовательностях устраняет функциональные генные продукты последовательности (если таковые были изначально). Кроме того, многие из C-несущих нуклеотидов становятся метилированными , тем самым снижая транскрипцию.
Поскольку RIP настолько эффективен в обнаружении и мутации повторов, биологи грибов часто используют его в качестве инструмента для мутагенеза . Вторая копия гена с одной копией сначала трансформируется в геном . Затем гриб должен спариться и пройти свой половой цикл, чтобы активировать механизм RIP. Множество различных мутаций в пределах дублированного гена получаются даже из одного события оплодотворения, так что могут быть получены инактивированные аллели, обычно из-за бессмысленных мутаций , а также аллели, содержащие миссенс-мутации . [35]
Процесс клеточного размножения мейоз был открыт Оскаром Гертвигом в 1876 году. Митоз был открыт несколькими годами позже, в 1882 году, Вальтером Флеммингом .
Хертвиг изучал морских ежей и заметил, что каждая яйцеклетка содержала одно ядро до оплодотворения и два ядра после. Это открытие доказало, что один сперматозоид может оплодотворить яйцеклетку, и, следовательно, доказало процесс мейоза. Герман Фоль продолжил исследования Хертвига, проверив эффекты инъекции нескольких сперматозоидов в яйцеклетку, и обнаружил, что этот процесс не работал с более чем одним сперматозоидом. [36]
Флемминг начал свои исследования деления клеток в 1868 году. Изучение клеток становилось все более популярной темой в этот период времени. К 1873 году Шнайдер уже начал описывать этапы деления клеток. Флемминг продолжил это описание в 1874 и 1875 годах, более подробно объяснив этапы. Он также спорил с выводами Шнайдера о том, что ядро разделилось на стержневидные структуры, предположив, что ядро фактически разделилось на нити, которые в свою очередь разделились. Флемминг пришел к выводу, что клетки размножаются посредством деления клеток, а точнее митоза. [37]
Мэтью Мезельсону и Франклину Шталю приписывают открытие репликации ДНК . Уотсон и Крик признали, что структура ДНК действительно указывает на то, что существует некоторая форма процесса репликации. Однако до Уотсона и Крика не было проведено много исследований этого аспекта ДНК. Люди рассматривали все возможные методы определения процесса репликации ДНК, но ни один из них не был успешным до Мезельсона и Шталя. Мезельсон и Шталь ввели тяжелый изотоп в некоторую ДНК и проследили его распределение. С помощью этого эксперимента Мезельсон и Шталь смогли доказать, что ДНК воспроизводится полуконсервативно. [38]
