Молчаливые мутации , также называемые синонимичными или мутациями с тем же смыслом, представляют собой мутации в ДНК , которые не оказывают заметного влияния на фенотип организма. Фраза молчаливая мутация часто используется взаимозаменяемо с фразой синонимичная мутация ; однако синонимичные мутации не всегда молчаливы, и наоборот. [1] [2] [3] [4] [5] Синонимичные мутации могут влиять на транскрипцию , сплайсинг , транспорт мРНК и трансляцию , любая из которых может изменить фенотип, делая синонимичную 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 смещении использования кодона , которое наблюдается у многих видов. Мутации, которые заставляют измененный кодон производить аминокислоту с похожей функциональностью ( например, мутация, производящая лейцин вместо изолейцина ), часто классифицируются как молчаливые; 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 использованием этого процесса с группами из трех нуклеотидов вдоль мРНК, которые обычно известны как кодоны. [7] Набор из трех нуклеотидов почти всегда производит одну и ту же аминокислоту, за несколькими исключениями, такими как UGA, который обычно служит стоп-кодоном , но также может кодировать триптофан в митохондриях млекопитающих . [7] Большинство аминокислот указаны несколькими кодонами, что демонстрирует, что генетический код вырожден – разные кодоны приводят к одной и той же аминокислоте. [7] Кодоны, которые кодируют одну и ту же аминокислоту, называются синонимами. Молчаливые мутации – это замены оснований, которые не приводят к изменению аминокислоты или функциональности аминокислоты при трансляции измененной информационной РНК (мРНК). Например, если кодон AAA изменяется и становится AAG, та же аминокислота – лизин – будет включена в пептидную цепь.
Мутации часто связаны с заболеваниями или негативными воздействиями, но молчаливые мутации могут быть чрезвычайно полезны для создания генетического разнообразия среди видов в популяции. Мутации зародышевой линии передаются от родителя к потомству. [8] [ необходимы дополнительные ссылки ] Ученые предсказали, что у людей в геномах есть приблизительно от 5 до 10 смертельных мутаций, но это по сути безвредно, поскольку обычно существует только одна копия определенного плохого гена, поэтому заболевания маловероятны. [8] Молчаливые мутации также могут быть вызваны вставками или делециями , которые вызывают сдвиг в рамке считывания . [9]
Поскольку молчаливые мутации не изменяют функцию белка, их часто рассматривают так, как будто они эволюционно нейтральны . Известно, что многие организмы демонстрируют смещение использования кодонов , что предполагает наличие отбора для использования определенных кодонов из-за необходимости трансляционной стабильности. Доступность транспортной РНК (тРНК) является одной из причин того, что молчаливые мутации могут быть не такими уж молчаливыми, как принято считать. [10]
Для каждого кодона существует своя молекула тРНК. Например, есть специфическая молекула тРНК для кодона UCU и другая специфическая для кодона UCC, обе из которых кодируют аминокислоту серин . В этом случае, если бы было в тысячу раз меньше тРНК UCC, чем тРНК UCU, то включение серина в полипептидную цепь происходило бы в тысячу раз медленнее, когда мутация заставляет кодон меняться с UCU на UCC. Если транспорт аминокислоты в рибосому задерживается, трансляция будет осуществляться гораздо медленнее. Это может привести к более низкой экспрессии определенного гена, содержащего эту молчаливую мутацию, если мутация происходит внутри экзона. Кроме того, если рибосоме приходится слишком долго ждать получения аминокислоты, рибосома может преждевременно завершить трансляцию. [6]
Несинонимическая мутация, которая происходит на геномном или транскрипционном уровнях, — это мутация, которая 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 допустимыми в зависимости от того, насколько тесно коррелируют свойства аминокислот, участвующих в замене. [11] Преждевременная вставка стоп-кодона , бессмысленная мутация , может изменить первичную структуру белка. [12] В этом случае получается укороченный белок. Функция белка и сворачивание зависят от положения, в котором был вставлен стоп-кодон, а также от количества и состава потерянной последовательности.
Напротив, молчаливые мутации — это мутации, при которых последовательность аминокислот не изменяется. [12] Молчаливые мутации приводят к изменению одной из букв в триплетном коде, представляющем кодон , но, несмотря на изменение одного основания, аминокислота, которая кодируется, остается неизменной или похожей по биохимическим свойствам. Это допускается вырожденностью генетического кода .
Исторически считалось, что молчаливые мутации не имеют большого значения или вообще не имеют. Однако недавние исследования показывают, что такие изменения в триплетном коде влияют на эффективность трансляции белка, а также на сворачивание и функционирование белка. [13] [14]
Кроме 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, которые обнаружили, что восстановленная и денатурированная РНКаза в своей развернутой форме может повторно сворачиваться в нативную третичную форму. Третичная структура белка представляет собой полностью свернутый полипептидный ряд со всеми гидрофобными R-группами, свернутыми внутрь белка для максимизации энтропии с взаимодействиями между вторичными структурами, такими как бета-слои и альфа-спирали. Поскольку структура белков определяет его функцию, крайне важно, чтобы белок был правильно свернут в свою третичную форму, чтобы белок функционировал должным образом. Однако важно отметить, что полипептидные ряды могут значительно различаться по первичной структуре, но быть очень похожими по третичной структуре и функции белка. [15]
Скрытые мутации изменяют вторичную структуру мРНК .
Вторичная структура белков состоит из взаимодействий между атомами остова полипептидной цепи, за исключением R-групп. Одним из распространенных типов вторичных структур является альфа-спираль, которая является правозакрученной спиралью, которая возникает из-за водородных связей между n-ным аминокислотным остатком и n+4-м аминокислотным остатком. Другим распространенным типом вторичной структуры является бета-слой, который демонстрирует правозакрученный поворот, может быть параллельным или антипараллельным в зависимости от направления связанных полипептидов и состоит из водородных связей между карбонильными и аминогруппами остова двух полипептидных цепей. [16]
мРНК имеет вторичную структуру, которая не обязательно линейна, как у ДНК, поэтому форма, которая сопровождает комплементарное связывание в структуре, может иметь значительные эффекты. Например, если молекула мРНК относительно нестабильна, то она может быстро разрушаться ферментами в цитоплазме . Если молекула РНК высокостабильна, 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 было проведено множество исследований, которые показали, что все правильно свернутые структуры мРНК зависят от первичной последовательности полипептидной цепи и что структура поддерживается относительным содержанием динуклеотидов в клеточной матрице. Также было обнаружено, что вторичная структура мРНК важна для таких клеточных процессов, как стабильность транскрипта и трансляция. Общая идея заключается в том, что функциональные домены мРНК сворачиваются друг на друга, в то время как области стартового и стоп-кодона, как правило, более расслаблены, что может помочь в передаче сигналов инициации и терминации трансляции. [17]
Если приближающаяся рибосома останавливается из-за узла в РНК, то полипептид потенциально может иметь достаточно времени, чтобы свернуться в неродную структуру, прежде чем молекула тРНК сможет добавить еще одну аминокислоту . Молчаливые мутации также могут влиять на сплайсинг или транскрипционный контроль .
Молчаливые мутации влияют на сворачивание и функционирование белка. [1] Обычно неправильно свернутый белок может быть повторно сложен с помощью молекулярных шаперонов. РНК обычно производит два общих неправильно свернутых белка, стремясь сворачиваться вместе и застревать в разных конформациях, и у нее возникают трудности с выделением предпочтительной специфической третичной структуры из-за других конкурирующих структур. РНК-связывающие белки могут помочь в решении проблем сворачивания РНК, однако, когда в цепи мРНК происходит молчаливая мутация, эти шапероны не связываются должным образом с молекулой и не могут перенаправить мРНК в правильную складку. [18]
Недавние исследования показывают, что молчаливые мутации могут оказывать влияние на последующую структуру и активность белка. [19] [20] Время и скорость сворачивания белка могут быть изменены, что может привести к функциональным нарушениям. [21]
Молчаливые мутации использовались в качестве экспериментальной стратегии и могут иметь клинические последствия.
Штеффен Мюллер из Университета Стоуни-Брук разработал живую вакцину от полиомиелита , в которой вирус был сконструирован так, чтобы синонимичные кодоны заменяли естественные кодоны в геноме. В результате вирус все еще мог заражать и размножаться, хотя и медленнее. Мыши, вакцинированные этой вакциной, проявили устойчивость к естественному штамму полиомиелита.
В экспериментах по молекулярному клонированию может быть полезно вводить молчаливые мутации в интересующий ген с целью создания или удаления участков распознавания для ферментов рестрикции .
Психические расстройства могут быть вызваны молчаливыми мутациями. Одна молчаливая мутация приводит к тому, что ген дофаминового рецептора D2 становится менее стабильным и деградирует быстрее, что приводит к недостаточной экспрессии гена.
Молчаливая мутация в гене множественной лекарственной устойчивости 1 ( MDR1 ), который кодирует клеточный мембранный насос, выталкивающий лекарства из клетки, может замедлить трансляцию в определенном месте, позволяя пептидной цепи согнуться в необычную конформацию. Таким образом, мутантный насос менее функционален.
Отклонения от средней болевой чувствительности вызваны как мутацией ATG в GTG ( несинонимично ), так и мутацией CAT в CAC ( синонимично ). Эти две мутации являются общими для гена низкой и высокой болевой чувствительности. Низкая болевая чувствительность имеет дополнительную молчаливую мутацию CTC в CTG, в то время как высокая болевая чувствительность не имеет и разделяет последовательность CTC в этом месте со средней болевой чувствительностью. [22]
Около 99,8% генов, которые подвергаются мутациям, считаются молчащими, поскольку изменение нуклеотида не меняет транслируемую аминокислоту. [23] Хотя молчащие мутации не должны влиять на фенотипический результат, некоторые мутации доказывают обратное, как, 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, что и CYP3A4, который является ферментом, помогающим избавиться от токсинов или лекарств из печени и кишечника. Молчаливые мутации, такие как MDR 1, действительно выражают изменение фенотипического ответа. Исследование, проведенное на мышах, показало, что когда у них не было достаточного количества гена MDR 1, их организм не распознавал ивермектин или циклоспорин, что приводило к образованию токсинов в их организме. [23]
MRD1 имеет более пятидесяти однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые являются изменениями в последовательности нуклеотидных оснований. [24] [23] В MDR1 экзон гена 26, который представляет 3535C, может мутировать в 3535T, что затем изменяет транспортную РНК на ту, которая встречается не так часто, как видно, что приводит к изменениям в результате во время трансляции. Это пример того, как некоторые молчаливые мутации не всегда молчаливы. [25] Гены множественной лекарственной устойчивости в экзоне 26 C3435T, экзоне 21 G2677T/A и экзоне 12 C1236T были изучены на предмет наличия SNP, которые происходят в одно и то же время, поэтому изменяют фенотипическую «функцию». Это предполагает гаплотипическую зависимость между экзоном 26 и другими экзонами, которые имеют полиморфизмы. Например, эфавиренз и нелфинавир — это два типа препаратов, которые помогают снизить уровень ВИЧ-инфекции в организме человека. Когда SNP из экзона 26 связан с другими экзонами SNP, у препаратов меньше шансов поддерживать ВИЧ-инфекцию. Хотя, когда нуклеотиды TT 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 для 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 изменяет фенотипические функции, когда оно сочетается с наличием мутаций из экзонов 12 и 21. Но когда он действует сам по себе, он не влияет на фенотипический результат так сильно. Пример зависимости экзона 26 от гаплотипа виден при рассмотрении химиотерапии. Поскольку MDR 1 удаляет лекарства из наших клеток, ингибиторы использовались для блокирования способности MRD 1 удалять лекарства, тем самым позволяя полезным препаратам, таким как химиотерапия и иммунодепрессанты, более эффективно помогать организму в восстановлении. MDR1 имеет различные белки, которые помогают изгнать эти специфические препараты 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. Несколько молчащих мутировавших генов, как правило, более устойчивы к этим ингибиторам. [26]
Рассматривая молекулярный уровень, 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 складываться, что означает, что разные кодоны соответствуют разным сворачиваниям мРНК. Например, когда экзон 26 меняет ATC на ATT, оба кодона производят одну и ту же аминокислоту, но ATC встречается чаще, чем мутирующий кодон. Как следствие, изменяется количество времени, необходимое рибосоме для производства своего белкового подтверждения. Это приводит к структуре белка, отличной от обычной формы белка, что приводит к разным функциям белка. [27]
Другие причины «молчаливой мутации» MDR1 происходят в матричной РНК. В мРНК кодоны также работают как усилители сплайсинга экзонов. Кодоны решают, когда вырезать интроны, на основе 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 матричную РНК. [27] Мутации в гене множественной лекарственной устойчивости 1 показывают, как молчаливые мутации могут влиять на результат фенотипа.
молчащих мутаций
в полиовирусе. ... Мы назвали этот процесс возмущения
внутренних вирусных геномных предубеждений
путем
синтетической переделки генома СОХРАНИТЬ для синтетической аттенуированной вирусной инженерии
