stringtranslate.com

Бессмысленная мутация

В генетике нонсенс -мутация — это точечная мутация в последовательности ДНК , которая приводит к образованию нонсенс-кодона или преждевременному стоп-кодону в транскрибируемой мРНК и приводит к усеченному, неполному и, возможно, нефункциональному белковому продукту. [1] Нонсенс-мутации не всегда вредны; [2] функциональный эффект нонсенс-мутации зависит от многих аспектов, таких как расположение стоп -кодона в кодирующей ДНК . [2] Например, эффект нонсенс-мутации зависит от близости нонсенс-мутации к исходному стоп-кодону и степени воздействия на функциональные субдомены белка. [3] Поскольку нонсенс-мутации приводят к преждевременному обрыву полипептидных цепей ; их также называют мутациями обрыва цепи. [4]

Миссенс-мутации отличаются от нонсенс-мутаций, поскольку они представляют собой точковые мутации , которые вызывают замену одного нуклеотида , вызывающую замену другой аминокислоты . Нонстоп-мутация также отличается от безостановочной мутации , которая представляет собой точечную мутацию, удаляющую стоп-кодон. Около 10% пациентов, столкнувшихся с генетическими заболеваниями, имеют нонсенс-мутации. [5] Некоторые из заболеваний, которые могут вызывать эти мутации, включают мышечную дистрофию Дюшенна (МДД), муковисцидоз (МВ), [6] спинальную мышечную атрофию (СМА), рак , метаболические заболевания и неврологические расстройства. [5] [7] Частота нонсенс-мутаций варьируется от гена к гену и от ткани к ткани, но замалчивание генов происходит у каждого пациента с нонсенс-мутацией. [5]

Простой пример

 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: Met Thr His Arg Ala Arg Ser Stop

Приведенный выше пример начинается с 5'- последовательности ДНК , состоящей из 24 нуклеотидов (8 триплетных кодонов), и ее комплементарной цепи, показанной ниже. В следующем ряду выделена 5'- цепь мРНК , которая генерируется посредством транскрипции . Наконец, в последней строке показаны аминокислоты , которые транслируются с каждого соответствующего кодона , причем восьмой и последний кодон представляет собой стоп-кодон . Кодоны, соответствующие четвертой аминокислоте, аргинину , выделены, поскольку на следующем рисунке этого примера они претерпят нонсенс-мутацию.

 ДНК : 5' - ATG ACT CAC TGA GCG CGA AGC TGA - 3' 3'- TAC TGA GTG ACT CGC GCT TCG ACT - 5' мРНК : 5' - AUG ACU CAC UGA GCG CGU AGC UGA - 3'Белок : встретил  свою  остановку

Теперь предположим, что нонсенс-мутация была введена в четвертый кодон в 5'-последовательности ДНК (CGA), что привело к замене цитозина тимином , что привело к образованию 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 усеченному (то есть сокращенному) белковому продукту, который довольно часто лишен функциональности нормального немутантного белка. [1]

Возможные результаты

Вредный

Вредные исходы представляют собой большинство бессмысленных мутаций и являются наиболее частым исходом, наблюдаемым естественным путем. Вредные нонсенс - мутации снижают общую приспособленность и репродуктивный успех организма . [8] Например, нонсенс-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 может оказаться пагубным для приспособленности и выживания этого организма. [8]

Нейтральный

Когда нонсенс-мутация нейтральна, она не приносит ни пользы, ни вреда. Это происходит, когда последствия мутации незамечены. Другими словами, это означает, что мутация не влияет ни положительно, ни отрицательно на организм. Поскольку этот эффект незамечен, работ, описывающих подобные мутации, мало. Примером такого типа бессмысленной мутации является мутация, которая возникает непосредственно перед исходным стоп-кодоном данного белка. [8] Поскольку эта мутация произошла в такой непосредственной близости от конца белковой цепи, влияние этого изменения может быть не таким значительным. Это позволяет предположить, что эта мутировавшая аминокислота не оказала большого влияния на общую структуру или функцию белка или организма в целом. Этот сценарий редок, но возможен. [8]

Выгодный

Полезные нонсенс-мутации считаются редчайшим из возможных результатов нонсенс-мутаций. Полезные нонсенс-мутации повышают общую приспособленность и репродуктивный успех организма, в отличие от вредных мутаций. [2] [8] Поскольку бессмысленная мутация приводит к появлению преждевременного стоп-кодона в последовательности ДНК, крайне маловероятно, что этот сценарий действительно принесет пользу организму. [1] Примером этого может быть нонсенс-мутация, которая влияет на дисфункциональный белок, выделяющий токсины . Стоп-кодон, вызванный этой мутацией, помешает этому дисфункциональному белку правильно выполнять свою функцию. Прекращение работы этого белка в полную силу приводит к высвобождению меньшего количества токсинов и улучшению физической формы организма. Подобные ситуации с нонсенс-мутациями случаются гораздо реже, чем пагубные последствия. [8]

Подавление бессмысленных мутаций

На рисунке слева представлена ​​диаграмма нормальной трансляции, происходящей без мутации. Синие кружки — это уже транслированные пептиды, а серые кружки — пептиды, которые будут транслироваться следующими. В центре представлена ​​диаграмма нонсенс-мутации, при которой кодон UUG транслируется в стоп-кодон UAG. Стоп-кодон привлекает фактор высвобождения, прекращающий трансляцию. Справа представлена ​​схема механизма подавления тРНК, при которой и кодон, и тРНК мутируют, что приводит к подавлению тРНК. Мутировавшая тРНК Tyr имеет антикодон AUC, который распознает стоп-кодон UAG, продолжая трансляцию белка. [9]

Нонсенс-опосредованный распад мРНК

Несмотря на ожидаемую тенденцию преждевременных терминирующих кодонов давать укороченные полипептидные продукты, на самом деле образование укороченных белков происходит не часто in vivo . Многие организмы, в том числе люди и низшие виды, такие как дрожжи , используют нонсенс-опосредованный путь распада мРНК, который разрушает мРНК, содержащие нонсенс-мутации, прежде чем они смогут транслироваться в нефункциональные полипептиды.

Подавление тРНК

Поскольку нонсенс-мутации приводят к изменению мРНК с появлением преждевременного стоп-кодона, одним из способов подавления ущерба, наносимого конечной функции белка, является изменение тРНК, которая считывает мРНК. Эти тРНК называются супрессорными тРНК . Если стоп-кодоном является UAG, любая другая аминокислотная тРНК может быть заменена исходным антикодоном на AUC, поэтому вместо этого она будет распознавать кодон UAG. Это приведет к тому, что белок не будет усечен, но в нем все еще может содержаться измененная аминокислота. Эти мутации супрессорной тРНК возможны только в том случае, если в клетке имеется более одной тРНК, считывающей 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 исходного кодона, но супрессоры UAA также считывают UAG из-за нестабильного спаривания оснований . Подавители UGA встречаются очень редко. Еще одним препятствием, которое необходимо преодолеть в этом методе, является тот факт, что стоп-кодоны также распознаются факторами высвобождения , поэтому тРНК все еще приходится конкурировать с факторами высвобождения, чтобы поддерживать трансляцию. Из-за этого подавление обычно бывает успешным только на 10-40%. Эти мутации супрессорной тРНК также нацелены на стоп-кодоны, которые не являются мутациями, в результате чего некоторые белки становятся намного длиннее, чем должны быть. При таких мутациях могут выжить только бактерии и низшие эукариоты , клетки млекопитающих и насекомых погибают в результате супрессорной мутации. [4]

По историческим причинам трем стоп-кодонам были даны имена (см. Стоп-кодоны ): UAG называется янтарным кодоном, UAA называется охристым кодоном, а UGA называется опаловым кодоном.

Распространенные нонсенс-мутации, связанные с заболеванием

Выбор заметных мутаций , упорядоченных в стандартной таблице генетического кода аминокислот . [10] нонсенс-мутации отмечены красными стрелками.

Нонсенс-мутации составляют около 20% однонуклеотидных замен в кодирующих белках последовательностях, которые приводят к заболеваниям человека. [11] Патология, опосредованная нонсенс-мутациями, часто объясняется уменьшением количества полноразмерного белка, поскольку только 5-25% транскриптов, обладающих нонсенс-мутациями, не подвергаются нонсенс-опосредованному распаду (NMD). [12] [11] Трансляция оставшейся бессмысленной мРНК может привести к образованию сокращенных вариантов белка с токсическими эффектами. [13]

Двадцать три различных одноточечных нуклеотидных замены способны превращать нон-стоп-кодон в стоп-кодон, при этом мутации CGA TGA и CAG TAG являются наиболее распространенными заменами, связанными с заболеваниями, охарактеризованными в базе данных мутаций генов человека (HGMD). . [11] В результате различной частоты замен для каждого нуклеотида пропорции трех стоп-кодонов, генерируемых нонсенс-мутациями, вызывающими заболевание, отличаются от распределения стоп-кодонов в не болеющих вариантах гена. [11] Примечательно, что кодон TAG чрезмерно представлен, в то время как кодоны TGA и TAA недостаточно представлены в нонсенс-мутациях, связанных с заболеванием. [11]

На эффективность терминации трансляции влияет специфическая последовательность стоп-кодонов на мРНК, при этом последовательность UAA дает наибольшую терминацию. [14] Последовательности, окружающие стоп-кодон, также влияют на эффективность терминации. [14] Следовательно, основная патология заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями, в конечном итоге зависит от личности мутировавшего гена и конкретного местоположения мутации.

Примеры заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями, включают:

Нонсенс-мутации в других генах также могут вызывать дисфункцию некоторых систем тканей или органов:

SMAD8

SMAD8 является восьмым гомологом семейства генов ENDOGLIN и участвует в передаче сигналов между TGF-b/BMP . Было обнаружено, что новые нонсенс-мутации в SMAD8 связаны с легочной артериальной гипертензией. [15] Легочная система зависит от SMAD1, SMAD5 и SMAD 8 для регуляции функции легочных сосудов. Понижение регуляции и потеря сигналов, которые обычно управляются SMAD8, способствуют патогенезу легочной артериальной гипертензии. [15] Было обнаружено, что ген ALK1 , входящий в семейство сигнальных систем TGF-B, мутировал, одновременно подавляя ген SMAD8 у пациентов с легочной артериальной гипертензией. [15] Мутанты SMAD8 не фосфорилировались с помощью ALK1, нарушая взаимодействия с SMAD4, которые обычно обеспечивают передачу сигналов в организмах дикого типа . [15]

ЛГР4

LGR4 связывает R-спондины , активируя сигнальный путь Wnt . [16] Передача сигналов Wnt регулирует костную массу и дифференцировку остеобластов и важна для развития костей, сердца и мышц. [16] Нонсенс-мутация LGR4 у здоровой популяции связана с низкой плотностью костной массы и симптомами остеопороза . Мыши с мутацией LGR4 показали, что наблюдаемая низкая костная масса не связана с возрастной потерей костной массы. [16] Мутации в LGR4 были связаны с семейными линиями с историей болезни редких заболеваний костей. [16] У мышей дикого типа, лишенных LGR4, также наблюдалась задержка дифференцировки остеобластов во время развития, демонстрируя важную роль LGR4 в регуляции и развитии костной массы. [16]

Терапия, направленная на лечение заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями

Терапия заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями, пытается воспроизвести функцию дикого типа за счет снижения эффективности NMD, облегчения чтения преждевременного стоп-кодона во время трансляции или редактирования геномной нонсенс-мутации. [17]

Антисмысловые олигонуклеотиды для подавления экспрессии NMD и белков терминации трансляции исследуются на животных моделях заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями. [17] [18] Другие исследуемые РНК-терапевтические средства включают синтетические тРНК-супрессоры, которые позволяют рибосомам вставлять аминокислоту вместо того, чтобы инициировать обрыв цепи, при обнаружении преждевременных стоп-кодонов. [17]

Одиночные нуклеотидные замены на основе CRISPR-Cas9 использовались для создания кодонов аминокислот из стоп-кодонов, что позволило добиться успеха редактирования в клеточных культурах в 10%. [19]

Чтение было достигнуто с использованием низкомолекулярных препаратов, таких как аминогликозиды и негамицин. [17] Оксадиазол , аталурен (ранее PTC124), облегчает избирательное считывание аберрантных стоп-кодонов, что делает его потенциальным терапевтическим средством против заболеваний, вызванных бессмысленными мутациями . [20] Аталурен, продаваемый под торговой маркой Трансларна, в настоящее время является одобренным средством лечения мышечной дистрофии Дюшенна в Европейской экономической зоне и Бразилии . [21] [22] Однако испытания III фазы Аталурена в качестве средства для лечения муковисцидоза не смогли достичь своих основных конечных результатов. [23] [24]

Смотрите также

Внешние ссылки и ссылки

  1. ^ abc Шарма, Джьоти; Килинг, Ким М.; Роу, Стивен М. (15 августа 2020 г.). «Фармакологические подходы к борьбе с нонсенс-мутациями муковисцидоза». Европейский журнал медицинской химии . 200 : 112436. doi : 10.1016/j.ejmech.2020.112436. ISSN  0223-5234. ПМЦ  7384597 . ПМИД  32512483.
  2. ^ abc Потапова, Надежда А. (01 мая 2022 г.). «Бессмысленные мутации у эукариот». Биохимия (Москва) . 87 (5): 400–412. дои : 10.1134/S0006297922050029. ISSN  1608-3040. PMID  35790376. S2CID  248793651.
  3. ^ Баласубраманиан, Суганти; Фу, Яо; Паваше, Маюр; Макгилливрей, Патрик; Джин, Майк; Лю, Джереми; Карчевский, Конрад Дж.; Макартур, Дэниел Г.; Герштейн, Марк (29 августа 2017 г.). «Использование ALoFT для определения влияния предполагаемых вариантов потери функции в генах, кодирующих белки». Природные коммуникации . 8 (1): 382. Бибкод : 2017NatCo...8..382B. дои : 10.1038/s41467-017-00443-5. ISSN  2041-1723. ПМЦ 5575292 . ПМИД  28851873. 
  4. ^ аб Кларк, Дэвид П.; Паздерник, Нанетт Дж.; МакГи, Мишель Р. (2019), «Мутации и восстановление», Molecular Biology , Elsevier, стр. 832–879, doi : 10.1016/b978-0-12-813288-3.00026-4, ISBN 9780128132883, S2CID 239340633, retrieved 2022-12-02
  5. ^ a b c "Nonsense mutation correction in human diseases an approach for targeted medicine | WorldCat.org". www.worldcat.org. Retrieved 2022-12-02.
  6. ^ Guimbellot, Jennifer; Sharma, Jyoti; Rowe, Steven M. (November 2017). "Toward inclusive therapy with CFTR modulators: Progress and challenges". Pediatric Pulmonology. 52 (Suppl 48): S4–S14. doi:10.1002/ppul.23773. ISSN 8755-6863. PMC 6208153. PMID 28881097.
  7. ^ Benhabiles, Hana; Jia, Jieshuang; Lejeune, Fabrice (2016-01-01), Benhabiles, Hana; Jia, Jieshuang; Lejeune, Fabrice (eds.), "Chapter 2 - Pathologies Susceptible to be Targeted for Nonsense Mutation Therapies", Nonsense Mutation Correction in Human Diseases, Boston: Academic Press, pp. 77–105, ISBN 978-0-12-804468-1, retrieved 2022-12-02
  8. ^ a b c d e f Editors, B. D. (2018-08-26). "Nonsense Mutation - Definition, Example, Outcomes". Biology Dictionary. Retrieved 2022-12-02. {{cite web}}: |last= has generic name (help)
  9. ^ Murgola, Emanuel J. (December 1985). "tRNA, SUPPRESSION, AND THE CODE". Annual Review of Genetics. 19 (1): 57–80. doi:10.1146/annurev.ge.19.120185.000421. ISSN 0066-4197. PMID 2417544.
  10. ^ References for the image are found in Wikimedia Commons page at: Commons:File:Notable mutations.svg#References.
  11. ^ a b c d e Mort, Matthew; Ivanov, Dobril; Cooper, David N.; Chuzhanova, Nadia A. (August 2008). "A meta-analysis of nonsense mutations causing human genetic disease". Human Mutation. 29 (8): 1037–1047. doi:10.1002/humu.20763. PMID 18454449. S2CID 205918343.
  12. ^ Isken, Olaf; Maquat, Lynne E. (2007-08-01). "Quality control of eukaryotic mRNA: safeguarding cells from abnormal mRNA function". Genes & Development. 21 (15): 1833–1856. doi:10.1101/gad.1566807. ISSN 0890-9369. PMID 17671086.
  13. ^ Khajavi, Mehrdad; Inoue, Ken; Lupski, James R. (October 2006). "Nonsense-mediated mRNA decay modulates clinical outcome of genetic disease". European Journal of Human Genetics. 14 (10): 1074–1081. doi:10.1038/sj.ejhg.5201649. ISSN 1476-5438. PMID 16757948. S2CID 3450423.
  14. ^ a b Keeling, Kim M.; Du, Ming; Bedwell, David M. (2013). Therapies of Nonsense-Associated Diseases. Landes Bioscience.
  15. ^ a b c d Shintani, M; Yagi, H; Nakayama, T; Saji, T; Matsuoka, R (2009-05-01). "A new nonsense mutation of SMAD8 associated with pulmonary arterial hypertension". Journal of Medical Genetics. 46 (5): 331–337. doi:10.1136/jmg.2008.062703. ISSN 0022-2593. PMID 19211612. S2CID 44932041.
  16. ^ a b c d e Styrkarsdottir, Unnur; Thorleifsson, Gudmar; Sulem, Patrick; Gudbjartsson, Daniel F.; Sigurdsson, Asgeir; Jonasdottir, Aslaug; Jonasdottir, Adalbjorg; Oddsson, Asmundur; Helgason, Agnar; Magnusson, Olafur T.; Walters, G. Bragi; Frigge, Michael L.; Helgadottir, Hafdis T.; Johannsdottir, Hrefna; Bergsteinsdottir, Kristin (2013-05-23). "Nonsense mutation in the LGR4 gene is associated with several human diseases and other traits". Nature. 497 (7450): 517–520. Bibcode:2013Natur.497..517S. doi:10.1038/nature12124. ISSN 0028-0836. PMID 23644456. S2CID 205233843.
  17. ^ a b c d Morais, Pedro; Adachi, Hironori; Yu, Yi-Tao (2020-06-20). "Suppression of Nonsense Mutations by New Emerging Technologies". International Journal of Molecular Sciences. 21 (12): 4394. doi:10.3390/ijms21124394. ISSN 1422-0067. PMC 7352488. PMID 32575694.
  18. ^ Huang, Lulu; Aghajan, Mariam; Quesenberry, Tianna; Low, Audrey; Murray, Susan F.; Monia, Brett P.; Guo, Shuling (August 2019). "Targeting Translation Termination Machinery with Antisense Oligonucleotides for Diseases Caused by Nonsense Mutations". Nucleic Acid Therapeutics. 29 (4): 175–186. doi:10.1089/nat.2019.0779. ISSN 2159-3345. PMC 6686700. PMID 31070517.
  19. ^ Lee, Choongil; Hyun Jo, Dong; Hwang, Gue-Ho; Yu, Jihyeon; Kim, Jin Hyoung; Park, Se-eun; Kim, Jin-Soo; Kim, Jeong Hun; Bae, Sangsu (2019-08-07). "CRISPR-Pass: Gene Rescue of Nonsense Mutations Using Adenine Base Editors". Molecular Therapy. 27 (8): 1364–1371. doi:10.1016/j.ymthe.2019.05.013. ISSN 1525-0016. PMC 6698196. PMID 31164261.
  20. ^ Welch, Ellen M.; Barton, Elisabeth R.; Zhuo, Jin; Tomizawa, Yuki; Friesen, Westley J.; Trifillis, Panayiota; Paushkin, Sergey; Patel, Meenal; Trotta, Christopher R.; Hwang, Seongwoo; Wilde, Richard G.; Karp, Gary; Takasugi, James; Chen, Guangming; Jones, Stephen (2007-05-03). "PTC124 targets genetic disorders caused by nonsense mutations". Nature. 447 (7140): 87–91. Bibcode:2007Natur.447...87W. doi:10.1038/nature05756. ISSN 1476-4687. PMID 17450125. S2CID 4423529.
  21. ^ "PTC Therapeutics". PTC Therapeutics | Measured by Moments. Retrieved 2022-12-01.
  22. ^ "ANVISA approves PTC Translarna indication expansion to ambulatory children". Pharmaceutical Technology. 2021-10-26. Retrieved 2022-12-01.
  23. ^ Kerem, Eitan; Konstan, Michael W; De Boeck, Kris; Accurso, Frank J; Sermet-Gaudelus, Isabelle; Wilschanski, Michael; Elborn, J Stuart; Melotti, Paola; Bronsveld, Inez (2014-07-01). "Ataluren for the treatment of nonsense-mutation cystic fibrosis: a randomised, double-blind, placebo-controlled phase 3 trial". The Lancet Respiratory Medicine. 2 (7): 539–547. doi:10.1016/S2213-2600(14)70100-6. PMC 4154311. PMID 24836205.
  24. ^ Konstan, M. W.; VanDevanter, D. R.; Rowe, S. M.; Wilschanski, M.; Kerem, E.; Sermet-Gaudelus, I.; DiMango, E.; Melotti, P.; McIntosh, J.; De Boeck, K.; ACT CF Study Group (July 2020). "Efficacy and safety of ataluren in patients with nonsense-mutation cystic fibrosis not receiving chronic inhaled aminoglycosides: The international, randomized, double-blind, placebo-controlled Ataluren Confirmatory Trial in Cystic Fibrosis (ACT CF)". Journal of Cystic Fibrosis. 19 (4): 595–601. doi:10.1016/j.jcf.2020.01.007. ISSN 1873-5010. PMC 9167581. PMID 31983658.

External links