Определение мутации сдвига кадров
Мутации сдвига кадров – это вставки или делеции в геноме, которые не кратны трем нуклеотидам. Они представляют собой подмножество инсерционных (делеционных) мутаций, которые специфически обнаруживаются в кодирующей последовательности полипептидов. Здесь количество нуклеотидов, которые добавляются или удаляются из кодирующей последовательности, не кратно трем. Они могут возникнуть в результате чрезвычайно простых мутаций, таких как добавление или удаление одного нуклеотид.
Мутации смены кадров не включают замены, когда нуклеотид заменяет другой. В мутациях замещения полипептид изменяется только одной аминокислотой. Мутации смены кадров также не включают индилы в некодирующих или регуляторных областях генома, потому что эти мутации не оказывают прямого влияния на аминокислотную последовательность, хотя регуляция белка может измениться.
Эффекты мутаций сдвига кадров
Мутации смены кадров являются одними из самых вредных изменений в кодирующей последовательности белка. Они чрезвычайно вероятно могут привести к крупномасштабным изменениям длины полипептида и химического состава, что приводит к нефункциональному белку, который часто нарушает биохимические процессы клетка, Мутации смены кадров могут привести к преждевременному перевод из мРНК а также образование удлиненного полипептида.
Последовательности аминокислот после сдвига кадров мутация также могут быть химически отличными от исходной последовательности. Например, если мутация сдвига рамки происходит в интегральном трансмембранном белке, это может значительно изменить протяженность гидрофобный остатки, которые охватывают липидный бислой делая невозможным присутствие белка в его субклеточном положении. Когда такие ошибки происходят, клетка часто воспринимает недостаток функционального белка и пытается компенсировать ее путем усиления экспрессии мутированного ген, Это может даже нарушить механизм трансляции клетки, привести к большому количеству неправильно свернутых белков, что в конечном итоге может привести к широкомасштабному нарушению всех функций даже гибели клеток.
Заболевания, вызванные мутациями сдвига кадров в генах, включают болезнь Крона, муковисцидоз и некоторые формы рака. С другой стороны, когда некоторые белки становятся нефункциональными, они могут оказывать защитное действие, что видно по устойчивости к ВИЧ у людей с хемокином. рецептор ген (CCR5), содержащий мутацию сдвига рамки.
Поскольку мутации сдвига кадров обычно являются изменениями генетического материала в каждой клетке, редко можно найти лекарство. Большинство вмешательств являются паллиативными.
Генетический код
Основной причиной наличия мутаций сдвига кадров является механизм трансляции генетической информации в аминокислотные последовательности через триплет генетический код, Это означает, что каждый набор из трех нуклеотидов в мРНК представляет собой либо аминокислоту, либо инструкцию прекратить трансляцию.
Открытие генетического кода
Первоначальные эксперименты Менделя по передаче генетических признаков указывали на дискретную физическую и химическую сущность, которая несла генетическую информацию. На основании общего биохимического анализа клеток были обнаружены четыре основных компонента – углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, Любой из этих компонентов может представлять генетический материал.
Первоначальные исследования химической природы генома предположили, что белки, с 20 аминокислоты, скорее всего, несут факторы или гены Менделя. Однако более поздние эксперименты показали, что нуклеиновые кислоты были носителями генетической информации. Это представляло интересную трудность. Хотя нуклеиновые кислоты были подвергнуты химическому анализу как полимеры, состоящие из 4 различных нуклеотидов, неясно, как информация о великолепном разнообразии форм и функций в организме может быть получена только из 4 нуклеотидов.
Триплет Кодон
Чуть позже центральная догма молекулярной биологии показала, что большинство организмов используют РНК в качестве промежуточного звена между ДНК и белками. Это подняло следующий вопрос о том, как четыре основания могли нести информацию, чтобы закодировать 20 аминокислот. Если каждый нуклеотид кодируется для одной аминокислоты, то только четыре аминокислоты могут быть надежно и воспроизводимо кодированы. Если бы каждые два нуклеотида кодировали аминокислоту, это все равно привело бы только к 16 аминокислотам. Поэтому для кодирования 20 аминокислот требовалось минимум три нуклеотида.
Возможны 64 перестановки из нуклеотидных триплетов, где каждая позиция в триплете может быть одним из 4 нуклеотидов. Эти нуклеотидные триплеты были названы кодонами. Это также породило идею избыточности – каждая аминокислота может быть представлена более чем одним триплетом кодонов. Некоторые эксперименты также показали, что кодоны были «прочитаны» механизмом перевода как дискретные куски из 3 оснований. То есть рибосомы «видят» эти кодоны как серию трехбуквенных слов. Например, если РНК молекула имеет последовательность AAAGGCAAG, то он может кодировать максимум 3 аминокислоты из 3 кодонов AAG, GGC и AAG.
Рибосома Транслокация
рибосома продвигается вперед на три основания после того, как каждая аминокислота присоединена к растущей полипептидной цепи. То, как движется рибосома, является важной причиной, по которой мутации сдвига рамки вредны и оказывают непропорциональное влияние на функцию белка. Например, если рибосома каждый раз перемещается только на одно основание, предыдущая мРНК, содержащая 9 нуклеотидов, может быть прочитана как AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA и AAG, что дает полипептид с 7 аминокислотами. Если транслокация рибосомы перемещает только одно основание за один раз, вставка одного нуклеотида приведет только к небольшому изменению аминокислотной последовательности и, возможно, вообще не изменится на длину полинуклеотида.
Рамки для чтения
В предыдущем примере полинуклеотидная цепь может кодировать максимум 3 аминокислоты. Однако, в зависимости от областей выше по течению, эластичные банки также дают только 2 аминокислоты. То есть, если рибосома сначала выравнивается с AAG или AGG вместо AAA, нуклеотидный полимер считывается другим способом. Таким образом, в зависимости от положения сайта начала трансляции, любая кодирующая последовательность может быть прочитана тремя различными способами. Поскольку большая часть ДНК состоит из комплементарных двойных цепей, это приводит к 6 различным «рамкам считывания», только одна из которых приводит к правильной аминокислотной последовательности для конечного белка.
Однако, когда есть мутация, происходит сдвиг в рамке считывания вниз по течению от мутации. Это приводит к мутации сдвига кадров.
Примеры мутации Frameshift
Изображение выше показывает последовательности нуклеотидов и аминокислот в белке дикого типа, а также результат вставки нуклеотидов, что приводит к включению неправильных аминокислот и преждевременному завершению синтеза полипептида. В то время как исходная мРНК имеет последовательность AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, вставка дополнительного остатка урацила в девятой позиции меняет рамку считывания. Вместо того, чтобы производить полипептид из 7 аминокислот, начиная с метионина и продолжая вплоть до пролина, он заканчивается после 4 аминокислот с неинкорпорированными остатками лейцина и аланина.
Изображение ниже показывает различные типы мутаций, которые могут серьезно повлиять на аминокислотную последовательность. Панель А показывает замену 2 оснований, что приводит к преждевременному стоп кодон, усекая белок. Панели B и D демонстрируют эффект либо вставки одного нуклеотида, либо делеции 4 нуклеотидов. В обоих случаях мутация сдвига рамки изменяет все последующие аминокислотные последовательности. Панель C представляет собой подмножество индилей, где 3 (или несколько из 3) нуклеотидов вставлены или удалены. Там нет мутации сдвига кадров. В этом конкретном типе мутаций число мутантных нуклеотидов довольно низкое, также может быть очень ограниченное влияние на функцию белка.
- A-сайт рибосомы – Рибосомный сайт, который в основном получает входящий тРНК заряженный с аминокислотным остатком. Пептидные связи образуются на А-сайте.
- радиоактивной – Также известный как маркировка радиоизотопом, это метод, используемый для обнаружения движения конкретной молекулы через химическую, биохимическую или клеточную систему, путем замены некоторых атомов в реагентах радиоактивными изотопами.
- Стоп кодоны – Нуклеотидные последовательности, особенно в мРНК, которые сигнализируют об окончании трансляции. UAA, UAG и UGA являются каноническими стоп-кодонами.
- Дикого типа – обычно встречающийся штамм, ген или характеристика, воспринимаемая как исходная форма фенотип,
викторина
1. Что из этого может привести к мутации сдвига кадров?A. Вставка 3 нуклеотидовB. Удаление 18 нуклеотидовC. Вставка 17 нуклеотидовD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 1
С верно. Вставка или удаление трех (или кратных 3) нуклеотидов не приводит к мутации смещения кадра. Это приводит только к присутствию (или отсутствию) некоторых аминокислот в полипептиде.
2. Как мутация сдвига рамки, вызванная одним нуклеотидом, может резко изменить длину полипептида?A. Изменение рамки чтения меняет положение сайта остановки переводаB. Вставка или делеция нуклеотида влияет на длину аминокислотыC. А-сайт рибосомы не может пройти дальше сайта мутацииD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
верно. Мутации смены кадров могут приводить к аномально длинному или преждевременно усеченному белку. Это зависит от нуклеотидной последовательности и типа вставки или делеции, которая произошла. Нет проблем с А-сайтом рибосомы, и присутствие одного дополнительного нуклеотида не увеличивает длину полипептида автоматически.
3. Почему мутации сдвига кадров относительно редки?A. В критических белках мутации сдвига рамки могут привести к нежизнеспособной беременностиB. Особенно быстро они восстанавливаются механизмами репарации ДНК клетки.C. Трудно вставить или удалить нуклеотид в отрезке ДНКD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
верно. Основная причина, по которой относительно небольшое количество заболеваний вызвано мутациями со сдвигом рамки, заключается в том, что большинство из них приводит к эмбриональной летальности. Механизмы репарации ДНК могут обнаружить эти мутации, и они очищены, но нет никакого предпочтения для удаления этих специфических повреждений ДНК. Во время репликации ДНК нетрудно ни вставить, ни удалить нуклеотид из участка ДНК.