Кіріспе

Кодонның сәйкестігін өзгертетін мутация Фрейм ауысуы (фреймдеу қатесі немесе оқу фреймінің ауысуы деп те аталады) – ДНК тізбегіндегі үшке бөлінбейтін нуклеотидтердің индельдері (қосылуы немесе жойылуы) салдарынан туындайтын генетикалық мутация. Ген экспрессиясының кодондық үштік табиғатына байланысты, қосылу немесе жойылу оқу фреймін (кодондардың топталуын) өзгерте алады, нәтижесінде бастапқыдан мүлдем өзгеше трансляция пайда болады. Мутация тізбектің басында болған сайын, ақуыздың өзгеруі де күшейе түседі. Фрейм ауысуы мутациясы бір нуклеотидтік полиморфизмнен өзгеше, онда нуклеотидтің орнына басқасы қойылса, ал мұнда енгізіледі немесе жойылады. Фрейм ауысуы мутациясы әдетте мутациядан кейін келетін кодондардың басқа аминқышқылдарды кодтауына себеп болады. Фрейм ауысуы мутациясы тізбекте кездесетін алғашқы тоқтату кодонын ("UAA", "UGA" немесе "UAG") да өзгертеді. Құралатын полипептид қалыптыдан тым қысқа немесе тым ұзын болуы мүмкін, және көбінесе функционалды болмайды. Фрейм ауысуы мутациялары Тай-Сакс ауруы сияқты ауыр генетикалық ауруларда кездеседі; олар кейбір қатерлі ісіктерге және туыстық гиперхолестеринемия түрлеріне қабылдануды арттырады; 1997 жылы фрейм ауысуы мутациясы ВИЧ ретровирусының инфекциясына қарсы тұрумен байланысты болды. Фрейм ауысуы мутациялары биологиялық жаңалықтың көзі ретінде қарастырылған, мысалы, нейлоназаның пайда болуы, бірақ бұл интерпретация даулы. Negoro және авторлардың (2006) жүргізген зерттеуі фрейм ауысуы мутациясының себеп болуы ықтимал емес екенін, ал ататек эстразаның активті орындағы екі аминқышқылының алмасуы нәтижесінде нейлоназа пайда болғанын көрсетті.

Өмірбаян

ДНҚ-дағы ақпарат барлық тірі организмдердің жасушаларындағы ақуыздардың жұмысын анықтайды. Транскрипция және трансляция осы ақпаратты ақуыздарды жасауға бағыттайды. Дегенмен, осы хабарламаны дұрыс оқымаған жағдайда, ақуыздың жұмысы бұзылып, тіпті жасуша түрлі түзету шараларын қолданғанның өзінде де ауру тудыруы мүмкін. Генетикалық ақпарат ДНК арқылы жасуша ішінде ақуыз синтезі үшін жеткізіледі. Бұрыс түсіндіру клеткалық түзету механизмдеріне қарамастан, қате жұмыс істеуге және ауруға алып келуі мүмкін.

Орталық догма

1956 жылы Фрэнсис Крик генетикалық ақпараттың ДНК-дан белгілі бір аминқышқылдарының тізбегін құру арқылы белок жасауға қатысты ағынын орталық догма деп сипаттады. Фрейм-сдвиг мутацияларының алдын алуға көмектесетін бірнеше биологиялық процестер бар. Кері мутациялар орын алып, мутацияланған тізбекті бастапқы жабайы типті тізбекке қайтарады. Мутацияларды түзетудің тағы бір жолы – супрессорлық мутацияны пайдалану. Бұл бастапқы мутацияның әсерін екінші мутацияны тудыру арқылы жояды, нәтижесінде тізбек дұрыс аминқышқылдарын оқуға мүмкіндік беретіндей өзгеріске ұшырайды. Транскрипциядан кейін мРНК-ға Уридинді қосу немесе жою үшін жетекші РНК-ны да қолдануға болады, бұл дұрыс оқу шеңберін қамтамасыз етеді. Кодондар – белоктерді синтездеу үшін генетикалық ақпаратты аударудың кілті. мРНК-ны аударған кезде оқу шеңбері орнатылады және келесі триплет оқылғанда сақталады. Генетикалық кодты оқу үш ережеге бағынады. Біріншіден, кодондар 5'–3' бағытында оқылады. Екіншіден, кодондар үстіне жатпайды және хабарламада ешқандай үзіліс болмайды. Жоғарыда айтылғандай, үшінші ереже хабарламаның тұрақты оқу шеңберімен аударылатынын көрсетеді.

Флуоресценция

Фрейм ауысуы мутацияларының жиілігін анықтау үшін көршілес негіздер мен екіншілік құрылымның әсері флуоресценция көмегімен терең зерттелді. Базалық аналогтар арқылы флуоресценттік таңбаланған ДНК, ДНК тізбегінің жергілікті өзгерістерін зерттеуге мүмкіндік береді. Праймерлік жіптің ұзындығына қатысты зерттеулер, үлгілік негіздер ілмек түзеген кезде, төрт гибридтелу конформациясының тепе-теңдік қоспасы байқалғанын көрсетті, яғни екі жағынан қос спиральды ДНК-мен шектелген құрылым. Керісінше, экструдияланған негіздер праймер-үлгі түйіспесіне орналасқанда, төменгі жағында ерекше жиналмаған ДНК конформациясы бар екі ілмекті құрылым байқалды, бұл дұрыс емес орналасулардың көршілес ДНК екіншілік құрылымымен өзгертілуі мүмкін екенін көрсетеді.

Тізбелеу

Сангерлік секвенирлеу және пиросеквенирлеу – фрейм-шифт мутацияларын анықтау үшін қолданылатын екі әдіс, бірақ алынған деректердің сапасы жоғары болмауы мүмкін. Дегенмен, Сангерлік секвенирлеу арқылы 1.96 миллион индель анықталды, олар басқа дерекқорлармен сәйкес келмейді. Фрейм-шифт мутациясы байқалғанда, оның зиянды әсерін анықтау үшін ол Адам геномдық мутациялар дерекқорымен (HGMD) салыстырылады. Бұл төрт белгіні қарастыру арқылы жасалады. Біріншіден, зақымдалған және сақталған ДНҚ арасындағы қатынас, екіншіден, транскрипке қатысты мутацияның орналасуы, үшіншіден, сақталған және зақымдалған аминқышқылдарының қатынасы және соңында инделдің экзон ұшынан қашықтығы. Әртүрлі карциномаларды тексеру кезінде қолданылатын қазіргі әдістер бір уақытта тек бір генді қарастыруға мүмкіндік береді. Массивті параллельді секвенирлеу бірнеше арнайы тесттерге қарағанда, бірден қатерлі ісіктерге себеп болатын әртүрлі мутацияларды тексеруге мүмкіндік береді. Бұл жаңа секвенирлеу әдісінің дәлдігін анықтау мақсатында жүргізілген тәжірибеде 21 ген тексерілді және фрейм-шифт мутациялары бойынша жалған оң нәтижелер табылмады.

Диагностика

1999 жылы Лиувеннің АҚШ патенты (5 958 684) кадрлық ығысу мутациясын тудыратын соматикалық мутацияға ие генге байланысты немесе оның салдарынан туындаған ауруларды диагностикалау әдістері мен реагенттерін толық сипаттайды. Әдістерге тіндік немесе сұйық үлгіні алу және кадрлық ығысу мутациясын немесе осы типтегі мутациядан алынған белокты анықтау үшін гендік талдау жүргізу кіреді. Күдікті геннің нуклеотидтік тізбегі жарияланған гендік тізбектерден немесе күдікті генді клондау және тізбектеу арқылы алынады. Содан кейін геннің кодтайтын аминқышқылдарының тізбегі болжанады. NA тізбектеуі: ДНК-ны тікелей тізбектеу және енгізілімдерді немесе жойылуларды анықтау үшін Сангер тізбектеуі немесе Жаңа Буын Тізбектеу (NGS) қолданылуы мүмкін. Полимераза тізбектік реакциясы (ПТР): ПТР мутацияны қамтитын нақты аймақты кейін талдау үшін күшейту үшін қолданылуы мүмкін. Көптеген лигацияға тәуелді зондты күшейту (MLPA): MLPA – көшірме санының өзгеруін және кішігірім енгізілімдерді немесе жойылуларды анықтау үшін қолданылатын әдіс. Салыстырмалы геномдық гибридтеу (СГГ): СГГ хромосомалық тепе-теңсіздіктерді анықтау үшін қолданылады, олар үлкен енгізілімдерді немесе жойылуларды қамтуы мүмкін.

Жиілігі

Генетикалық кодты реттейтін ережелерге және ДНК көшірілу процесінде, сондай-ақ ақуыз синтезі кезінде генетикалық ақпараттың дұрыс берілуін қамтамасыз ететін жасушадағы түрлі механизмдерге қарамастан, мутациялар орын алады; фрейм-шифт мутациясы – жалғыз түрі емес. Белгілі нүктелік мутацияның кем дегенде екі түрі бар, атап айтқанда, мағына өзгертетін мутация және тоқтау мутациясы. Фрейм-шифт мутациялары ДНК-ның қайталама аймақтарында жиірек кездеседі. Бұның себебі полимераза ферментінің қайталама аймақтарда жылғаюына байланысты, бұл мутациялардың тізбекке енуіне жағдай жасайды. Фрейм-шифт мутациясының жиілігін анықтау үшін, белгілі бір мөлшердегі нуклеотидтерді қосу немесе алып тастау арқылы тәжірибелер жүргізуге болады. Эмори университетінің ғалымдары негіз жұптарын қосу және алып тастау арқылы мутация жиілігінің айырмашылығын зерттеді. Негіз жұптарын қосу мен алып тастау жиілігі арасында ешқандай айырмашылық жоқ екені көрсетілді. Дегенмен, ақуыздың нәтижесіндегі әсері әртүрлі болады.

Аурулар

Бірнеше аурудың себебінің кем дегенде бір бөлігі кадрлық ауысу мутациялары болып табылады. Таралған мутацияларды білу ауруды диагностикалауға да көмектеседі. Қазіргі уақытта аминқышқылдарының оқу тізбегін өзгерту арқылы ауруларды емдеуде кадрлық ауысу мутацияларын тиімді пайдалануға бағытталған зерттеулер жүргізілуде.

Қатерлі ісік

Фрейм-ауытқулық мутациялар колоректальдық қатерлі ісікке, сондай-ақ микросаттелиттерде тұрақсыздық болатын басқа да қатерлі ісік түрлеріне әсер ететін фактор ретінде белгілі. Бұрын айтылғандай, фрейм-ауысу мутациялары қайталама тізбектер жиі кездесетін аймақта көбірек пайда болады. ДНҚ-ның сәйкессіздіктерін жөндеу жүйесі негіздердің қосылуын немесе жойылуын түзетпесе, мұндай мутациялар патогенді болу ықтималдығы артады. Бұл, ісік өсуін тоқтату сигналы берілмеуіне байланысты болуы мүмкін. Ашытқы және бактерияларда жүргізілген тәжірибелер микросаттелиттердің ДНҚ-ның бұзылуын жөндеуге әсер ететін қасиеттерін көрсетуге көмектеседі. Оларға микросаттелиттің ұзындығы, генетикалық материалдың құрамы және қайталанудың тазалығы жатады. Эксперименттік нәтижелерге сәйкес, ұзын микросаттелиттерде фрейм-ауытқулық мутациялардың деңгейі жоғары. Фланкілік ДНҚ да фрейм-ауытқулық мутацияларға ықпал етуі мүмкін. Простата қатерлі ісігінде фрейм-ауытқулық мутация ашық оқу фреймін (ORF) өзгертеді және апоптоз процесінің жүзеге асуына кедерес жасайды. Бұл ісіктің бақытсыз өсуіне алып келеді. Простата қатерлі ісігінің дамуына сыртқы факторлар әсер еткенімен, генетикалық компонент те бар. Мутацияларды анықтау үшін кодтау аймақтарын тексеру кезінде 116 генетикалық вариант, оның ішінде 61 фрейм-ауытқулық мутация анықталды. BRCA1 генінде 500-ден астам мутация бар, олар сүт және жұмыртқа безі қатерлі ісігінің дамуында маңызды рөл атқарады, олардың көпшілігі фрейм-ауытқулық мутациялар болып табылады.

Крон ауруы

Крон ауруы NOD2 генімен байланысты. Мутация 3020-орында цитозиннің қосылуы болып табылады. Бұл мерзімінен бұрын тоқтау кодонына алып келеді, нәтижесінде транскрипциялануға тиіс белок қысқарады. Егер белок қалыпты түзілсе, ол бактериялық липосахаридтерге жауап береді, бірақ 3020insC мутациясы белоктың жауап беру қабілетін жояды.

Цистикалық фиброз

Цистикалық фиброз (ЦФ) – ЦФ трансмембраналық өткізгіштігін реттеуші (CFTR) генінің мутацияларына негізделген ауру. 1500-ден астам мутация анықталған, бірақ олардың бәрі де ауруды тудырмайды. Цистикалық фиброздың көптеген жағдайлары ∆F508 мутациясының салдарынан болады, ол бір толық аминқышқылын жояды. ЦФ диагностикасында CF1213delT және CF1154 insTC екі фрейм-сдвиг мутациясы маңызды. Бұл екі мутация да көбінесе кем дегенде бір басқа мутациямен бірге кездеседі. Олардың екеуі де өкпе функциясының шамалы төмендеуіне алып келеді және тексерілген пациенттердің шамамен 1%-ында табылады. Бұл мутациялар Сангер секвенирлеу арқылы анықталды.

АИТВ

CCR5 – ВИЧ-қа байланысты жасушаға енуге көмектесетін кофакторлардың бірі, көбінесе синцитийді тудырмайтын штаммдармен байланысты, және ВИЧ жұққан науқастарда, ЖИТС жұққан науқастарға қарағанда анық байқалады. CCR5-тегі 32 базалық жұптың жойылуы ВИЧ инфекциясының пайда болу мүмкіндігін жоққа шығаратын мутация ретінде анықталды. Ашық оқу фрейміндегі (ORF) бұл аймақта фреймге қателік тудыратын мутация бар, ол ертерек тоқтату кодонына алып келеді. Бұл жасуша ішінде (in vitro) ВИЧ-қа қарсы рецептор функциясының жоғалуына себеп болады. CCR5 1 – жабайы тип, ал CCR5 2 – мутантты аллель деп есептеледі. CCR5 бойынша гетерозиготалық мутациясы бар адамдар ВИЧ дамуына аз бейімделген. Бір зерттеуде, ВИЧ вирусына көп ұшырағандарына қарамастан, CCR5 мутациясы бойынша гомозиготалық нәтиже берген ешкім табылған жоқ. β-гексозаминдаза А (Hex A) геніндегі мутациялар Тай-Сакс ауруының пайда болуына әсер ететіні белгілі, олардың 78-і әртүрлі типтегі мутациялар ретінде сипатталған, оның 67-сі ауруды тудырады. Байқалған мутациялардың көпшілігі (65/78) – бір базалық алмастырулар немесе СНП, 11 жойылу, 1 үлкен және 10 кішкентай, ал 2 ену. Байқалған мутациялардың 8-і фреймге қателік тудырады, 6-сы жойылу, ал 2-сі ену. 11-экзонға 4 базалық жұптың енуі Ашкенази еврей халқының 80%-ында Тай-Сакс ауруының болуында байқалады. Фреймге қателік тудыратын мутациялар нәрестелердегі аурудың дамуына себеп болатын ертерек тоқтату кодонына алып келеді. Аурудың кешіккен басталуы 4 түрлі мутацияға байланысты, олардың бірі – 3 базалық жұптың жойылуы.

Смит-Магнес синдромы

Смит-Магнес синдромы (СМС) – зиякерлік қабілеттердің төмендеуі, ұйқы бұзылыстары, мінез-құлық проблемалары және әртүрлі бас-бет, қаңқа және ішкі органдар аномалияларын қамтитын күрделі синдром. СМС жағдайларының көпшілігі ретино қышқылымен индукцияланған 1 (RAI1) генін қамтитын шамамен 3,5 Мб ортақ жойылуға ұшырайды. Басқа жағдайларда RAI1 мутациясы үшін бұрын көрсетілмеген СМС фенотипінің өзгеруі байқалады, оның ішінде есту қабілетінің жоғалтылуы, өзін-өзі зиян келтіру әрекеттерінің болмауы және жеңіл дамудан қалу. RAI1 тізбегін зерттеу нәтижесінде 3-экзондағы гептамерлік C тізбегінде (CCCCCCC) фрейм-шифт мутациялары анықталды. RAI1-де поли-C тізбектерінде кездесетін жеті фрейм-шифт мутациясының төртеуі (~57%) осы гептамерлік C тізбегінде кездеседі. Нәтижелер осы гептамерлік C тізбегінің рекомбинациялық белсенді нүкте (SNindels) болып табылатынын және демек, RAI1 мутациясына күдік тудыратын пациенттерді талдаудың басты мақсаты екенін көрсетеді.

Гипертрофиялық кардиомиопатия

Гипертрофиялық кардиомиопатия - жас адамдарда, оның ішінде жаттығумен айналысатын спортшылар арасында кенеттен өлімнің ең көп кездесетін себебі, және ол жүрек саркомерінің белоктарын кодтаушы гендердегі мутациялардың салдарынан туындайды. Тропонин С генінің (TNNC1) мутациялары гипертрофиялық кардиомиопатияның сирек кездесетін генетикалық себебі болып табылады. Жақында жүргізілген зерттеуде Тропонин С-дегі сдвиг мутациясы (c.363dupG немесе p. Gln122AlafsX30) 19 жастағы ер адамда гипертрофиялық кардиомиопатияға (және кенеттен жүрек тоқтауына) себеп болды.

Емдеу

Фрейм-сдвиг мутацияларынан туындаған ауруларды емдеудің жолы сирек табылады. Осы мәселе бойынша зерттеулер жалғасуда. Мысалы, біріншілік иммунодефицит (ПИД) – инфекциялардың көбеюіне алып келетін тұқым қуалайтын жағдай. Негізгі иммунодефициттерде 120 ген және 150 мутация рөл атқарады. Қазіргі стандартты емдеу – гендік терапия, бірақ бұл өте тәуекелді емдеу және көбінесе лейкемия сияқты басқа ауруларға әкелуі мүмкін. Гендік терапия процедураларына мырыш саусақты нуклеазаның біріктірілген ақуызын модификациялау, мутацияның екі шетін де кесу, нәтижесінде оны тізбектен жою кіреді. Дюшеннің бұлшықет дистрофиясы үшін тағы бір мүмкіндік – антисенс олигонуклеотидтер арқылы экзонды өткізіп жіберу. Бұл процесс мутацияны айналып өтуге мүмкіндік береді, соның салдарынан тізбектің қалған бөлігі дұрыс фреймде қалады және белоктың функциясы сақталады. Дегенмен, бұл ауруды толығымен емдемейді, тек симптомдарды басады және құрылымдық белоктар немесе басқа қайталанатын гендер үшін ғана қолданылуы мүмкін. Жөндеудің үшінші түрі – кері мозаицизм, ол кері мутацияны жасау арқылы немесе оқу фреймін түзететін екінші сайтта мутацияны тудыру арқылы табиғи түрде пайда болады. Бұл кері қайтару интрагендік рекомбинация, митоздық геннің конверсиясы, екінші сайтта ДНК-ның жылғаюы немесе сайтқа тән кері қайтару арқылы жүзеге асуы мүмкін. Бұл Х-хромосомаға байланысты ауыр біріктірілген иммунодефицит (SCID), Вискотт-Олдрих синдромы және Блум синдромы сияқты бірнеше ауруларда мүмкін. ПИД-ке көмектесетін дәрілер немесе басқа фармакогеномдық әдістер жоқ. 2003 жылы Борк еуропалық патент (EP1369126A1) тіркеді, ол ДНК сәйкессіздігін жөндеуде кемшіліктері бар (MMR) спорадикалық ісіктер және HNPCC-мен байланысты ісіктер сияқты қатерлі ісіктердің алдын алу және емдеу үшін қолданылатын әдіс. Идеясы – ісікке тән фрейм-сдвиг мутациясынан алынған пептидтердің комбинациялық қоспаларымен иммунотерапияны қолдану, бұл ісік клеткаларына қарсы бағытталған цитотоксикалық Т-жасуша жауабын тудырады.