Введение

Замена, вставка или удаление одного нуклеотида ДНК или РНК. Точечная мутация – это генетическая мутация, при которой происходит изменение, вставка или удаление одной нуклеотидной основы в последовательности ДНК или РНК генома организма. Точечные мутации оказывают различное влияние на образующийся белок, и последствия этих мутаций в значительной степени предсказуемы, исходя из их специфики. Эти последствия могут варьироваться от отсутствия эффекта (например, синонимичные мутации) до негативных эффектов (например, мутации со сдвигом рамки считывания) в отношении производства, состава и функции белка.

Причины

Точечные мутации обычно происходят во время репликации ДНК. Репликация ДНК происходит, когда одна двуцепочечная молекула ДНК создает две одноцепочечные нити ДНК, каждая из которых служит матрицей для синтеза комплементарной нити. Одиночная точечная мутация может изменить всю последовательность ДНК. Замена одного пурина или пиримидина может привести к изменению аминокислоты, кодируемой нуклеотидами. Точечные мутации могут возникать в результате спонтанных мутаций, происходящих во время репликации ДНК. Скорость мутаций может быть увеличена мутагенами. Мутагены могут быть физическими, такими как излучение ультрафиолетовых, рентгеновских лучей или экстремального тепла, или химическими (молекулы, вызывающие неправильное спаривание оснований или нарушение спиральной структуры ДНК). Мутагены, связанные с раком, часто изучаются для понимания механизмов развития рака и его профилактики. Существует несколько механизмов возникновения точечных мутаций. Во-первых, ультрафиолетовый (УФ) свет и излучение с более высокой частотой обладают ионизирующим действием, которое может воздействовать на ДНК. Реактивные молекулы кислорода, содержащие свободные радикалы – побочный продукт клеточного метаболизма – также могут наносить серьезный вред ДНК, вызывая одно- и двуцепочечные разрывы. Во-вторых, химические связи в ДНК со временем разрушаются, что создает дополнительную проблему для поддержания целостности ДНК на высоком уровне. Наконец, ошибки репликации могут приводить к заменам, вставкам или делециям мутаций.

Категоризация перехода/перехода

В 1959 году Эрнст Фризе ввел термины "переходы" или "трансверсии" для классификации различных типов точечных мутаций. Переходы – это замена одного пуринового основания на другое или замена одного пиримидинового основания на другое. Трансверсии – это замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот. Существует систематическая разница в частотах мутаций для переходов (Альфа) и трансверсий (Бета). Переходы встречаются примерно в десять раз чаще, чем трансверсии.

Функциональная классификация

Бессмысленные мутации включают в себя появление стоп-кодона и потерю стартового кодона. Стоп-гайн – это мутация, приводящая к образованию преждевременного стоп-кодона (приобретению стопа), который сигнализирует об окончании трансляции. Это прерывание вызывает аномальное укорочение белка. Количество потерянных аминокислот определяет влияние на функциональность белка и то, будет ли он функционировать вообще. Оба эти примера являются примерами неконсервативной (миссенс-) мутации. Беззвучные мутации кодируют одну и ту же аминокислоту ("синонимическая замена"). Беззвучная мутация не влияет на функционирование белка. Может измениться один нуклеотид, но новый кодон определяет ту же аминокислоту, в результате чего получается белок без изменений. Этот тип изменения называется синонимической заменой, поскольку старый и новый кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту. Это возможно, потому что 64 кодона определяют только 20 аминокислот. Однако разные кодоны могут приводить к различным уровням экспрессии белка.

Общие последствия

Точечные мутации, возникающие в некодирующих последовательностях, чаще всего не имеют последствий, хотя исключения существуют. Если мутировавшая база находится в промоторной области гена, то экспрессия гена может измениться. Также, если мутация происходит в сайте сплайсинга интрона, это может нарушить правильный сплайсинг транскрибированной пре-мРНК. Изменяя всего одну аминокислоту, можно изменить весь пептид, а следовательно, и весь белок. Новый белок называется вариантом белка. Если исходный белок участвует в клеточном размножении, то эта точечная мутация может изменить весь процесс клеточного размножения в данном организме. Точечные мутации в зародышевой линии могут приводить к полезным и вредным признакам или заболеваниям. Это приводит к адаптациям, основанным на среде обитания организма. Благоприятная мутация может дать преимущество организму и привести к передаче этого признака из поколения в поколение, улучшая и принося пользу всей популяции. Научная теория эволюции в значительной степени 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 успешно развиваться и размножаться, тем самым передавая свои измененные гены следующему поколению. С другой стороны, вредные мутации могут приводить к гибели организма или снижению его способности к размножению, что известно как естественный отбор. Мутации могут иметь различные краткосрочные и долгосрочные последствия. Краткосрочные последствия могут включать остановку клеточного цикла на различных этапах. Например, кодон, кодирующий аминокислоту глицин, может быть изменен на стоп-кодон, что приведет к деформации белков и их неспособности выполнять свои функции. Поскольку мутации могут влиять на ДНК и, следовательно, на хроматин, они могут препятствовать митозу из-за отсутствия полной хромосомы. Проблемы также могут возникать в процессе транскрипции и репликации ДНК, что препятствует размножению клетки и приводит к ее гибели. Долгосрочные последствия могут заключаться в постоянном изменении хромосомы, что может привести к мутации. Эти мутации могут быть как полезными, так и вредными. Рак является примером их вредного воздействия. Другие эффекты точечных мутаций или однонуклеотидных полиморфизмов в ДНК зависят от местоположения мутации в гене. Например, если мутация происходит в кодирующей области гена, то может измениться аминокислотная последовательность кодируемого белка, что приведет к изменению его функции, локализации, стабильности или стабильности белкового комплекса. Предложено множество методов для прогнозирования влияния мутаций на белки. Алгоритмы машинного обучения обучают свои модели различать известные мутации, связанные с заболеваниями, и нейтральные мутации, в то время как другие методы не обучают свои модели, но почти все используют эволюционную консервацию, предполагая, что изменения в консервативных позициях, как правило, более вредны. Хотя большинство методов обеспечивают бинарную классификацию эффектов мутаций на вредные и безвредные, необходим новый уровень аннотации, чтобы объяснить, почему и как эти мутации повреждают белки. Кроме 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 влиять на скорость и эффективность транскрипции генов, что, в свою очередь, может изменить уровни мРНК и, следовательно, уровни белка в целом. Точечные мутации могут оказывать различное влияние на поведение и размножение белка в зависимости от того, где мутация происходит в аминокислотной последовательности белка. Если мутация происходит в кодирующей области гена, аминокислота может быть изменена. Это незначительное изменение последовательности аминокислот может привести к изменению функции, активации белка (то есть способа его связывания с данным ферментом), локализации белка внутри клетки или количества свободной энергии, хранящейся в белке. Если мутация происходит в области гена, где транскрипционный аппарат связывается с белком, мутация может повлиять на способ связывания факторов транскрипции с белком. Механизмы транскрипции связываются с белком посредством распознавания коротких нуклеотидных последовательностей. Мутация в этой области может изменить эти последовательности и, следовательно, изменить способ связывания факторов транскрипции с белком. Мутации в этой области могут влиять на эффективность транскрипции генов, которая контролирует уровни мРНК и общие уровни белка.

Рак

Точечные мутации в нескольких генах-супрессорах опухолей приводят к развитию рака. Например, точечные мутации в гене аденоматозного полипоза толстой кишки способствуют опухолеобразованию. Новый анализ, быстрый параллельный протеолиз (FASTpp), может помочь в быстром скрининге специфических дефектов стабильности у отдельных пациентов с раком.

Нейрофиброматоз

Нейрофиброматоз вызывается точечными мутациями в гене нейрофибромина 1 или гене нейрофибромина 2.

Серповидноклеточная анемия

Серповидноклеточная анемия вызвана точечной мутацией в β-глобиновой цепи гемоглобина, приводящей к замене гидрофильной аминокислоты глутаминовой кислоты на гидрофобную аминокислоту валин в шестой позиции. Ген β-глобина расположен на коротком плече хромосомы 11. Ассоциация двух нормальных α-глобиновых субъединиц с двумя мутантными β-глобиновыми субъединицами формирует гемоглобин S (HbS). В условиях низкого содержания кислорода (например, на большой высоте) отсутствие полярной аминокислоты в шестой позиции β-глобиновой цепи способствует нековалентной полимеризации (агрегации) гемоглобина, что деформирует эритроциты, придавая им серповидную форму и снижая их эластичность. Гемоглобин – это белок, содержащийся в эритроцитах и отвечающий за транспорт кислорода по организму. Белок гемоглобина состоит из двух субъединиц: бета-глобинов и альфа-глобинов. Бета-гемоглобин синтезируется на основе генетической информации гена HBB, или гена гемоглобина-бета, расположенного на хромосоме 11p15.5. Одиночная точечная мутация в этой полипептидной цепи, состоящей из 147 аминокислот, является причиной заболевания, известного как серповидноклеточная анемия. Серповидноклеточная анемия – это аутосомно-рецессивное заболевание, которое встречается у 1 из 500 афроамериканцев и является одним из наиболее распространенных заболеваний крови в Соединенных Штатах.

Повторно вызванная точечная мутация

В молекулярной биологии повторяющаяся индуцированная точечная мутация, или RIP, – это процесс, в ходе которого в ДНК накапливаются переходы мутаций G:C в A:T. Геномные данные свидетельствуют о том, что RIP происходит или происходил у различных грибов, а экспериментальные данные указывают на активность RIP у Neurospora crassa, Podospora anserina, Magnaporthe grisea, Leptosphaeria maculans, Gibberella zeae и Nectria haematococca. У Neurospora crassa последовательности, мутировавшие под действием RIP, часто метилируются de novo. Реп и Кистлер предположили, что наличие высокоповторяющихся регионов, содержащих транспозоны, может способствовать мутации резидентных эффекторных генов. Следовательно, предполагается, что присутствие эффекторных генов в таких регионах способствует их адаптации и диверсификации при воздействии сильного отбора. Поскольку мутации RIP традиционно наблюдаются в повторяющихся регионах, а не в уникальных, Фудаль и др. предположили, что «утечка» мутаций RIP может происходить на относительно небольшом расстоянии от подверженного воздействию RIP повтора. Действительно, это было показано на N. crassa, где утечка RIP была обнаружена в последовательностях с единственной копией на расстоянии не менее 930 п.н. от границы соседних дуплицированных последовательностей. Выяснение механизма обнаружения повторяющихся последовательностей, приводящего к RIP, может помочь понять, как могут быть затронуты и фланкирующие последовательности.

Механизм

RIP вызывает G:C к A:T переходы мутаций в повторах, однако механизм, обнаруживающий повторяющиеся последовательности, неизвестен. RID – единственный известный белок, необходимый для функционирования RIP. Это белок, подобный ДНК-метилтрансферазе, мутация или нокаут которого приводит к потере RIP. Делеция гомолога rid в Aspergillus nidulans, dmtA, вызывает потерю плодовитости, а делеция гомолога rid в Ascobolus immersens, masc1, приводит к дефектам плодовитости и потере премейотического метилирования (MIP).

Последствия

Считается, что RIP возник как защитный механизм против транспозонов, которые, подобно паразитам, внедряются и размножаются в геноме. RIP вызывает множество миссенс- и нонсенс-мутаций в кодирующей последовательности. Эта гипермутация G-C в A-T в повторяющихся участках приводит к утрате функциональных генных продуктов этой последовательности (если таковые изначально присутствовали). Кроме того, многие нуклеотиды, содержащие цитозин, подвергаются метилированию, что снижает уровень транскрипции.

Использование в молекулярной биологии

Поскольку RIP настолько эффективен в обнаружении и мутировании повторов, биологи, изучающие грибы, часто используют его как инструмент для мутагенеза. Сначала в геном трансформируется вторая копия некодирующего гена. Затем гриб должен спариваться и пройти половой цикл для активации RIP-машинери. Даже из одного события оплодотворения получается множество различных мутаций в дублированном гене, позволяющих получить инактивированные аллели, как правило, из-за нонсенс-мутаций, а также аллели, содержащие миссенс-мутации.

История

Процесс клеточного размножения мейоза был открыт Оскаром Гертвигом в 1876 году. Митоз был открыт несколько лет спустя, в 1882 году, Вальтером Флеммингом. Гертвиг изучал морских ежей и заметил, что каждая яйцеклетка содержит одно ядро до оплодотворения и два ядра после. Это открытие доказало, что одна сперматозоидная клетка может оплодотворить яйцеклетку и, следовательно, подтвердило процесс мейоза. Герман Фоль продолжил исследования Гертвига, проверив эффект инъекции нескольких сперматозоидов в яйцеклетку, и обнаружил, что процесс не работает при использовании более чем одного сперматозоида. Флемминг начал свои исследования деления клеток в 1868 году. Изучение клеток становилось все более популярной темой в этот период. К 1873 году Шнайдер уже начал описывать этапы деления клеток. Флемминг углубил это описание в 1874 и 1875 годах, предоставив более подробное объяснение этих этапов. Он также не согласился с выводами Шнайдера о том, что ядро разделяется на палочковидные структуры, предположив, что ядро фактически разделяется на нити, которые затем расходятся. Флемминг пришел к выводу, что клетки реплицируются посредством деления клеток, а точнее – посредством митоза. Мэтью Меселсон и Франклин Сталь считаются первооткрывателями репликации ДНК. Уотсон и Крик признали, что структура ДНК указывает на наличие некоторого процесса репликации. Однако до работ Уотсона и Крика было проведено немного исследований в этой области ДНК. Ученые рассматривали все возможные методы определения процесса репликации ДНК, но ни один из них не увенчался успехом до работ Меселсона и Сталя. Меселсон и Сталь ввели тяжелый изотоп в часть ДНК и проследили его распределение. Благодаря этому эксперименту Меселсон и Сталь смогли доказать, что ДНК воспроизводится полуконсервативным способом.