Punktmutation
En punktmutation är en genetisk mutation där en enda nukleotidbas ändras, infogas eller raderas från en DNA- eller RNA -sekvens av en organisms genom. Punktmutationer har en mängd olika effekter på nedströms proteinprodukten - konsekvenser som är måttligt förutsägbara baserat på mutationens detaljer. Dessa konsekvenser kan sträcka sig från ingen effekt (t.ex. synonyma mutationer ) till skadliga effekter (t.ex. frameshift-mutationer ), med avseende på proteinproduktion, sammansättning och funktion.
Orsaker
Punktmutationer sker vanligtvis under DNA-replikation . DNA-replikation uppstår när en dubbelsträngad DNA-molekyl skapar två enkelsträngar av DNA, som var och en är en mall för skapandet av den komplementära strängen. En enda punktmutation kan förändra hela DNA-sekvensen. Att byta en purin eller pyrimidin kan förändra aminosyran som nukleotiderna kodar för.
Punktmutationer kan uppstå från spontana mutationer som uppstår under DNA-replikation . Mutationshastigheten kan ökas av mutagener . Mutagener kan vara fysiska, såsom strålning från UV-strålar , röntgenstrålar eller extrem värme, eller kemiska (molekyler som tar bort baspar eller stör den spiralformade DNA-formen). Mutagener associerade med cancer studeras ofta för att lära sig om cancer och dess förebyggande.
Det finns flera sätt för punktmutationer att uppstå. För det första ultraviolett (UV) ljus och högre frekvens ljus jonisera elektroner, vilket i sin tur kan påverka DNA. Reaktiva syremolekyler med fria radikaler, som är en biprodukt av cellulär metabolism, kan också vara mycket skadliga för DNA. Dessa reaktanter kan leda till både enkelsträngade DNA-brott och dubbelsträngade DNA-brott. För det tredje bryts bindningar i DNA så småningom ned, vilket skapar ytterligare ett problem för att hålla DNA:s integritet på en hög standard. Det kan också finnas replikationsfel som leder till substitution, infogning eller deletionsmutationer.
Kategorisering
Kategorisering av övergång/transversion
1959 myntade Ernst Freese termerna "övergångar" eller "transversioner" för att kategorisera olika typer av punktmutationer. Övergångar är ersättning av en purinbas med en annan purin eller ersättning av en pyrimidin med en annan pyrimidin. Transversioner är ersättning av en purin med en pyrimidin eller vice versa. Det finns en systematisk skillnad i mutationshastigheter för övergångar (Alfa) och transversioner (Beta). Övergångsmutationer är ungefär tio gånger vanligare än transversioner.
Funktionell kategorisering
Nonsensmutationer inkluderar stop-gain och start-loss. Stop-gain är en mutation som resulterar i ett för tidigt termineringskodon ( ett stopp uppnåddes ), vilket signalerar slutet på translationen. Detta avbrott gör att proteinet förkortas onormalt. Antalet förlorade aminosyror förmedlar påverkan på proteinets funktionalitet och om det kommer att fungera överhuvudtaget. Stop-loss är en mutation i det ursprungliga termineringskodonet ( ett stopp gick förlorat ), vilket resulterar i onormal förlängning av ett proteins karboxylterminal. Start-gain skapar ett AUG-startkodon uppströms om den ursprungliga startplatsen. Om den nya AUG är nära det ursprungliga startstället, i ram inom det bearbetade transkriptet och nedströms till ett ribosomalt bindningsställe, kan det användas för att initiera translation. Den troliga effekten är ytterligare aminosyror som läggs till aminoterminalen av det ursprungliga proteinet. Frame-shift mutationer är också möjliga i start-gain mutationer, men påverkar vanligtvis inte translation av det ursprungliga proteinet. Startförlust är en punktmutation i ett transkripts AUG-startkodon, vilket resulterar i minskning eller eliminering av proteinproduktion.
Missense-mutationer kodar för en annan aminosyra. En missense-mutation ändrar ett kodon så att ett annat protein skapas, en icke-synonym förändring. Konservativa mutationer resulterar i en aminosyraförändring. Emellertid förblir aminosyrans egenskaper desamma (t.ex. hydrofob, hydrofil, etc.). Ibland är en förändring till en aminosyra i proteinet inte skadlig för organismen som helhet. De flesta proteiner kan motstå en eller två punktmutationer innan deras funktion förändras. Icke-konservativa mutationer resulterar i en aminosyraförändring som har andra egenskaper än vildtypen . Proteinet kan förlora sin funktion, vilket kan resultera i en sjukdom i organismen. Till exempel sicklecellssjukdomen av en enda punktmutation (en missense-mutation) i beta- hemoglobingenen som omvandlar ett GAG- kodon till GUG, som kodar för aminosyran valin snarare än glutaminsyra . Proteinet kan också uppvisa en "vinst av funktion" eller aktiveras, vilket är fallet med mutationen som ändrar en valin till glutaminsyra i BRAF- genen ; detta leder till en aktivering av RAF-proteinet som orsakar obegränsad proliferativ signalering i cancerceller. Dessa är båda exempel på en icke-konservativ (missense) mutation.
Tysta mutationer kodar för samma aminosyra (en " synonym substitution") . En tyst mutation påverkar inte proteinets funktion . En enda nukleotid kan ändras, men det nya kodonet specificerar samma aminosyra, vilket resulterar i ett omuterat protein. Denna typ av förändring kallas synonym förändring eftersom det gamla och nya kodonet kodar för samma aminosyra. Detta är möjligt eftersom 64 kodon endast anger 20 aminosyror. Olika kodon kan dock leda till differentiella proteinuttrycksnivåer.
Insättningar och raderingar av enstaka baspar
används termen punktmutation för att beskriva insättningar eller deletioner av ett enda baspar (vilket har en mer negativ effekt på det syntetiserade proteinet på grund av att nukleotiderna fortfarande läses i tripletter, men i olika ramar: en mutation som kallas ramskifte mutation ).
Allmänna konsekvenser
Punktmutationer som förekommer i icke-kodande sekvenser är oftast utan konsekvenser, även om det finns undantag. Om det muterade basparet är i promotorsekvensen för en gen, kan uttrycket av genen förändras. Dessutom, om mutationen inträffar i splitsningsstället för ett intron , kan detta interferera med korrekt splitsning av det transkriberade pre-mRNA:t .
Genom att bara ändra en aminosyra kan hela peptiden förändras och därigenom förändra hela proteinet. Det nya proteinet kallas en proteinvariant. Om det ursprungliga proteinet fungerar i cellulär reproduktion kan denna enda punktmutation förändra hela processen för cellulär reproduktion för denna organism.
Mutationer i punktkönsceller kan leda till såväl fördelaktiga som skadliga egenskaper eller sjukdomar. Detta leder till anpassningar utifrån den miljö där organismen lever. En fördelaktig mutation kan skapa en fördel för den organismen och leda till att egenskapen överförs från generation till generation, vilket förbättrar och gynnar hela befolkningen. Den vetenskapliga evolutionsteorin är i hög grad beroende av punktmutationer i celler . Teorin förklarar mångfalden och historien för levande organismer på jorden. När det gäller punktmutationer står det att fördelaktiga mutationer gör att organismen kan frodas och föröka sig och därigenom föra sina positivt påverkade muterade gener vidare till nästa generation. Å andra sidan orsakar skadliga mutationer att organismen dör eller är mindre benägen att reproducera sig i ett fenomen som kallas naturligt urval .
Det finns olika kortsiktiga och långsiktiga effekter som kan uppstå från mutationer. Mindre skulle vara ett stopp av cellcykeln på många punkter. Detta innebär att ett kodon som kodar för aminosyran glycin kan ändras till ett stoppkodon, vilket gör att proteinerna som skulle ha producerats deformeras och inte kan utföra sina avsedda uppgifter. Eftersom mutationerna kan påverka DNA:t och därmed kromatinet , kan det hindra mitos från att uppstå på grund av bristen på en komplett kromosom. Problem kan också uppstå under processerna för transkription och replikering av DNA. Dessa förbjuder alla cellen från reproduktion och leder därmed till cellens död. Långtidseffekter kan vara en permanent förändring av en kromosom, vilket kan leda till en mutation. Dessa mutationer kan vara antingen fördelaktiga eller skadliga. Cancer är ett exempel på hur de kan vara skadliga.
Andra effekter av punktmutationer, eller enkelnukleotidpolymorfismer i DNA, beror på platsen för mutationen i genen. Till exempel, om mutationen inträffar i regionen av genen som är ansvarig för kodningen, kan aminosyrasekvensen för det kodade proteinet ändras, vilket orsakar en förändring i funktionen, proteinlokaliseringen, stabiliteten hos proteinet eller proteinkomplexet. Många metoder har föreslagits för att förutsäga effekterna av missense-mutationer på proteiner. Maskininlärningsalgoritmer tränar sina modeller för att skilja känd sjukdomsassocierad från neutrala mutationer medan andra metoder inte explicit tränar sina modeller, men nästan alla metoder utnyttjar den evolutionära bevarandet förutsatt att förändringar i konserverade positioner tenderar att vara mer skadliga. Medan majoriteten av metoderna ger en binär klassificering av effekterna av mutationer till skadliga och godartade, behövs en ny nivå av annotering för att ge en förklaring till varför och hur dessa mutationer skadar proteiner.
Dessutom, om mutationen inträffar i regionen av genen där transkriptionsmaskineriet binder till proteinet, kan mutationen påverka bindningen av transkriptionsfaktorerna eftersom de korta nukleotidsekvenserna som känns igen av transkriptionsfaktorerna kommer att förändras. Mutationer i denna region kan påverka effektiviteten av gentranskription, vilket i sin tur kan förändra nivåerna av mRNA och därmed proteinnivåerna i allmänhet.
Punktmutationer kan ha flera effekter på ett proteins beteende och reproduktion beroende på var mutationen sker i proteinets aminosyrasekvens. Om mutationen sker i den region av genen som är ansvarig för att koda för proteinet, kan aminosyran förändras. Denna lilla förändring i aminosyrornas sekvens kan orsaka en förändring i funktionen, aktivering av proteinet, vilket betyder hur det binder till ett givet enzym, var proteinet kommer att finnas i cellen, eller mängden fri energi som lagras i proteinet .
Om mutationen sker i den region av genen där transkriptionsmaskineriet binder till proteinet, kan mutationen påverka sättet på vilket transkriptionsfaktorer binder till proteinet. Transkriptionsmekanismerna binder till ett protein genom igenkänning av korta nukleotidsekvenser. En mutation i denna region kan förändra dessa sekvenser och därmed förändra hur transkriptionsfaktorerna binder till proteinet. Mutationer i denna region kan påverka effektiviteten av gentranskription, som kontrollerar både nivåerna av mRNA och övergripande proteinnivåer.
Specifika sjukdomar orsakade av punktmutationer
Cancer
Punktmutationer i flera tumörsuppressorproteiner orsakar cancer . Till exempel främjar punktmutationer i Adenomatous Polyposis Coli tumörbildning. En ny analys, Fast parallell proteolysis (FASTpp) , kan hjälpa till att snabbt screena specifika stabilitetsdefekter hos enskilda cancerpatienter.
Neurofibromatos
Neurofibromatos orsakas av punktmutationer i genen Neurofibromin 1 eller Neurofibromin 2 .
Sicklecellanemi
Sickle-cell anemi orsakas av en punktmutation i β-globinkedjan av hemoglobin, vilket gör att den hydrofila aminosyran glutaminsyra ersätts med den hydrofoba aminosyran valin i den sjätte positionen.
β-globingenen finns på den korta armen av kromosom 11. Associationen av två vildtyps-a-globinsubenheter med två mutanta β-globinsubenheter bildar hemoglobin S (HbS). Under förhållanden med låg syrehalt (till exempel på hög höjd), främjar frånvaron av en polär aminosyra vid position sex i β-globinkedjan den icke-kovalenta polymerisationen (aggregation) av hemoglobin, vilket förvränger röda blodkroppar till en skäran formar och minskar deras elasticitet.
Hemoglobin är ett protein som finns i röda blodkroppar och ansvarar för transporten av syre genom kroppen. Det finns två underenheter som utgör hemoglobinproteinet: beta-globiner och alfa-globiner . Beta-hemoglobin skapas från den genetiska informationen på HBB, eller "hemoglobin, beta"-genen som finns på kromosom 11p15.5. En enda punktmutation i denna polypeptidkedja, som är 147 aminosyror lång, resulterar i sjukdomen som kallas sicklecellanemi. Sickle-cell anemi är en autosomal recessiv sjukdom som drabbar 1 av 500 afroamerikaner och är en av de vanligaste blodsjukdomarna i USA. Den enda ersättningen av den sjätte aminosyran i beta-globinet, glutaminsyra, med valin resulterar i deformerade röda blodkroppar. Dessa skära-formade celler kan inte bära nästan lika mycket syre som vanliga röda blodkroppar och de fastnar lättare i kapillärerna, vilket avbryter blodtillförseln till vitala organ. Den enda nukleotidförändringen i beta-globinet gör att även de minsta ansträngningar från bärarens sida resulterar i svår smärta och till och med hjärtinfarkt. Nedan är ett diagram som visar de första tretton aminosyrorna i den normala och onormala sicklecellpolypeptidkedjan .
| AUG | GUG | CAC | CUG | ACU | CCU | G A G | GAG | AAG | UCU | GCC | GUU | ACU |
| START | Val | Hans | Leu | Thr | Proffs | Glu | Glu | Lys | Ser | Ala | Val | Thr |
| AUG | GUG | CAC | CUG | ACU | CCU | G U G | GAG | AAG | UCU | GCC | GUU | ACU |
| START | Val | Hans | Leu | Thr | Proffs | Val | Glu | Lys | Ser | Ala | Val | Thr |
Tay-Sachs sjukdom
Orsaken till Tay-Sachs sjukdom är en genetisk defekt som överförs från förälder till barn. Denna genetiska defekt finns i HEXA-genen, som finns på kromosom 15.
HEXA-genen är en del av ett enzym som kallas beta-hexosaminidas A, som spelar en avgörande roll i nervsystemet. Detta enzym hjälper till att bryta ner ett fettämne som kallas GM2-gangliosid i nervceller. Mutationer i HEXA-genen stör aktiviteten av beta-hexosaminidas A, vilket förhindrar nedbrytningen av fettämnena. Som ett resultat ackumuleras fettämnena till dödliga nivåer i hjärnan och ryggmärgen. Ansamlingen av GM2-gangliosid orsakar progressiv skada på nervcellerna. Detta är orsaken till tecknen och symtomen på Tay-Sachs sjukdom.
Upprepad punktmutation
Inom molekylärbiologi är upprepad punktmutation eller RIP en process genom vilken DNA ackumulerar G : C till A : T övergångsmutationer . Genomiska bevis tyder på att RIP förekommer eller har förekommit i en mängd olika svampar medan experimentella bevis tyder på att RIP är aktiv i Neurospora crassa, Podospora anserina , Magnaporthe grisea , Leptosphaeria maculans , Gibberella zeae och Nectria haematococca . I Neurospora crassa är sekvenser muterade av RIP ofta metylerade de novo .
RIP inträffar under det sexuella stadiet i haploida kärnor efter befruktning men före meiotisk DNA-replikation . I Neurospora crassa är upprepade sekvenser av minst 400 baspar långa sårbara för RIP . Upprepningar med så låg som 80 % nukleotididentitet kan också bli föremål för RIP. Även om den exakta mekanismen för upprepad igenkänning och mutagenes är dåligt förstådd, resulterar RIP i upprepade sekvenser som genomgår flera övergångsmutationer .
RIP-mutationerna verkar inte vara begränsade till upprepade sekvenser. I själva verket, till exempel, i den fytopatogena svampen L. maculans , finns RIP-mutationer i regioner med en kopia, intill de upprepade elementen. Dessa regioner är antingen icke-kodande regioner eller gener som kodar för små utsöndrade proteiner inklusive avirulensgener. Graden av RIP inom dessa enstaka kopior var proportionell mot deras närhet till repetitiva element.
Rep och Kistler har spekulerat i att närvaron av mycket repetitiva regioner som innehåller transposoner kan främja mutation av inhemska effektorgener. Så närvaron av effektorgener inom sådana regioner föreslås främja deras anpassning och diversifiering när de utsätts för starkt selektionstryck.
Eftersom RIP-mutation traditionellt observeras vara begränsad till repetitiva regioner och inte enstaka kopior, Fudal et al. föreslog att läckage av RIP-mutation kan inträffa inom ett relativt kort avstånd från en RIP-påverkad upprepning. Detta har faktiskt rapporterats i N. crassa , varvid läckage av RIP detekterades i enkelkopiasekvenser åtminstone 930 bp från gränsen för närliggande duplicerade sekvenser. För att belysa mekanismen för detektion av upprepade sekvenser som leder till RIP kan man förstå hur de flankerande sekvenserna också kan påverkas.
Mekanism
RIP orsakar G : C till A : T - övergångsmutationer inom upprepningar, men mekanismen som detekterar de upprepade sekvenserna är okänd. RID är det enda kända proteinet som är nödvändigt för RIP. Det är ett DNA-metyltransfereasliknande protein som när det muteras eller slås ut resulterar i förlust av RIP. Borttagning av den befriade homologen i Aspergillus nidulans , dmtA , resulterar i förlust av fertilitet medan deletion av den befriade homologen i Ascobolus immersens , masc1 , resulterar i fertilitetsdefekter och förlust av metylering inducerad premeiotiskt (MIP) .
Konsekvenser
RIP tros ha utvecklats som en försvarsmekanism mot transposerbara element , som liknar parasiter genom att invadera och föröka sig i genomet. RIP skapar flera missense- och nonsensmutationer i den kodande sekvensen. Denna hypermutation av GC till AT i repetitiva sekvenser eliminerar funktionella genprodukter av sekvensen (om det fanns några till att börja med). Dessutom blir många av de C-bärande nukleotiderna metylerade , vilket minskar transkriptionen.
Användning inom molekylärbiologi
Eftersom RIP är så effektivt att detektera och mutera upprepningar, använder svampbiologer det ofta som ett verktyg för mutagenes . En andra kopia av en enkelkopia- gen transformeras först in i genomet . Svampen måste sedan para sig och gå igenom sin sexuella cykel för att aktivera RIP-maskineriet. Många olika mutationer inom den duplicerade genen erhålls från ens en enda befruktningshändelse så att inaktiverade alleler, vanligtvis på grund av nonsensmutationer , såväl som alleler som innehåller missense-mutationer kan erhållas.
Historia
Den cellulära reproduktionsprocessen av meios upptäcktes av Oscar Hertwig 1876. Mitos upptäcktes flera år senare 1882 av Walther Flemming .
Hertwig studerade sjöborrar och märkte att varje ägg innehöll en kärna före befruktningen och två kärnor efter. Denna upptäckt bevisade att en spermatozoon kunde befrukta ett ägg, och bevisade därför processen med meios. Hermann Fol fortsatte Hertwigs forskning genom att testa effekterna av att injicera flera spermier i ett ägg, och fann att processen inte fungerade med mer än en spermatozoon.
Flemming började sin forskning om celldelning med början 1868. Studiet av celler blev ett allt populärare ämne under denna tidsperiod. Redan 1873 hade Schneider börjat beskriva stegen i celldelning. Flemming fortsatte med denna beskrivning 1874 och 1875 när han förklarade stegen mer i detalj. Han argumenterade också med Schneiders upptäckter att kärnan separerades till stavliknande strukturer genom att föreslå att kärnan faktiskt separerades i trådar som i sin tur separerade. Flemming drog slutsatsen att celler replikerar genom celldelning, för att vara mer specifik mitos.
Matthew Meselson och Franklin Stahl tillskrivs upptäckten av DNA-replikation . Watson och Crick erkände att DNA-strukturen tydde på att det finns någon form av replikeringsprocess. Det gjordes dock inte mycket forskning om denna aspekt av DNA förrän efter Watson och Crick. Folk övervägde alla möjliga metoder för att bestämma replikationsprocessen av DNA, men ingen var framgångsrik förrän Meselson och Stahl. Meselson och Stahl introducerade en tung isotop i en del DNA och spårade dess distribution. Genom detta experiment kunde Meselson och Stahl bevisa att DNA reproducerar sig semi-konservativt.
Se även
externa länkar
- Point+Mutation vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)