Punktmutation - Point mutation
En punktmutation eller substitution är en genetisk mutation där en enda nukleotidbas ändras, sätts in eller tas bort från en DNA- eller RNA -sekvens av en organisms genom. Punktmutationer har en mängd olika effekter på nedströms proteinprodukt - konsekvenser som är måttligt förutsägbara utifrån mutationens specifika egenskaper. Dessa konsekvenser kan sträcka sig från ingen effekt (t.ex. synonyma mutationer ) till skadliga effekter (t.ex. ramförskjutningsmutationer ), med avseende på proteinproduktion, sammansättning och funktion.
Orsaker
Punktmutationer sker vanligtvis under DNA -replikation . DNA-replikation sker när en dubbelsträngad DNA-molekyl skapar två enkla DNA-strängar, var och en är en mall för skapandet av den komplementära strängen. En enda punktmutation kan förändra hela DNA -sekvensen. Byte av 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 med mutagener . Mutagener kan vara fysiska, såsom strålning från UV-strålar , röntgenstrålar eller extrem värme, eller kemiska (molekyler som missplacerar baspar eller stör DNA-spiralformen). Mutagener i samband med cancer studeras ofta för att lära sig om cancer och dess förebyggande.
Det finns flera sätt för punktmutationer att inträffa. För det första kan ultraviolett (UV) ljus och högre frekvensljus 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-brytningar och dubbelsträngade DNA-brytningar. För det tredje försämras bindningar i DNA så småningom, vilket skapar ett annat problem för att hålla integriteten hos DNA till en hög standard. Det kan också finnas replikationsfel som leder till substitution, insättning eller radering av mutationer.
Kategorisering
Kategorisering av övergång/övergång
År 1959 myntade Ernst Freese begreppen "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 (Alpha) 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 avslutande kodon ( ett stopp uppnåddes ), vilket signalerar slutet av translation. 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 avslutningskodonet ( ett stopp gick förlorat ), vilket resulterar i onormal förlängning av ett proteins karboxylterminal. Start-gain skapar ett AUG-startkodon uppströms den ursprungliga startplatsen. Om den nya AUG är nära den ursprungliga startplatsen, inom ramen inom det bearbetade transkriptet och nedströms till en ribosomal bindningsplats, kan den användas för att initiera translation. Den troliga effekten är ytterligare aminosyror tillsatta till aminoterminalen i det ursprungliga proteinet. Ramförskjutningsmutationer är också möjliga vid start-gain-mutationer, men påverkar vanligtvis inte translationen 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 av en aminosyra i proteinet inte skadlig för organismen som helhet. De flesta proteiner tål en eller två punktmutationer innan deras funktion ändras. Icke-konservativa mutationer resulterar i en aminosyraförändring som har andra egenskaper än vildtypen . Proteinet kan förlora sin funktion, vilket kan leda till en sjukdom i organismen. Till exempel, sickle-cell-sjukdom orsakas av en enda punktmutation (en missense-mutation) i den beta- hemoglobingenen som konverterar ett GAG -kodon till GUG, som kodar för den aminosyra valin istället för glutaminsyra . Proteinet kan också uppvisa en "förstärkning av funktion" eller bli aktiverat, så är fallet med mutationen som byter 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 förändras, men det nya kodonet anger samma aminosyra, vilket resulterar i ett omuterat protein. Denna typ av förändring kallas synonym förändring eftersom den gamla och nya kodonkoden för samma aminosyra. Detta är möjligt eftersom 64 kodoner endast anger 20 aminosyror. Olika kodoner kan emellertid leda till olika proteinuttrycksnivåer.
Enkla basparinsatser och raderingar
Ibland används termen punktmutation för att beskriva insättningar eller raderingar av ett enda baspar (vilket har mer negativ inverkan på det syntetiserade proteinet på grund av att nukleotiderna fortfarande läses i trillingar, men i olika ramar: en mutation som kallas ramförskjutning mutation ).
Allmänna konsekvenser
Punktmutationer som förekommer i icke-kodande sekvenser är oftast utan konsekvenser, även om det finns undantag. Om det muterade basparet finns i promotorsekvensen för en gen kan expressionen av genen förändras. Om mutationen också inträffar i splitsningsstället för ett intron kan detta störa korrekt splitsning av det transkriberade pre-mRNA .
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.
Punkt nedärvda mutationer kan leda till nytta såväl som skadliga egenskaper eller sjukdomar. Detta leder till anpassningar baserade på miljön där organismen lever. En fördelaktig mutation kan skapa en fördel för den organismen och leda till att egenskapen överförs från generation till generation, förbättrar och gynnar hela befolkningen. Den vetenskapliga evolutionsteorin är starkt beroende av punktmutationer i celler . Teorin förklarar mångfalden och historien om levande organismer på jorden. När det gäller punktmutationer sägs det att fördelaktiga mutationer gör det möjligt för organismen att frodas och reproducera sig och därmed överföra sina positivt påverkade muterade gener till nästa generation. Å andra sidan orsakar skadliga mutationer att organismen dör eller är mindre benägna att reproducera sig vid ett fenomen som kallas naturligt urval .
Det finns olika kortsiktiga och långsiktiga effekter som kan uppstå från mutationer. Mindre skulle vara att stoppa cellcykeln vid många punkter. Detta innebär att ett kodon som kodar för aminosyran glycin kan ändras till ett stoppkodon, vilket gör att proteinerna som borde ha producerats deformeras och inte kan slutföra sina avsedda uppgifter. Eftersom mutationerna kan påverka DNA: t och därmed kromatinet kan det förhindra att mitos uppstår på grund av bristen på en fullständig kromosom. Problem kan också uppstå under processerna för transkription och replikering av DNA. Dessa förbjuder alla cellen från reproduktion och leder således 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 enkla nukleotidpolymorfismer i DNA beror på mutationens lokalisering inom genen. Till exempel, om mutationen sker i området för genen som är ansvarig för kodning, kan aminosyrasekvensen för det kodade proteinet förändras, vilket orsakar en förändring i funktionen, proteinlokalisering, proteinets stabilitet eller proteinkomplex. Många metoder har föreslagits för att förutsäga effekterna av missense -mutationer på proteiner. Maskininlärningsalgoritmer tränar sina modeller för att skilja kända sjukdomsrelaterade från neutrala mutationer medan andra metoder inte uttryckligen tränar sina modeller men nästan alla metoder utnyttjar det evolutionära bevarandet förutsatt att förändringar vid bevarade positioner tenderar att vara mer skadliga. Medan majoriteten av metoderna ger en binär klassificering av effekter av mutationer till skadliga och godartade, behövs en ny nivå av kommentarer för att ge en förklaring till varför och hur dessa mutationer skadar proteiner.
Om mutationen inträffar i genområdet där transkriptionsmaskineri binder till proteinet kan mutationen dessutom påverka bindningen av transkriptionsfaktorerna eftersom de korta nukleotidsekvenserna som känns igen av transkriptionsfaktorerna kommer att förändras. Mutationer i denna region kan påverka effektiviteten för gentranskription, vilket i sin tur kan förändra mRNA -nivåerna och därmed proteinnivåerna i allmänhet.
Punktmutationer kan ha flera effekter på beteendet och reproduktionen av ett protein beroende på var mutationen sker i aminosyrasekvensen för proteinet. Om mutationen inträffar i regionen av genen som är ansvarig för kodning för proteinet, kan aminosyran ändras. Denna lilla förändring i sekvensen av aminosyror kan orsaka en förändring i funktionen, aktivering av proteinet, vilket betyder hur det binder med ett givet enzym, var proteinet kommer att finnas i cellen eller mängden fri energi lagrad i proteinet .
Om mutationen sker i regionen av genen där transkriptionellt maskineri binder till proteinet kan mutationen påverka hur 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 ändra hur transkriptionsfaktorerna binder till proteinet. Mutationer i denna region kan påverka effektiviteten av gentranskription, som styr både mRNA -nivåerna och de totala proteinnivåerna.
Specifika sjukdomar orsakade av punktmutationer
Cancer
Punktmutationer i flera tumörsuppressorproteiner orsakar cancer . Till exempel främjar punktmutationer i Adenomatous Polyposis Coli tumörgenes. En ny analys, Snabb parallell proteolys (FASTpp) , kan hjälpa till med snabb screening av specifika stabilitetsdefekter hos enskilda cancerpatienter.
Neurofibromatos
Neurofibromatos orsakas av punktmutationer i Neurofibromin 1- eller Neurofibromin 2 -genen.
Sicklecellanemi
Sickelcellanemi orsakas av en punktmutation i hemoglobins p-globinkedja, vilket gör att den hydrofila aminosyran glutaminsyra ersätts med den hydrofoba aminosyran valin vid sjätte positionen.
Β-globingenen finns på den korta armen i kromosom 11. Föreningen mellan två a-globinsubenheter av vildtyp och två mutanta β-globinsubenheter bildar hemoglobin S (HbS). Under låga syreförhållanden (till exempel på hög höjd) främjar frånvaron av en polär aminosyra vid position sex i β-globinkedjan den icke-kovalenta polymerisationen (aggregering) av hemoglobin, som förvränger röda blodkroppar till en skärlform och minskar deras elasticitet.
Hemoglobin är ett protein som finns i röda blodkroppar och ansvarar för transport av syre genom kroppen. Det finns två subenheter som utgör hemoglobinproteinet: beta-globiner och alfa-globiner . Beta-hemoglobin skapas från den genetiska informationen om 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 Sickle Cell Anemia. Sickelcellanemi 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 säckformade celler kan inte bära nästan lika mycket syre som vanliga röda blodkroppar och de fastnar lättare i kapillärerna och avbryter blodtillförseln till vitala organ. Den enda nukleotidförändringen i beta-globinet innebär att även de minsta ansträngningarna från bärarens sida resulterar i svår smärta och till och med hjärtinfarkt. Nedan är ett diagram som avbildar den första tretton aminosyrorna i det normala och onormala sickle-cell- polypeptidkedja.
| 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 ingår i ett enzym som kallas beta-hexosaminidas A, som spelar en kritisk roll i nervsystemet. Detta enzym hjälper till att bryta ner en fet substans som kallas GM2 gangliosid i nervceller. Mutationer i HEXA-genen stör aktiviteten av beta-hexosaminidas A och förhindrar nedbrytning av fettsyrorna. Som ett resultat ackumuleras fettsyrorna till dödliga nivåer i hjärnan och ryggmärgen. Uppbyggnaden av GM2 gangliosid orsakar progressiv skada på nervcellerna. Detta är orsaken till tecken och symtom på Tay-Sachs sjukdom.
Färgblindhet
Människor som är färgblinda har mutationer i sina gener som orsakar förlust av antingen röda eller gröna kottar, och de har därför svårt att skilja mellan färger. Det finns tre sorters kottar i det mänskliga ögat: rött, grönt och blått. Nu har forskare upptäckt att vissa personer med den genmutation som orsakar färgblindhet förlorar en hel uppsättning "färg" -kottar utan att förändra hur klart deras syn är.
Upprepningsinducerad punktmutation
I molekylärbiologi , repeat-induced punktmutation eller RIP är en process genom vilken DNA ackumuleras G : C till A : T övergångsmutationer. Genomiska bevis indikerar 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 metyleras de sekvenser som muteras med RIP ofta de novo .
RIP inträffar under det sexuella stadiet i haploida kärnor efter befruktning men före meiotisk DNA -replikation . I Neurospora crassa är upprepade sekvenser med minst 400 baspar i längd sårbara för RIP. Upprepningar med så låga som 80% nukleotididentitet kan också vara 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. Till exempel, i den fytopatogena svampen L. maculans , finns RIP -mutationer i enstaka kopioregioner, 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 kopioregioner 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 residenta effektorgener. Så förekomsten 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 kopieringsregioner, har Fudal et al. föreslog att läckage av RIP-mutation kan inträffa inom ett relativt kort avstånd från en RIP-påverkad upprepning. Detta har i själva verket rapporterats i N. crassa varigenom läckage av RIP detekterades i enstaka kopiasekvenser minst 930 bp från gränsen för närliggande duplikerade sekvenser. Att belysa mekanismen för detektering av upprepade sekvenser som leder till RIP kan göra det möjligt att förstå hur de flankerande sekvenserna också kan påverkas.
Mekanism
RIP orsakar G : C till A : T övergångs mutationer inom upprepningar är emellertid okänt den mekanism som detekterar de upprepade sekvenserna. RID är det enda kända proteinet som är viktigt för RIP. Det är ett DNA-metyltransfereasliknande protein, som när det muteras eller slås ut resulterar i förlust av RIP. Radering av rid -homologen i Aspergillus nidulans , dmtA , resulterar i förlust av fertilitet medan radering av rid -homologen i Ascobolus immersens , masc1 , resulterar i fertilitetsdefekter och förlust av metylering inducerad premeiotiskt (MIP) .
Konsekvenser
RIP tros ha utvecklats som en försvarsmekanism mot transponerbara element , som liknar parasiter genom att invadera och multiplicera inom genomet. RIP skapar flera missense- och nonsensmutationer i kodningssekvensen. Denna hypermutation av GC till AT i repetitiva sekvenser eliminerar funktionella genprodukter från sekvensen (om det fanns några till att börja med). Dessutom metyleras många av de C-bärande nukleotiderna , vilket minskar transkriptionen.
Användning inom molekylärbiologi
Eftersom RIP är så effektivt för att upptäcka och mutera upprepningar, använder svampbiologer det ofta som ett verktyg för mutagenes . En andra kopia av en enkelkopiegen omvandlas först till genomet . Svampen måste sedan para sig och gå igenom sin sexuella cykel för att aktivera RIP -maskineriet. Många olika mutationer inom den dubblerade genen erhålls från ens en enda befruktningshändelse så att inaktiverade alleler, vanligtvis på grund av nonsensmutationer , samt alleler som innehåller missense -mutationer kan erhållas.
Historia
Den cellulära reproduktionsprocessen för 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 visade att en spermier kunde befrukta ett ägg och bevisade därför meiosprocessen. 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 spermier.
Flemming började sin forskning om celldelning med början 1868. Studier av celler var ett allt mer populärt ämne under denna tidsperiod. År 1873 hade Schneider redan börjat beskriva stegen för celldelning. Flemming ytterligare denna beskrivning 1874 och 1875 när han förklarade stegen mer detaljerat. Han argumenterade också med Schneiders resultat att kärnan separerades i stavliknande strukturer genom att föreslå att kärnan faktiskt separerade i trådar som i sin tur separerades. Flemming drog slutsatsen att celler replikerar genom celldelning, för att vara mer specifik mitos.
Matthew Meselson och Franklin Stahl krediteras med upptäckten av DNA -replikering . Watson och Crick erkände att strukturen av DNA indikerade 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 lite DNA och spårade dess fördelning. Genom detta experiment kunde Meselson och Stahl bevisa att DNA reproducerar halvkonservativt.
Se även
Referenser
externa länkar
- Point+Mutation på US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
