Mutación silenciosa

Mutacións silenciosas son mutacións no ADN que non teñen un efecto observable sobre o fenotipo do organismo. Son un tipo específico de mutacións neutras. O termo mutación silenciosa utilízase moitas veces indistintamente co termo mutación sinónima, pero, en realidade, non son o mesmo, xa que as mutacións sinónimas non sempre son silenciosas e as silenciosas non sempre son sinónimas. As mutaciós sinónimas poden afectar a transcrición, empalme do ARN, transporte do ARNm e tradución, calquera das cales pode alterar o fenotipo, facendo que unha mutación sinónima non sexa silenciosa. A especificadade de substrato do ARNt polo codón raro pode afectar o ritmo da tradución e, á súa vez, ao pregamento cotraducional da proteína. Isto reflíctese no nesgo no uso de codóns que se observa en moitas especies. Unha mutación que causa que o codón alterado produza un aminoácido con funcionalidade similar (por exemplo, unha mutación que produce leucina en vez de isoleucina) é a miúdo clasificada como silenciosa; se as propiedades de ambos os aminoácidos son as mesmas, esta mutación normalmente non afecta significativamente ao funcionamento da proteína.
Outras veces mutacións consideradas silenciosas poden alterar o polipéptido e diminuír o funcionamento da proteína que pode ser imperceptible ou causar unha doenza. Un exemplo dunha doenza causada por unha mutación silenciosa é a hipercolesterolemia familiar, a cal é un trastorno herdado xeneticamente. . Caracterízase por un incremento do nivel de lipoproteínas de baixa densidade (LDL). Nesta hipercolesterolemia hai moitas mutacións no xene do receptor de LDL. Isto fai que non funcionen os receptores para LDL na superficie das células do fígado, polo que o nivel sanguíneo de LDL aumenta. Código xenético
Mediante o código xenético tradúcense as secuencias de nucleótidos do ARNm a secuencias de aminoácidos. A información xenética codífícase usando grupos de tres nucleótios ao longo da secuencia do ARNm chamados codóns. Un conxunto determinado de tres nucleótidos (un codón) sempre produce o mesmo aminoácido, pero hai unhas poucas excepcións, como o codón UGA, que normalmente serve como codón de parada pero que pode codificar o triptófano en ADN mitocondrial de mamíferos. Non obstante, un aminoácido pode estar codificado por varios codóns, o que se denomina dexeneración do código xenético. Os codóns que codifican o mesmo aminoácido denomínanse codóns sinónimos. As mutacións silenciosas son substitucións de nucleótidos que non orixinan ningún cambio de aminoácido ou na funcionalidade do aminoácido cando se traduce o ARNm alterado. Por exemplo, se o codón AAA é alterado converténdose no codón AAG, incorpórase o mesmo aminoácido (lisina) na cadea polipeptídica.
As mutacións están a miúdo ligadas a enfermidades ou impactos negativos, pero as mutacións silenciosas ou doutros tipos tamén poden ser beneficiosas porque crean diversidade xenética nunha especie. Se as mutacións se producen na liña xerminal pasan dos proxenitores aos fillos. Os científicos predixeron que as persoas teñen aproximadamente de 5 a 10 mutacións letais nos seus xenomas, pero isto non adoita ser perigoso porque normalmene só se ten unha copia delas e a outra copia que posúe evita a enfermidade. As mutacións silenciosas poden tamén producirse por insercións ou delecións, que causan un cambio no marco de lectura do xene.
Como as mutacións silenciosas non alteran a función das proteínas considéranse neutras. Moitos organismos presentan un nesgo no uso dos codóns, que suxire que hai unha selección para o uso dun determinado codón debido á necesidade de que haxa estabilidade na tradución. A dispoñibilidade de ARN transferente (ARNt) é unha das razóns polas que as mutacións silenciosas poderían non ser tan silenciosas como convencionalmente se cría.
Hai ARNts diferentes para cada codón. Por exemplo, hai un ARNt específico para o codón UCU e outro específico para o codón UCC, aínda que ambos os codóns codifican o aminoácido serina. Neste caso, se hai mil veces menos de ARNt para UCC que de ARNt para UCU, entón a incorporación de serina na cadea polipeptídica ocorrería mil veces máis lentamente cando unha mutación causa que o codón cambie de UCU a UCC. Se o transporte de aminoácidos ao ribosoma se atrasa, a tradución progresaría a moita menor velocidade. Isto pode ter como resultado unha menor expresión dun determinado xene que conteña esa mutación silenciosa se esta acontece nun exón (parte codificante do xene). Ademais, se o ribosoma ten que esperar demasiado para recibir o aminoácido, podería rematar a tradución prematuramente. Consecuencias estruturais
Estrutura primaria
Unha mutación non sinónima que ocorra nos niveis xenómico ou transcricional causa unha alteración da secuencia de aminoácidos da proteína producida. A estrutura primaria das proteínas é a súa secuencia de aminoácidos. Unha substitución dun aminoácido por outro pode impedir o funcionamento da proteína e alterar a súa estrutura terciaria, pero os seus efectos poden ser mínimos ou tolerables se as propiedades dos aminoácidos que se cambiaron son moi similares. A inserción prematura dun codón de parada, o que se chama mutación sen sentido, pode alterar a estrutura primaria dunha proteína. Neste caso, prodúcese unha proteína truncada. A función da proteína e o seu pregamento depende da posición na cal foi inserido o novo codón de parada e da cantidade e composición da parte da secuencia perdida.
Inversamente, as mutacións silenciosas son mutacións nas cales a secuencia de aminoácidos non está alterada. As mutacións silenciosas causan o cambio dunha das letras do triplete ou codón, pero malia ese cambio, o aminoácido codificado segue sendo o mesmo (debido á dexeneración do código xenetico), ou ás veces é outro de similares propiedades.
Historicamente, pensábase que as mutacións silenciosas tiñan pouca ou ningunha importancia. Porén, investigacións recentes suxiren que tales alteracións poden afectar á eficiencia da tradución das proteínas e ao funcionamento e pregamento das proteínas.
Ademais, un cambio na estrutura primaria é esencial porque a estrutura terciaria completamente pregada dunha proteína depende da estrutura primaria. Isto sábese desde a década de 1960 cando se descubriu que a RNase reducida e desnaturalizada na súa forma despregada podía volverse a pregar na súa forma terciaria nativa. A estrutura terciaria dunha proteína é un polipéptido totalmente pregado con todo os grupos R hidrófobos dos seus aminoácidos situados no interior da proteína par maximizar a entropía. Como a estrutura da proteína determina a súa función, é fundamental que unha proteína estea pregada corectamente na súa forma terciaria para que a proteína funcione correctamente. Porén, hai que salientar que as cadeas polipeptídicas poden variar moitísimo en estrutura pimaria, pero ser moi similares en estrutura terciaria e función.
Estrutura secundaria
As mutacións silenciosas alteran a estrutura secundaria do ARNm.
A estrutura secundaria das proteínas consta de interaccións entre os átomos do esqueleto da cadea polipeptídica, excluíndo os grupos R. Un tipo común de estrutura secundaria é a hélice alfa, que é unha hélice dextroxira estabilizada por pontes de hidróxeno entre o residuo de aminoácido enésimo e o residuo n+4. O outro tipo común de estrutura secundaria son as follas beta, que son dextroxiras, poden ser paralelas ou antiparalelas dependendo da dirección dos polipéptidos unidos e presenta pontes de hidróxeno entre os grupos amino e carbonilo do esqueleto das dúas cadeas polipeptídicas enfrontadas.
O ARNm ten unha estrutura secundaria que non é necesariamente linear como a do ADN, así que a forma que ten, dependente dos enlaces complementarios na súa estrutura, pode ter efectos significativos. Por exemplo, se a molécula de ARNm é relativamente inestable, entón pode ser rapidamente degradada por encimas no citoplasma. Se a molécula de ARN é moi estable e os enlaces complementarios son fortes e resistentes ao desempaquetado necesario antes da tradución, entón o xene pode ser subexpresado. O uso de distintos codóns inflúe na estabilidade do ARNm.
Ademais, como o código xenético de todos os organismos é basicamente o mesmo, as estruturas dos seus ARNm só difiren lixeiramente; porén, múltiples estudos mostran que todas as propiedades das estruturas do ARNm pregadas son dependentes da estrutura primaria da cadea polipeptídica e que a estrutura mantense polas abundancias relativas de dinucleótidos na célula. Tamén se descubriu que a estrutura secundaria do ARNm é importante para procesos celulares como a estabilidade dos transcritos e a tradución. A idea xeral é que os dominios funcionais do ARNm se pregan uns sobre os outros, mentres que as rexións dos codóns de iniciación e de parada xeralmente están máis relaxadas, o cal podería axudar á sinalización da iniciación e a terminación na tradución.
Se o ribosoma que avanza fai unha pausa porque atopa un nó no ARN, entón o polipéptido podería ter tempo suficiente para pregarse nunha estrutura non nativa antes de que a molécula de ARNt poida engadir outro aminoácido. As mutacións silenciosas poden tamén afectar ao empalme ou ao control transcricional.
Estrutura terciaria
As mutacións silenciosas afectan ao pregamento e función dunha proteína. Isto observouse en casos de SNP sinónimos, que afectaban o ritmo do pregamento cotranslacional e a inserción de parte da proteína na membrana da célula, o que alteraba a estrutura dos sitios de interacción entre substrato e inhibidor.
Investigacións recentes suxiren que as mutacións silenciosas teñen un efecto sobre a estrutura e actividade das proteínas. Observouse en mutacións silenciosas en SNPs que alteraban a expresión xénica e a regulación. Investigación e aplicacións clínicas
As mutacións silenciosas foron empregadas como estratexia experimental e poden ter implicacións clínicas.
Steffen Mueller na Universidade Stony Brook deseñaron unha vacina atenuada para a polio na cal o virus foi modificado por enxeñaría para que uns codóns sinónimos substituísen certos codóns naturais do seu xenoma. Como resultado, o virus era aínda capaz de infectar e reproducirse, pero máis lentamente. Os ratos que foron vacinados con esta vacina mostraron unha resistencia contra a cepa de poliovirus natural e virulenta.
En experimentos de clonación molecular, pode ser útil introducir mutacións silenciosas nun xene de interese para crear ou eliminar sitios de recoñecemento para encimas de restrición.
Os trastornos mentais poden ser causados por mutaciósn silenciosas. Unha mutación silenciosa causa que o xene do receptor de dopamina D2 sexa menos estable e se degrade máis rápido, e subexpresa o xene.
Unha mutación silenciosa no xene de resistencia a multidrogas 1 (MDR1), que codifica unha bombs da membrana celular que expulsa drogas da célula, pode facer máis lenta a tradución nunha localización específica o que permite que a cadea peptídica se dobre nunha conformación pouco usual. Así, a bomba mutante é menos funcional.
As desviacións da sensibilidade á dor media son causadas por unha mutación do triplete ATG a GTG (non sinónima), e por unha mutación de CAT a CAC (sinónima). Estas dúas mutacións son ambas compartidas polos xenes para a baixa sensibilidade á dor e para a alta sensibilidade. A baixa sensibilidade á dor ten unha mutación silenciosa adicional de CTC a CTG, mentres que a alta sensibilidade á dor non, e comparte a secuencia CTC nesa localización con sensibilidade á dor media.
Xene de resistencia a multidrogas 1
Arredor do 99, 8% dos xenes que sofren mutacións que se consideran silenciosas porque o cambio de nucleótido non provoca o cambio do aminoácido que vai ser traducido. Aínda que as mutacións silenciosas non se supón que teñan un efecto no fenotipo resultante, algunhas mutacións demostraron o contrario, como o xene de resistencia multidrogas 1 (MDR1). O xene MDR1 codifica a P-glicoproteína, que axuda a eliminar as drogas do corpo. A actividade do xene está localizada nos intestinos, fígado, páncreas e cerebro. O MDR 1 está localizado nos mesmos sitios en que se localiza o encima CYP3A4, o cal axuda a eliminar toxinas ou drogas do fígado e intestinos. As mutacións silenciosas como MDR 1 expresan un cambio na resposta fenotípica. Un estudo feito en ratos mostrou que cando non tiñan suficiente actividade do xene MDR 1, os seus corpos non recoñecían drogas como a ivermectina ou a cìclosporina, o que causaba a creación de toxinas no seu corpo.
O xene MRD1 ten uns cincuenta polimorfismos dun só nucleótido (SNP), que son cambios na secuencia de nucleótidos. No xene MDR1 o exón 263535C pode mutar a 3535T, que despois cambia o ARNt noutro que non se ve a miúdo, orixinando cambios no resultado da tradución. Este é un exemplo de como algunhas mutacións silenciosas non son sempre silenciosas. Os xenes de resistencia a multidrogas nos exóns 26 C3435T, 21 G2677T/A e 12 C1236T foron estudados e teñen SNP que aparecen á vez, facendo así que a "función" fenotípica cambie. Isto suxire unha dependencia de haplotipo entre o exón 26 e outros exóns que teñen polimorfismos. Por exemplo, efavirenz e nelfinavir son dous tipos de drogas que axudan a diminuír a infección por VIH no corpo dunha persoa. Cando o SNP do exón 26 está acoplado con outros exóns con SNP, as drogas teñen unha menor probabilidade de conter a infección por VIH. Aínda que cando se expresan os nucleótidos TT do exón 26 o paciente ten unha menor concentración do virus, cando o xenotipo cambia CC ou CT a infección pode espallarse da forma normal deixando o xene MDR 1 case sen capacidade de defensa. Estes cambios nas bases do exón 26 no MDR 1 mostran unha correlación entre as mutacións do xene MDR 1 e a capacidade de drogas antirretrovirais de suprimir a infección por VIH.
O exón 26 tamén foi estudado para ver se é dependente de haplotipo ou non. A presenza do SNP do exón 26 cambia as funcións fenotípicas cando está acompañado da presenza de mutacións nos exóns 12 e 21. Pero cando actúa só, non afecta ao resultado fenotípico tan fortemente. Un exemplo de dependencia do haplotipo do exón 26 obsérvase cando se examina a quimioterapia. Como o MDR 1 elimina drogas das nosas células, os inhibidores foron utilizados para bloquear a capacidade do MRD 1 de eliminar drogas, permitindo así que as drogas beneficiosas como as da quimioterapia e inmunosupresores axuden ao corpo a recuperarse máis eficientemente. O MDR1 ten diferentes proteínas que axudan a retirar estas drogas específicas de células de cancro. O verapamil e a ciclosporina A son inhibidores comúns do MDR 1. Desafortunadamente, cando C3435T está mutado cunha mutación no exón 12 ou no exón 21 (ou se as tres mutacións ocorren ao mesmo tempo creando un haplotipo), é menos probable que os inhibidores debiliten a función do MDR1. Os xenes mutados silenciosos múltiples tenden a ser máis resistentes contra estes inhibidores.
Examinándoo a nivel molecular, a razón pola que o C3435T no exón 26 do xene MDR 1 non é silenciosa é debido ao ritmo ao cal se traducen os aminoácidos para formar a proteína. As estruturas secundarias dos ARNm poden pregarse, o cal significa que diferentes codóns corresponden a diferentes pregamentos do ARNm. Por exemplo, cando o exón 26 cambia ATC a ATT ambos os codóns producen o mesmo aminoácido, pero ATC é máis frecuente que o codón da mutación. Como consecuencia, a cantidade de tempo que tarda o ribosoma en producir a proteína cambia. Isto orixina unha estrutura da proteína diferente da súa forma habitual, que fai que a proteína funcione de forma distinta.
Outras razóns que están detrás dos efectos da "mutación silenciosa" do xene MDR1 ocorren no ARN mensaxeiro. No ARNm, os codóns tamén funcionan como amplificadores (enhancers) de empalme. Os codóns determinan cando cortar intróns baseándose no codón que está lendo o ARNm. Os codóns mutados fan que haxa un maior risco de cometer un erro cando se produce o corte de intróns na secuencia do ARNm causando que se formen exóns incorrectos. Por tanto, producen un cambio no ARN mensaxeiro maduro. As mutacións no xene de resistencia a multidrogas 1 mostra como as mutacións silenciosas poden ter un efecto no fenotipo resultante.