Mutación focal

Una mutación puntual o focal es una mutación genética en la que se cambia, inserta o elimina una sola base de nucleótidos de una secuencia de ADN o ARN del genoma de un organismo. Las mutaciones puntuales tienen una variedad de efectos en el producto proteico aguas abajo, consecuencias que son moderadamente predecibles en función de las características específicas de la mutación. Estas consecuencias pueden variar desde ningún efecto (p. ej., mutaciones sinónimas) hasta efectos nocivos (p. ej., mutaciones de cambio de marco), con respecto a la producción, composición y función de proteínas.

Causas

Las mutaciones puntuales suelen tener lugar durante la replicación del ADN. La replicación del ADN ocurre cuando una molécula de ADN de doble cadena crea dos cadenas simples de ADN, cada una de las cuales es una plantilla para la creación de la cadena complementaria. Una mutación de un solo punto puede cambiar toda la secuencia de ADN. Cambiar una purina o pirimidina puede cambiar el aminoácido que codifican los nucleótidos.

Las mutaciones puntuales pueden surgir de mutaciones espontáneas que ocurren durante la replicación del ADN. La tasa de mutación puede aumentar con mutágenos. Los mutágenos pueden ser físicos, como la radiación de los rayos UV, los rayos X o el calor extremo, o químicos (moléculas que pierden los pares de bases o alteran la forma helicoidal del ADN). Los mutágenos asociados con los cánceres a menudo se estudian para aprender sobre el cáncer y su prevención.

Hay múltiples formas de que ocurran las mutaciones puntuales. Primero, la luz ultravioleta (UV) y la luz de alta frecuencia son capaces de ionizar electrones, lo que a su vez puede afectar el ADN. Las moléculas de oxígeno reactivas con los radicales libres, que son un subproducto del metabolismo celular, también pueden ser muy dañinas para el ADN. Estos reactivos pueden conducir tanto a roturas de ADN monocatenario como a roturas de ADN bicatenario. En tercer lugar, los enlaces en el ADN finalmente se degradan, lo que crea otro problema para mantener la integridad del ADN en un alto nivel. También puede haber errores de replicación que conduzcan a mutaciones de sustitución, inserción o eliminación.

Categorización

Categorización de transición/transversión

En 1959, Ernst Freese acuñó los términos "transiciones" o "transversiones" para categorizar diferentes tipos de mutaciones puntuales. Las transiciones son el reemplazo de una base de purina por otra purina o el reemplazo de una pirimidina por otra pirimidina. Las transversiones son el reemplazo de una purina por una pirimidina o viceversa. Hay una diferencia sistemática en las tasas de mutación para transiciones (Alfa) y transversiones (Beta). Las mutaciones de transición son aproximadamente diez veces más comunes que las transversiones.

Categorización funcional

Las mutaciones sin sentido incluyen stop-gain y start-loss. Stop-gain es una mutación que da como resultado un codón de terminación prematuro (se ganó una parada), que señala el final de la traducción. Esta interrupción hace que la proteína se acorte de forma anormal. La cantidad de aminoácidos perdidos media el impacto en la funcionalidad de la proteína y si funcionará de alguna manera. Stop-loss es una mutación en el codón de terminación original (se perdió un stop), lo que resulta en una extensión anormal del extremo carboxilo de una proteína. Start-gain crea un codón de inicio AUG aguas arriba del sitio de inicio original. Si el nuevo AUG está cerca del sitio de inicio original, dentro del marco de la transcripción procesada y aguas abajo de un sitio de unión ribosomal, puede usarse para iniciar la traducción. El efecto probable es que se agreguen aminoácidos adicionales al extremo amino de la proteína original. Las mutaciones de cambio de marco también son posibles en las mutaciones de ganancia inicial, pero normalmente no afectan la traducción de la proteína original. La pérdida de inicio es una mutación puntual en el codón de inicio AUG de una transcripción, lo que resulta en la reducción o eliminación de la producción de proteínas.

Las mutaciones sin sentido codifican para un aminoácido diferente. Una mutación sin sentido cambia un codón para que se cree una proteína diferente, un cambio no sinónimo.Las mutaciones conservativas dan como resultado un cambio de aminoácido. Sin embargo, las propiedades del aminoácido siguen siendo las mismas (p. ej., hidrófobo, hidrófilo, etc.). A veces, un cambio en un aminoácido de la proteína no es perjudicial para el organismo en su conjunto. La mayoría de las proteínas pueden soportar una o dos mutaciones puntuales antes de que cambie su función. Las mutaciones no conservativas dan como resultado un cambio de aminoácido que tiene propiedades diferentes al tipo salvaje. La proteína puede perder su función, lo que puede resultar en una enfermedad en el organismo. Por ejemplo, la enfermedad de células falciformes es causada por una mutación de un solo punto (una mutación sin sentido) en el gen de la hemoglobina beta que convierte un codón GAG en GUG, que codifica el aminoácido valina en lugar del ácido glutámico. La proteína también puede exhibir una "ganancia de función" o activarse, tal es el caso de la mutación que cambia una valina a ácido glutámico en el gen BRAF; esto conduce a una activación de la proteína RAF que provoca una señalización proliferativa ilimitada en las células cancerosas.Ambos son ejemplos de una mutación no conservativa (sin sentido).

Las mutaciones silenciosas codifican el mismo aminoácido (una "sustitución sinónima"). Una mutación silenciosa no afecta el funcionamiento de la proteína. Un solo nucleótido puede cambiar, pero el nuevo codón especifica el mismo aminoácido, lo que da como resultado una proteína sin mutar. Este tipo de cambio se denomina cambio sinónimo ya que el codón antiguo y el nuevo codifican para el mismo aminoácido. Esto es posible porque 64 codones especifican solo 20 aminoácidos. Sin embargo, diferentes codones pueden conducir a niveles diferenciales de expresión de proteínas.

Inserciones y eliminaciones de un solo par de bases

A veces, el término mutación puntual se usa para describir inserciones o eliminaciones de un solo par de bases (lo que tiene un efecto más adverso en la proteína sintetizada debido a que los nucleótidos todavía se leen en tripletes, pero en diferentes marcos: una mutación llamada cambio de marco mutación).

Consecuencias generales

Las mutaciones puntuales que ocurren en secuencias no codificantes generalmente no tienen consecuencias, aunque hay excepciones. Si el par de bases mutado está en la secuencia promotora de un gen, entonces la expresión del gen puede cambiar. Además, si la mutación ocurre en el sitio de empalme de un intrón, esto puede interferir con el empalme correcto del pre-ARNm transcrito.

Al alterar solo un aminoácido, el péptido completo puede cambiar, cambiando así la proteína completa. La nueva proteína se denomina variante de proteína. Si la proteína original funciona en la reproducción celular, esta mutación puntual única puede cambiar todo el proceso de reproducción celular de este organismo.

Las mutaciones puntuales de la línea germinal pueden dar lugar a rasgos o enfermedades tanto beneficiosos como perjudiciales. Esto conduce a adaptaciones basadas en el entorno donde vive el organismo. Una mutación ventajosa puede crear una ventaja para ese organismo y hacer que el rasgo se transmita de generación en generación, mejorando y beneficiando a toda la población. La teoría científica de la evolución depende en gran medida de mutaciones puntuales en las células. La teoría explica la diversidad y la historia de los organismos vivos en la Tierra. En relación con las mutaciones puntuales, establece que las mutaciones beneficiosas permiten que el organismo prospere y se reproduzca, pasando así sus genes mutados afectados positivamente a la siguiente generación. Por otro lado, las mutaciones dañinas hacen que el organismo muera o sea menos probable que se reproduzca en un fenómeno conocido como selección natural.

Hay diferentes efectos a corto y largo plazo que pueden surgir de las mutaciones. Los más pequeños serían una detención del ciclo celular en numerosos puntos. Esto significa que un codón que codifica el aminoácido glicina puede cambiarse a un codón de parada, lo que hace que las proteínas que deberían haberse producido se deformen y no puedan completar sus tareas previstas. Debido a que las mutaciones pueden afectar el ADN y, por lo tanto, la cromatina, puede impedir que ocurra la mitosis debido a la falta de un cromosoma completo. También pueden surgir problemas durante los procesos de transcripción y replicación del ADN. Todos estos prohíben la reproducción de la célula y, por lo tanto, conducen a la muerte de la célula. Los efectos a largo plazo pueden ser un cambio permanente de un cromosoma, lo que puede conducir a una mutación. Estas mutaciones pueden ser beneficiosas o perjudiciales.

Otros efectos de las mutaciones puntuales, o polimorfismos de un solo nucleótido en el ADN, dependen de la ubicación de la mutación dentro del gen. Por ejemplo, si la mutación ocurre en la región del gen responsable de la codificación, la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada puede verse alterada, provocando un cambio en la función, localización de la proteína, estabilidad de la proteína o complejo proteico. Se han propuesto muchos métodos para predecir los efectos de las mutaciones sin sentido en las proteínas. Los algoritmos de aprendizaje automático entrenan sus modelos para distinguir las mutaciones neutras asociadas a enfermedades conocidas, mientras que otros métodos no entrenan explícitamente sus modelos, pero casi todos los métodos explotan la conservación evolutiva asumiendo que los cambios en las posiciones conservadas tienden a ser más perjudiciales.

Además, si la mutación ocurre en la región del gen donde la maquinaria transcripcional se une a la proteína, la mutación puede afectar la unión de los factores de transcripción porque las secuencias cortas de nucleótidos reconocidas por los factores de transcripción se verán alteradas. Las mutaciones en esta región pueden afectar la tasa de eficiencia de la transcripción de genes, lo que a su vez puede alterar los niveles de ARNm y, por lo tanto, los niveles de proteína en general.

Las mutaciones puntuales pueden tener varios efectos sobre el comportamiento y la reproducción de una proteína dependiendo de dónde se produzca la mutación en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Si la mutación ocurre en la región del gen responsable de codificar la proteína, el aminoácido puede estar alterado. Este ligero cambio en la secuencia de aminoácidos puede causar un cambio en la función, la activación de la proteína, es decir, cómo se une a una enzima determinada, dónde se ubicará la proteína dentro de la célula o la cantidad de energía libre almacenada dentro de la proteína..

Si la mutación ocurre en la región del gen donde la maquinaria transcripcional se une a la proteína, la mutación puede afectar la forma en que los factores de transcripción se unen a la proteína. Los mecanismos de transcripción se unen a una proteína mediante el reconocimiento de secuencias de nucleótidos cortas. Una mutación en esta región puede alterar estas secuencias y, por lo tanto, cambiar la forma en que los factores de transcripción se unen a la proteína. Las mutaciones en esta región pueden afectar la eficiencia de la transcripción génica, que controla tanto los niveles de ARNm como los niveles generales de proteína.

Enfermedades específicas causadas por mutaciones puntuales

Cáncer

Las mutaciones puntuales en múltiples proteínas supresoras de tumores causan cáncer. Por ejemplo, las mutaciones puntuales en Adenomatous Polyposis Coli promueven la tumorigénesis. Un ensayo novedoso, la proteólisis paralela rápida (FASTpp), podría ayudar a detectar rápidamente defectos de estabilidad específicos en pacientes individuales con cáncer.

Neurofibromatosis

La neurofibromatosis es causada por mutaciones puntuales en el gen Neurofibromin 1 o Neurofibromin 2.

Anemia falciforme

La anemia de células falciformes es causada por una mutación puntual en la cadena de globina β de la hemoglobina, lo que hace que el aminoácido hidrofílico ácido glutámico sea reemplazado por el aminoácido hidrofóbico valina en la sexta posición.

El gen de la globina β se encuentra en el brazo corto del cromosoma 11. La asociación de dos subunidades de globina α de tipo salvaje con dos subunidades de globina β mutantes forma la hemoglobina S (HbS). En condiciones de poco oxígeno (estar a gran altura, por ejemplo), la ausencia de un aminoácido polar en la posición seis de la cadena de globina β promueve la polimerización no covalente (agregación) de la hemoglobina, que distorsiona los glóbulos rojos en un forma de hoz y disminuye su elasticidad.

La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos y es responsable del transporte de oxígeno a través del cuerpo. Hay dos subunidades que componen la proteína de la hemoglobina: beta-globinas y alfa-globinas. La beta-hemoglobina se crea a partir de la información genética en el gen HBB, o "hemoglobina, beta" que se encuentra en el cromosoma 11p15.5. Una mutación de un solo punto en esta cadena polipeptídica, que tiene 147 aminoácidos de largo, da como resultado la enfermedad conocida como anemia de células falciformes. La anemia de células falciformes es un trastorno autosómico recesivo que afecta a 1 de cada 500 afroamericanos y es uno de los trastornos sanguíneos más comunes en los Estados Unidos. El único reemplazo del sexto aminoácido en la beta-globina, el ácido glutámico, con valina da como resultado glóbulos rojos deformados. Estas células en forma de hoz no pueden transportar tanto oxígeno como los glóbulos rojos normales y quedan atrapadas más fácilmente en los capilares, cortando el suministro de sangre a los órganos vitales. El cambio de un solo nucleótido en la beta-globina significa que incluso el esfuerzo más pequeño por parte del portador provoca un dolor intenso e incluso un ataque al corazón. A continuación se muestra un gráfico que representa los primeros trece aminoácidos en la cadena polipeptídica de células falciformes normales y anormales.

Enfermedad de Tay-Sachs

La causa de la enfermedad de Tay-Sachs es un defecto genético que se transmite de padres a hijos. Este defecto genético se encuentra en el gen HEXA, que se encuentra en el cromosoma 15.

El gen HEXA forma parte de una enzima llamada beta-hexosaminidasa A, que desempeña un papel fundamental en el sistema nervioso. Esta enzima ayuda a descomponer una sustancia grasa llamada gangliósido GM2 en las células nerviosas. Las mutaciones en el gen HEXA interrumpen la actividad de la beta-hexosaminidasa A, impidiendo la descomposición de las sustancias grasas. Como resultado, las sustancias grasas se acumulan en niveles mortales en el cerebro y la médula espinal. La acumulación de gangliósido GM2 provoca un daño progresivo en las células nerviosas. Esta es la causa de los signos y síntomas de la enfermedad de Tay-Sachs.

Daltonismo

Las personas daltónicas tienen mutaciones en sus genes que provocan la pérdida de los conos rojos o verdes y, por lo tanto, les cuesta distinguir los colores. Hay tres tipos de conos en el ojo humano: rojo, verde y azul. Ahora, los investigadores han descubierto que algunas personas con la mutación genética que causa el daltonismo pierden un conjunto completo de conos de "color" sin cambios en la claridad de su visión en general.

Mutación puntual inducida por repetición

En biología molecular, la mutación puntual inducida por repetición o RIP es un proceso mediante el cual el ADN acumula mutaciones de transición G:C a A:T. La evidencia genómica indica que RIP ocurre o ha ocurrido en una variedad de hongos mientras que la evidencia experimental indica que RIP es activo en Neurospora crassa, Podospora anserina, Magnaporthe grisea, Leptosphaeria maculans, Gibberella zeae y Nectria haematococca. En Neurospora crassa, las secuencias mutadas por RIP a menudo se metilan de novo.

RIP ocurre durante la etapa sexual en núcleos haploides después de la fertilización pero antes de la replicación del ADN meiótico. En Neurospora crassa, las secuencias repetidas de al menos 400 pares de bases de longitud son vulnerables a RIP. Las repeticiones con una identidad de nucleótidos tan baja como el 80 % también pueden estar sujetas a RIP. Aunque el mecanismo exacto de reconocimiento repetido y mutagénesis no se conoce bien, RIP da como resultado secuencias repetidas que experimentan múltiples mutaciones de transición.

Las mutaciones RIP no parecen estar limitadas a secuencias repetidas. De hecho, por ejemplo, en el hongo fitopatógeno L. maculans, las mutaciones RIP se encuentran en regiones de una sola copia, adyacentes a los elementos repetidos. Estas regiones son regiones no codificantes o genes que codifican pequeñas proteínas secretadas, incluidos genes de avirulencia. El grado de RIP dentro de estas regiones de copia única fue proporcional a su proximidad a elementos repetitivos.

Rep y Kistler han especulado que la presencia de regiones altamente repetitivas que contienen transposones puede promover la mutación de genes efectores residentes. Por lo tanto, se sugiere la presencia de genes efectores dentro de tales regiones para promover su adaptación y diversificación cuando se exponen a una fuerte presión de selección.

Dado que tradicionalmente se observa que la mutación RIP está restringida a regiones repetitivas y no a regiones de copia única, Fudal et al. sugirió que la fuga de la mutación RIP podría ocurrir dentro de una distancia relativamente corta de una repetición afectada por RIP. De hecho, esto se ha informado en N. crassa mediante el cual se detectó la fuga de RIP en secuencias de una sola copia al menos 930 pb desde el límite de las secuencias duplicadas vecinas. Elucidar el mecanismo de detección de secuencias repetidas que conducen a RIP puede permitir comprender cómo las secuencias flanqueantes también pueden verse afectadas.

Mecanismo

RIP causa mutaciones de transición G:C a A:T dentro de las repeticiones, sin embargo, se desconoce el mecanismo que detecta las secuencias repetidas. RID es la única proteína conocida esencial para RIP. Es una proteína similar a la metiltransferasa del ADN, que cuando muta o se elimina da como resultado la pérdida de RIP. La eliminación del homólogo rid en Aspergillus nidulans, dmtA, da como resultado la pérdida de fertilidad, mientras que la eliminación del homólogo rid en Ascobolus immersens, masc1, da como resultado defectos de fertilidad y pérdida de metilación inducida premeióticamente (MIP).

Consecuencias

Se cree que RIP evolucionó como un mecanismo de defensa contra los elementos transponibles, que se asemejan a los parásitos al invadir y multiplicarse dentro del genoma. RIP crea múltiples mutaciones sin sentido y sin sentido en la secuencia de codificación. Esta hipermutación de GC a AT en secuencias repetitivas elimina los productos génicos funcionales de la secuencia (si es que hubo alguno para empezar). Además, muchos de los nucleótidos que contienen C se metilan, lo que disminuye la transcripción.

Uso en biología molecular

Debido a que RIP es tan eficiente para detectar y mutar repeticiones, los biólogos de hongos a menudo lo usan como herramienta para la mutagénesis. Una segunda copia de un gen de una sola copia se transforma primero en el genoma. Luego, el hongo debe aparearse y pasar por su ciclo sexual para activar la maquinaria RIP. Muchas mutaciones diferentes dentro del gen duplicado se obtienen incluso de un solo evento de fertilización, de modo que se pueden obtener alelos inactivados, generalmente debido a mutaciones sin sentido, así como alelos que contienen mutaciones sin sentido.

Historia

El proceso de reproducción celular de la meiosis fue descubierto por Oscar Hertwig en 1876. La mitosis fue descubierta varios años después, en 1882, por Walther Flemming.

Hertwig estudió los erizos de mar y notó que cada huevo contenía un núcleo antes de la fertilización y dos núcleos después. Este descubrimiento probó que un espermatozoide podía fertilizar un óvulo y, por lo tanto, probó el proceso de meiosis. Hermann Fol continuó la investigación de Hertwig probando los efectos de inyectar varios espermatozoides en un óvulo y descubrió que el proceso no funcionaba con más de un espermatozoide.

Flemming comenzó su investigación de la división celular a partir de 1868. El estudio de las células era un tema cada vez más popular en este período de tiempo. Para 1873, Schneider ya había comenzado a describir los pasos de la división celular. Flemming amplió esta descripción en 1874 y 1875 cuando explicó los pasos con más detalle. También argumentó con los hallazgos de Schneider que el núcleo se separó en estructuras similares a varillas al sugerir que el núcleo en realidad se separó en hilos que a su vez se separaron. Flemming concluyó que las células se replican a través de la división celular, para ser una mitosis más específica.

A Matthew Meselson y Franklin Stahl se les atribuye el descubrimiento de la replicación del ADN. Watson y Crick reconocieron que la estructura del ADN indicaba que existe alguna forma de proceso de replicación. Sin embargo, no se realizaron muchas investigaciones sobre este aspecto del ADN hasta después de Watson y Crick. La gente consideró todos los métodos posibles para determinar el proceso de replicación del ADN, pero ninguno tuvo éxito hasta Meselson y Stahl. Meselson y Stahl introdujeron un isótopo pesado en un ADN y rastrearon su distribución. A través de este experimento, Meselson y Stahl pudieron demostrar que el ADN se reproduce de forma semiconservadora.