Mutación puntual

Una mutación puntual es una mutación genética en la que se cambia, inserta o elimina una única base de nucleótido de una secuencia de ADN o ARN del genoma de un organismo. Las mutaciones puntuales tienen una variedad de efectos sobre el producto proteico posterior, consecuencias que son moderadamente predecibles según las características específicas de la mutación. Estas consecuencias pueden variar desde ningún efecto (por ejemplo, mutaciones sinónimas) hasta efectos perjudiciales (por ejemplo, mutaciones por cambio de marco), con respecto a la producción, composición y función de las proteínas.

Causas

Las mutaciones puntuales suelen tener lugar durante la replicación del ADN. La replicación del ADN ocurre cuando una molécula de ADN bicatenario crea dos hebras simples de ADN, cada una de las cuales es una plantilla para la creación de la hebra complementaria. Una mutación puntual única puede cambiar toda la secuencia del 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 verse incrementada por mutágenos. Los mutágenos pueden ser físicos, como la radiación de los rayos ultravioleta, los rayos X o el calor extremo, o químicos (moléculas que colocan mal los pares de bases o alteran la forma helicoidal del ADN). Los mutágenos asociados con el cáncer a menudo se estudian para aprender sobre el cáncer y su prevención.

Hay varias formas de que se produzcan mutaciones puntuales. Primero, la luz ultravioleta (UV) y la luz de mayor frecuencia son capaces de ionizar electrones, lo que a su vez puede afectar el ADN. Las moléculas reactivas de oxígeno con radicales libres, que son un subproducto del metabolismo celular, también pueden ser muy dañinas para el ADN. Estos reactivos pueden provocar roturas tanto del ADN monocatenario como del ADN bicatenario. En tercer lugar, los enlaces en el ADN eventualmente 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 la sustitución de una base púrica por otra purina o la sustitución de una pirimidina por otra pirimidina. Las transversiones son la sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa. Existe una diferencia sistemática en las tasas de mutación para las transiciones (Alfa) y las transversiones (Beta). Las mutaciones de transición son aproximadamente diez veces más comunes que las transversiones.

Categorización funcional

Las mutaciones sin sentido incluyen detener la ganancia y comenzar con la pérdida. La ganancia de parada 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 influye en el impacto sobre la funcionalidad de la proteína y sobre si funcionará o no. La pérdida de parada es una mutación en el codón de terminación original (se perdió una parada), que produce una extensión anormal del extremo carboxilo terminal de una proteína. La ganancia inicial crea un codón de inicio AUG aguas arriba del sitio de inicio original. Si el nuevo AUG está cerca del sitio de inicio original, en el marco dentro de la transcripción procesada y en sentido descendente hasta un sitio de unión ribosomal, se puede utilizar 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, que resulta en la reducción o eliminación de la producción de proteínas.

Las mutaciones sin sentido codifican un aminoácido diferente. Una mutación sin sentido cambia un codón para que se cree una proteína diferente, un cambio no sinónimo. Las mutaciones conservadoras dan como resultado un cambio de aminoácidos. Sin embargo, las propiedades del aminoácido siguen siendo las mismas (por ejemplo, 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 resistir una o dos mutaciones puntuales antes de que cambie su función. Las mutaciones no conservadoras dan como resultado un cambio de aminoácido que tiene propiedades diferentes a las del tipo salvaje. La proteína puede perder su función, lo que puede provocar una enfermedad en el organismo. Por ejemplo, la anemia de células falciformes es causada por una mutación puntual única (una mutación sin sentido) en el gen de la beta-hemoglobina que convierte un codón GAG en GUG, que codifica el aminoácido valina en lugar de ácido glutámico. La proteína también puede exhibir una "ganancia de función" o activarse, como 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 conservadora (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 no mutada. Este tipo de cambio se denomina cambio sinónimo ya que el codón antiguo y el nuevo codifican el mismo aminoácido. Esto es posible porque 64 codones especifican sólo 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 utiliza para describir inserciones o eliminaciones de un único par de bases (lo que tiene un efecto más adverso sobre la proteína sintetizada debido a que los nucleótidos aún se leen en trillizos, pero en marcos diferentes: una mutación llamada mutación por desplazamiento de marco).

Consecuencias generales

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

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

Las mutaciones puntuales de la línea germinal pueden conducir a rasgos o enfermedades tanto beneficiosas como dañinas. 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 las 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, afirma que las mutaciones beneficiosas permiten que el organismo prospere y se reproduzca, transmitiendo así sus genes mutados afectados positivamente a la siguiente generación. Por otro lado, las mutaciones dañinas hacen que el organismo muera o tenga menos probabilidades de reproducirse en un fenómeno conocido como selección natural.

Existen diferentes efectos a corto y largo plazo que pueden surgir de las mutaciones. Los más pequeños supondrían una parada 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 provoca 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 tanto, la cromatina, pueden impedir que se produzca 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 impiden que la célula se reproduzca y, por lo tanto, conducen a su muerte. Los efectos a largo plazo pueden ser un cambio permanente de un cromosoma, que puede provocar una mutación. Estas mutaciones pueden ser beneficiosas o perjudiciales. El cáncer es un ejemplo de cómo pueden ser 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 se produce 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 del 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 mutaciones conocidas asociadas a enfermedades de mutaciones neutras, 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 nocivos. Si bien la mayoría de los métodos proporcionan una clasificación binaria de los efectos de las mutaciones en dañinas y benignas, se necesita un nuevo nivel de anotación para ofrecer una explicación de por qué y cómo estas mutaciones dañan las proteínas.

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 genética, lo que a su vez puede alterar los niveles de ARNm y, por tanto, los niveles de proteína en general.

Las mutaciones puntuales pueden tener varios efectos en el comportamiento y la reproducción de una proteína dependiendo de dónde ocurre la mutación en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Si la mutación se produce en la región del gen que se encarga de codificar la proteína, el aminoácido puede estar alterado. Este ligero cambio en la secuencia de aminoácidos puede provocar 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 cortas de nucleótidos. Una mutación en esta región puede alterar estas secuencias y, por 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 genética, 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 la poliposis coli adenomatosa promueven la tumorigénesis. Un nuevo ensayo, la proteólisis paralela rápida (FASTpp), podría ayudar a detectar rápidamente defectos de estabilidad específicos en pacientes con cáncer individuales.

Neurofibromatosis

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

Anemia falciforme

La anemia falciforme es causada por una mutación puntual en la cadena β-globina 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 β-globina se encuentra en el brazo corto del cromosoma 11. La asociación de dos subunidades de α-globina de tipo salvaje con dos subunidades de β-globina mutantes forma la hemoglobina S (HbS). En condiciones de poco oxígeno (por ejemplo, a gran altitud), la ausencia de un aminoácido polar en la posición seis de la cadena de β-globina promueve la polimerización (agregación) no covalente de la hemoglobina, que distorsiona los glóbulos rojos en una 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 por el cuerpo. Hay dos subunidades que forman la proteína hemoglobina: betaglobinas y alfaglobinas. La beta-hemoglobina se crea a partir de la información genética del HBB, o "hemoglobina beta" gen que se encuentra en el cromosoma 11p15.5. Una mutación puntual en esta cadena polipeptídica, que tiene 147 aminoácidos de longitud, produce la enfermedad conocida como anemia falciforme. La anemia falciforme 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. La única sustitución del sexto aminoácido de la betaglobina, el ácido glutámico, por valina produce glóbulos rojos deformados. Estas células falciformes 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 más mínimo esfuerzo por parte del portador provoca dolor intenso e incluso un ataque cardíaco. A continuación se muestra un cuadro que representa los primeros trece aminoácidos de 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 localiza 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 alteran la actividad de la beta-hexosaminidasa A, impidiendo la descomposición de las sustancias grasas. Como resultado, las sustancias grasas se acumulan hasta niveles mortales en el cerebro y la médula espinal. La acumulación de gangliósido GM2 provoca un daño progresivo a las células nerviosas. Ésta es la causa de los signos y síntomas de la enfermedad de Tay-Sachs.

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 está activo en Neurospora crassa, Podospora anserina, Magnaporthe grisea, Leptosphaeria maculans, Gibberella zeae y Nectria haematococca. En Neurospora crassa, las secuencias mutadas por RIP suelen estar metiladas de novo.

RIP ocurre durante la etapa sexual en núcleos haploides después de la fertilización pero antes de la replicación meiótica del ADN. En Neurospora crassa, las secuencias repetidas de al menos 400 pares de bases de longitud son vulnerables al 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 comprende bien, RIP da como resultado secuencias repetidas que sufren múltiples mutaciones de transición.

Las mutaciones RIP no parecen limitarse a secuencias repetidas. De hecho, por ejemplo, en el hongo fitopatógeno L. maculans, las mutaciones RIP se encuentran en regiones de copia única, 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 que la presencia de genes efectores dentro de dichas regiones promueve su adaptación y diversificación cuando se exponen a una fuerte presión de selección.

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

Mecanismo

RIP provoca mutaciones de transición de 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 ADN metiltransferasa que, cuando se muta o se elimina, provoca la pérdida de RIP. La eliminación del homólogo rid en Aspergillus nidulans, dmtA, produce pérdida de fertilidad, mientras que la eliminación del homólogo rid en Ascobolus immersens, masc1, produce defectos de fertilidad y pérdida de metilación inducida premeióticamente (MIP).

Consecuencias

Se cree que RIP ha evolucionado como un mecanismo de defensa contra elementos transponibles, que se parecen a los parásitos al invadir y multiplicarse dentro del genoma. RIP crea múltiples mutaciones sin sentido y sin sentido en la secuencia codificante. Esta hipermutación de G-C a A-T en secuencias repetitivas elimina los productos genéticos 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 utilizan como herramienta para la mutagénesis. Primero se transforma una segunda copia de un gen de copia única en el genoma. Luego, el hongo debe aparearse y pasar por su ciclo sexual para activar la maquinaria RIP. Se obtienen muchas mutaciones diferentes dentro del gen duplicado incluso a partir 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 óvulo contenía un núcleo antes de la fertilización y dos núcleos después. Este descubrimiento demostró que un espermatozoide puede fertilizar un óvulo y, por tanto, demostró 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 sobre la división celular a partir de 1868. El estudio de las células fue un tema cada vez más popular en este período. En 1873, Schneider ya había comenzado a describir los pasos de la división celular. Flemming amplió esta descripción en 1874 y 1875 mientras explicaba los pasos con más detalle. También argumentó con los hallazgos de Schneider de que el núcleo se separó en estructuras similares a varillas, sugiriendo que el núcleo en realidad se separó en hilos que a su vez se separaron. Flemming concluyó que las células se replican mediante división celular, más concretamente por mitosis.

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. Se consideraron 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 algo de ADN y rastrearon su distribución. Mediante este experimento, Meselson y Stahl pudieron demostrar que el ADN se reproduce de forma semiconservadora.