Mutación silenciosa

mutaciones silenciosas son mutaciones en el ADN que no tienen un efecto observable en el fenotipo del organismo. Son un tipo específico de mutación neutral. La frase mutación silenciosa a menudo se utiliza intercambiablemente con la frase mutación sinónimoSin embargo, las mutaciones sinónimos no siempre son silenciosas, ni viceversa. Las mutaciones sinónimos pueden afectar la transcripción, el espionaje, el transporte de mRNA y la traducción, cualquiera de las cuales podría alterar el fenotipo, haciendo la mutación sinónimo no silenciosa. La especificidad del sustrato del tRNA al codón raro puede afectar el momento de la traducción, y a su vez el plegado co-translacional de la proteína. Esto se refleja en el sesgo de uso del codón que se observa en muchas especies. Mutaciones que hacen que el codón alterado produzca un aminoácido con funcionalidad similar (Por ejemplo. a mutation producing leucine instead of isoleucine) are often classified as silent; if the properties of the amino acid are conserv, this mutation does not usually significantly affect protein function.

Código genético

El código genético traduce las secuencias de nucleótidos del ARNm en secuencias de aminoácidos. La información genética se codifica mediante este proceso con grupos de tres nucleótidos a lo largo del ARNm que comúnmente se conocen como codones. El conjunto de tres nucleótidos casi siempre produce el mismo aminoácido con algunas excepciones como UGA, que normalmente sirve como codón de parada pero también puede codificar triptófano en las mitocondrias de los mamíferos. La mayoría de los aminoácidos están especificados por múltiples codones, lo que demuestra que el código genético está degenerado: diferentes codones dan como resultado el mismo aminoácido. Los codones que codifican el mismo aminoácido se denominan sinónimos. Las mutaciones silenciosas son sustituciones de bases que no producen ningún cambio en el aminoácido o en su funcionalidad cuando se traduce el ARN mensajero (ARNm) alterado. Por ejemplo, si el codón AAA se modifica para convertirse en AAG, el mismo aminoácido (lisina) se incorporará a la cadena peptídica.

Las mutaciones suelen estar vinculadas a enfermedades o a impactos negativos, pero las mutaciones silenciosas pueden ser extremadamente beneficiosas para crear diversidad genética entre las especies de una población. Las mutaciones de la línea de gérmenes se transmiten del padre a la descendencia. Los científicos han predicho que las personas tienen aproximadamente 5 a 10 mutaciones mortales en sus genomas, pero esto es esencialmente inofensivo porque generalmente sólo hay una copia de un gen malo en particular por lo que las enfermedades son poco probables. Las mutaciones silenciosas también pueden producirse mediante inserciones o supresiones, que provocan un cambio en el marco de lectura.

Debido a que las mutaciones silenciosas no alteran la función proteica a menudo se tratan como si fueran evolucionariamente neutrales. Muchos organismos son conocidos por exhibir sesgos de uso del codón, sugiriendo que hay selección para el uso de codones particulares debido a la necesidad de estabilidad traslacional. Transfer RNA (tRNA) availability es una de las razones por las que las mutaciones silenciosas podrían no ser tan silenciosas como se creía convencionalmente.

Hay una molécula de ARNt diferente para cada codón. Por ejemplo, existe una molécula de ARNt específica para el codón UCU y otra específica para el codón UCC, las cuales codifican el aminoácido serina. En este caso, si hubiera mil veces menos ARNt UCC que ARNt UCU, entonces la incorporación de serina a una cadena polipeptídica ocurriría mil veces más lentamente cuando una mutación hace que el codón cambie de UCU a UCC. Si se retrasa el transporte de aminoácidos al ribosoma, la traducción se realizará a un ritmo mucho más lento. Esto puede resultar en una menor expresión de un gen particular que contiene esa mutación silenciosa si la mutación ocurre dentro de un exón. Además, si el ribosoma tiene que esperar demasiado para recibir el aminoácido, el ribosoma podría terminar la traducción prematuramente.

Consecuencias estructurales

Estructura primaria

Una mutación no sinónima que ocurre a nivel genómico o transcripcional es aquella que resulta en una alteración de la secuencia de aminoácidos en el producto proteico. La estructura primaria de una proteína se refiere a su secuencia de aminoácidos. La sustitución de un aminoácido por otro puede alterar la función de la proteína y la estructura terciaria; sin embargo, sus efectos pueden ser mínimos o tolerados dependiendo de qué tan estrechamente se correlacionen las propiedades de los aminoácidos involucrados en el intercambio. La inserción prematura de un codón de parada, una mutación sin sentido, puede alterar la estructura primaria de una proteína. En este caso, se produce una proteína truncada. La función y el plegamiento de las proteínas dependen de la posición en la que se insertó el codón de parada y de la cantidad y composición de la secuencia perdida.

Por el contrario, las mutaciones silenciosas son mutaciones en las que la secuencia de aminoácidos no se altera. Las mutaciones silenciosas provocan un cambio de una de las letras del código triplete que representa un codón, pero a pesar del cambio de base única, el aminoácido codificado permanece sin cambios o tiene propiedades bioquímicas similares. Esto está permitido por la degeneración del código genético.

Históricamente, se pensaba que las mutaciones silenciosas tenían poca o ninguna importancia. Sin embargo, investigaciones recientes sugieren que tales alteraciones en el código triplete sí afectan la eficiencia de la traducción de proteínas y el plegamiento y función de las proteínas.

Además, un cambio en la estructura primaria es fundamental porque la estructura terciaria completamente plegada de una proteína depende de la estructura primaria. El descubrimiento se realizó a lo largo de una serie de experimentos en la década de 1960 que descubrieron que la ARNasa reducida y desnaturalizada en su forma desplegada podía replegarse a la forma terciaria nativa. La estructura terciaria de una proteína es una cadena polipeptídica completamente plegada con todos los grupos R hidrófobos plegados en el interior de la proteína para maximizar la entropía con interacciones entre estructuras secundarias como láminas beta y hélices alfa. Dado que la estructura de las proteínas determina su función, es fundamental que una proteína se pliegue correctamente en su forma terciaria para que funcione correctamente. Sin embargo, es importante señalar que las cadenas polipeptídicas pueden diferir enormemente en su estructura primaria, pero ser muy similares en su estructura terciaria y función proteica.

Estructura secundaria

Las mutaciones silenciosas alteran la estructura secundaria del ARNm.

La estructura secundaria de las proteínas consiste en interacciones entre los átomos de la columna vertebral de una cadena polipeptídica, excluyendo los grupos R. Un tipo común de estructuras secundarias es la hélice alfa, que es una hélice derecha que resulta de enlaces de hidrógeno entre el residuo del aminoácido n+4º y el aminoácido n+4º. residuo. El otro tipo común de estructura secundaria es la lámina beta, que muestra una torsión hacia la derecha, puede ser paralela o antiparalela dependiendo de la dirección de los polipéptidos unidos y consta de enlaces de hidrógeno entre los grupos carbonilo y amino. del esqueleto de dos cadenas polipeptídicas.

El ARNm tiene una estructura secundaria que no es necesariamente lineal como la del ADN, por lo que la forma que acompaña al enlace complementario en la estructura puede tener efectos significativos. Por ejemplo, si la molécula de ARNm es relativamente inestable, las enzimas del citoplasma pueden degradarla rápidamente. Si la molécula de ARN es muy estable y los enlaces complementarios son fuertes y resistentes a descomprimirse antes de la traducción, entonces el gen puede estar subexpresado. El uso de codones influye en la estabilidad del ARNm.

Además, dado que todos los organismos contienen un código genético ligeramente diferente, sus estructuras de ARNm también difieren ligeramente; sin embargo, se han realizado múltiples estudios que muestran que todas las estructuras de ARNm plegadas correctamente dependen de la secuencia primaria de la cadena polipeptídica y que la estructura se mantiene gracias a la abundancia relativa de dinucleótidos en la matriz celular. También se ha descubierto que la estructura secundaria del ARNm es importante para procesos celulares como la estabilidad de la transcripción y la traducción. La idea general es que los dominios funcionales del ARNm se pliegan entre sí, mientras que las regiones de los codones de inicio y parada generalmente están más relajadas, lo que podría ayudar en la señalización del inicio y la terminación de la traducción.

Si el ribosoma entrante se detiene debido a un nudo en el ARN, entonces el polipéptido podría tener tiempo suficiente para plegarse en una estructura no nativa antes de que la molécula de ARNt pueda agregar otro aminoácido. Las mutaciones silenciosas también pueden afectar el empalme o control transcripcional.

Estructura terciaria

Las mutaciones silenciosas afectan el plegamiento y la función de las proteínas. Normalmente, una proteína mal plegada se puede volver a plegar con la ayuda de chaperonas moleculares. El ARN normalmente produce dos proteínas comunes mal plegadas al tender a plegarse y atascarse en diferentes conformaciones y tiene dificultades para identificar la estructura terciaria específica favorecida debido a otras estructuras competidoras. Las proteínas de unión a ARN pueden ayudar con los problemas de plegamiento del ARN; sin embargo, cuando se produce una mutación silenciosa en la cadena de ARNm, estas chaperonas no se unen adecuadamente a la molécula y no pueden redirigir el ARNm al pliegue correcto.

Investigaciones recientes sugieren que las mutaciones silenciosas pueden tener un efecto en la estructura y actividad de las proteínas posteriores. El momento y la velocidad del plegamiento de las proteínas pueden alterarse, lo que puede provocar alteraciones funcionales.

Investigación y aplicaciones clínicas

Las mutaciones silenciosas se han empleado como estrategia experimental y pueden tener implicaciones clínicas.

Steffen Mueller, de la Universidad de Stony Brook, diseñó una vacuna viva contra la polio en la que el virus fue diseñado para que los codones sinónimos reemplacen a los que se encuentran naturalmente en el genoma. Como resultado, el virus aún pudo infectar y reproducirse, aunque más lentamente. Ratones que fueron vacunados con esta vacuna y mostraron resistencia contra la cepa natural de polio.

En experimentos de clonación molecular, puede resultar útil introducir mutaciones silenciosas en un gen de interés para crear o eliminar sitios de reconocimiento para enzimas de restricción.

Los trastornos mentales pueden ser causados por mutaciones silenciosas. Una mutación silenciosa hace que el gen del receptor de dopamina D2 sea menos estable y se degrade más rápido, subexpresando el gen.

Una mutación silenciosa en el gen 1 de resistencia a múltiples fármacos (MDR1), que codifica una bomba de membrana celular que expulsa los fármacos de la célula, puede ralentizar la traducción en una ubicación específica para permitir que la cadena peptídica se doble en una conformación inusual. Por tanto, la bomba mutante es menos funcional.

Las desviaciones de la sensibilidad promedio al dolor son causadas tanto por una mutación de ATG a GTG (no sinónima) como por una mutación de CAT a CAC (sinónima). Estas dos mutaciones son compartidas por el gen de baja sensibilidad al dolor y el de alta sensibilidad al dolor. La baja sensibilidad al dolor tiene una mutación silenciosa adicional de CTC a CTG, mientras que la alta sensibilidad al dolor no la tiene y comparte la secuencia de CTC en esta ubicación con la sensibilidad al dolor promedio.

Gene de resistencia multidrogas 1

Alrededor del 99,8% de los genes que sufren mutaciones se consideran silenciosos porque el cambio de nucleótido no cambia el aminoácido que se traduce. Aunque se supone que las mutaciones silenciosas no tienen un efecto en el resultado fenotípico, algunas mutaciones prueban lo contrario como el Gene de Resistencia Multidrogas 1. Códigos MDR1 para la P-glycoproteína que ayuda a deshacerse de las drogas en el cuerpo. Se encuentra en los intestinos, hígado, páncreas y cerebro. MDR 1 se encuentra en los mismos lugares en los que se encuentra CYP3A4, que es una enzima que ayuda a deshacerse de toxinas o drogas del hígado y los intestinos. Las mutaciones silenciosas como MDR 1 expresan un cambio en la respuesta fenotípica. Un estudio realizado sobre ratones mostró cuando no tenían suficiente del gen MDR 1, su cuerpo no reconoció la droga ivermectina o ciclosporina, lo que llevó a la creación de toxinas en sus cuerpos.

MRD1 tiene más de cincuenta polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), que son cambios en la secuencia de bases de nucleótidos. En MDR1, el gen exón 26 que representa 3535C puede mutar a 3535T, lo que luego cambia el ARN de transferencia a uno que no se ve con frecuencia, lo que provoca cambios en el resultado durante la traducción. Este es un ejemplo de cómo algunas mutaciones silenciosas no siempre lo son. Se ha estudiado que los genes de resistencia a múltiples fármacos en el exón 26 C3435T, el exón 21 G2677T/A y el exón 12 C1236T tienen SNP que ocurren al mismo tiempo, lo que hace que la "función" fenotípica ;cambiar. Esto sugiere una dependencia del haplotipo entre el exón 26 y otros exones que tienen polimorfismos. Por ejemplo, efavirenz y nelfinavir son dos tipos de medicamentos que ayudan a disminuir la infección por VIH en el cuerpo de una persona. Cuando el SNP del exón 26 se combina con otros exones de SNP, los fármacos tienen menos posibilidades de mantener la infección por VIH. Aunque, cuando se expresan los nucleótidos TT en el exón 26, el paciente tiene una concentración más baja del virus, pero cuando el genotipo se transforma en CC o CT, la infección puede propagarse normalmente dejando el gen MDR 1 casi indefenso. Estos cambios en las bases del exón 26 para MDR 1 muestran una correlación entre las mutaciones del gen MDR 1 y la capacidad de los fármacos antirretrovirales para suprimir la infección por VIH.

Exon 26 también ha sido estudiado sobre si es dependiente o no haplotipo. La presencia del SNP de exón 26 cambia las funciones fenotípicas cuando se combina con la presencia de mutaciones de exones 12 y 21. Pero cuando actúa solo, no afecta el resultado fenotípico tan fuertemente. Un ejemplo de dependencia de exon 26 haplotipo se ve cuando se mira la quimioterapia. Dado que el MDR 1 elimina los medicamentos de nuestras células, los inhibidores se han utilizado para bloquear la capacidad del MRD 1 para eliminar los medicamentos, permitiendo así que los medicamentos beneficiosos como quimioterapia e inmunosupresores ayuden al cuerpo a recuperarse de manera más eficiente. MDR1 tiene diferentes proteínas que ayudan a exiliar estos medicamentos específicos de células cancerosas. Verapamil y ciclosporina A son inhibidores comunes para MDR 1. Desafortunadamente, cuando C3435T se muta con una mutación del exón 12 o del exón 21 (o si las tres mutaciones ocurren al mismo tiempo creando un haplotipo), los inhibidores son menos propensos a debilitar la función de MDR1. Múltiples genes mutados silenciosos tienden a ser más resistentes contra estos inhibidores.

Si observamos el nivel molecular, la razón por la cual C3435T en el exón 26 del gen MDR 1 no está en silencio es por el ritmo al que los aminoácidos se traducen en proteínas. Las estructuras secundarias del ARNm pueden plegarse, lo que significa que diferentes codones corresponden a diferentes plegamientos del ARNm. Por ejemplo, cuando el exón 26 cambia de ATC a ATT, ambos codones producen el mismo aminoácido, pero el ATC se observa con más frecuencia que el codón de mutación. Como consecuencia, cambia la cantidad de tiempo que le toma al ribosoma producir su confirmación proteica. Esto conduce a una estructura proteica diferente de la forma habitual de la proteína, lo que conduce a diferentes funciones de la proteína.

Otras razones detrás de la “mutación silenciosa” de MDR1 ocurren en el ARN mensajero. En mRNA, los codones también funcionan como potenciadores exon splicing. Codons decide cuándo cortar intrones basado en el codón que está leyendo en mRNA. Los codones mutados tienen un mayor riesgo de cometer un error al arrojar intrones de la secuencia de MRNA que conduce a los exones equivocados que se producen. Por lo tanto, haciendo un cambio al RNA mensajero maduro. Las mutaciones en el Gene de Resistencia Multidrogas 1 muestran cómo las mutaciones silenciosas pueden tener un efecto en el resultado del fenotipo.