Mutación con desplazamiento de la pauta de lectura
Definición de mutación por desplazamiento de marco
Las mutaciones por desplazamiento de marco son inserciones o deleciones en el genoma que no están en múltiplos de tres nucleótidos. Son un subconjunto de mutaciones de inserción-deleción (indel) que se encuentran específicamente en la secuencia codificante de polipéptidos. Aquí el número de nucleótidos que se agregan o eliminan de la secuencia codificante no son múltiplos de tres. Pueden surgir de mutaciones extremadamente simples, como la adición o eliminación de un solo nucleótido.
Las mutaciones por desplazamiento de marco no incluyen sustituciones en las que un nucleótido reemplaza a otro. En las mutaciones de sustitución, el polipéptido solo cambia por un único aminoácido. Las mutaciones con desplazamiento de marco tampoco incluyen indeles en las regiones reguladoras o no codificantes del genoma porque estas mutaciones no tienen ningún efecto directo sobre la secuencia de aminoácidos, aunque la regulación de las proteínas puede cambiar.
Efectos de las mutaciones por desplazamiento de marco
Las mutaciones por desplazamiento de marco se encuentran entre los cambios más perjudiciales en la secuencia codificante de una proteína. Es muy probable que conduzcan a cambios a gran escala en la longitud y la composición química del polipéptido, lo que da como resultado una proteína no funcional que a menudo interrumpe los procesos bioquímicos de una célula. Las mutaciones de cambio de marco pueden conducir a un final prematuro de la traducción del ARNm, así como a la formación de un polipéptido extendido.
También es probable que las secuencias de aminoácidos cadena abajo de la mutación de desplazamiento del marco de lectura sean químicamente distintas de la secuencia original. Por ejemplo, si se produce una mutación de cambio de marco en una proteína transmembrana integral, podría alterar enormemente el tramo de residuos hidrófobos que atraviesan la bicapa lipídica, lo que hace imposible que la proteína esté presente en su ubicación subcelular. Cuando ocurren tales errores, la célula a menudo percibe la falta de proteína funcional e intenta compensar regulando positivamente la expresión del gen mutado. Esto incluso puede abrumar la maquinaria de traducción de la célula, dando como resultado una gran cantidad de proteínas mal plegadas que eventualmente podrían conducir a un deterioro a gran escala de todas las funciones de incluso la muerte celular.
Las enfermedades causadas por mutaciones de cambio de marco en los genes incluyen la enfermedad de Crohn, la fibrosis quística y algunas formas de cáncer. Por otro lado, cuando algunas proteínas se vuelven disfuncionales, podrían tener un efecto protector, como se observa en la resistencia al VIH en personas con un gen del receptor de quimiocinas (CCR5) que contiene una mutación de cambio de marco.
Dado que las mutaciones por desplazamiento de marco suelen ser cambios en el material genético de cada célula, es raro encontrar una cura. La mayoría de las intervenciones son paliativas.
El código genético
La razón principal de la presencia de mutaciones de cambio de marco es el mecanismo del cuerpo para traducir la información genética en secuencias de aminoácidos a través de un código genético basado en tripletes. Esto significa que cada conjunto de tres nucleótidos en un ARNm representa un aminoácido o una instrucción para detener la traducción.
Descubrimiento del código genético
Los experimentos iniciales de Mendel sobre la transmisión de rasgos genéticos apuntaron hacia una entidad física y química discreta que portaba información genética. Sobre la base del análisis bioquímico masivo de las células, se detectaron cuatro componentes principales: carbohidratos, grasas, proteínas y ácidos nucleicos. Cualquiera de estos componentes podría representar material genético.
Las investigaciones iniciales sobre la naturaleza química del genoma plantearon la hipótesis de que las proteínas, con 20 aminoácidos, tenían más probabilidades de portar los factores o genes de Mendel. Sin embargo, experimentos posteriores indicaron que los ácidos nucleicos eran los portadores de información genética. Esto presentó una dificultad interesante. Si bien los ácidos nucleicos se habían analizado químicamente como polímeros hechos de 4 nucleótidos diferentes, no estaba claro cómo la información para la deslumbrante variedad de formas y funciones en el cuerpo podría surgir a partir de solo 4 nucleótidos.
Triplete codon
Un poco más tarde, el dogma central de la biología molecular indicó que la mayoría de los organismos usaban ARN como intermediario entre el ADN y las proteínas. Esto planteó la siguiente pregunta de cómo cuatro bases podrían transportar la información para codificar 20 aminoácidos. Si cada nucleótido codificara un solo aminoácido, entonces solo cuatro aminoácidos podrían codificarse de manera confiable y reproducible. Si cada dos nucleótidos codificara un aminoácido, todavía conduciría a solo 16 aminoácidos. Por lo tanto, se necesitaba un mínimo de tres nucleótidos para codificar 20 aminoácidos.
Hay 64 permutaciones posibles a partir de tripletes de nucleótidos donde cada posición en el triplete puede ser uno de 4 nucleótidos. Estos tripletes de nucleótidos se denominaron codones. Esto también dio lugar a la idea de redundancia: cada aminoácido podría estar representado por más de un triplete de codones. Algunos experimentos también revelaron que la maquinaria de traducción «leía» los codones como fragmentos discretos de 3 bases. Es decir, los ribosomas «ven» estos codones como una serie de palabras de tres letras. Por ejemplo, si una molécula de ARN tiene la secuencia AAAGGCAAG, entonces puede codificar un máximo de 3 aminoácidos de los 3 codones AAG, GGC y AAG.
Translocación de ribosomas
El ribosoma avanza tres bases después de que cada aminoácido se ha unido a la cadena polipeptídica en crecimiento. La forma en que se mueve el ribosoma es una razón importante por la que las mutaciones por desplazamiento de marco son perjudiciales y tienen efectos desproporcionados sobre la función de las proteínas. Por ejemplo, si el ribosoma solo se mueve por una única base cada vez, el ARNm anterior que contiene 9 nucleótidos puede leerse como AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA y AAG, dando lugar a un polipéptido con 7 aminoácidos. Si la translocación del ribosoma solo se moviera una base a la vez, la inserción de un solo nucleótido solo daría como resultado un pequeño cambio en la secuencia de aminoácidos y posiblemente ningún cambio en la longitud del polinucleótido.
Marcos de lectura
En el ejemplo anterior, la cadena de polinucleótidos puede codificar un máximo de 3 aminoácidos. Sin embargo, dependiendo de las regiones aguas arriba, las latas extensibles también dan como resultado solo 2 aminoácidos. Es decir, si el ribosoma se alinea con AAG o AGG en lugar de AAA inicialmente, el polímero de nucleótidos se lee de una manera diferente. De esta manera, dependiendo de la posición del sitio de inicio de la traducción, cualquier secuencia de codificación se puede leer de 3 formas diferentes. Dado que la mayor parte del ADN está hecho de cadenas dobles complementarias, conduce a un total de 6 «marcos de lectura» diferentes, de los cuales solo uno da como resultado la secuencia de aminoácidos correcta para la proteína final.
Sin embargo, cuando hay una mutación indel, hay un cambio en el marco de lectura aguas abajo de la mutación. Esto da como resultado una mutación de desplazamiento de fotograma.
Ejemplos de mutación por desplazamiento de marco
La imagen de arriba muestra las secuencias de nucleótidos y aminoácidos en una proteína de tipo salvaje, así como el resultado de una inserción de nucleótidos, lo que lleva a la incorporación de aminoácidos incorrectos y al final prematuro de la síntesis de polipéptidos. Mientras que el ARNm original tiene una secuencia de AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, la inserción de un residuo de uracilo extra en la novena posición cambia el marco de lectura. En lugar de producir un polipéptido de 7 aminoácidos que comienza con metionina y continúa hasta prolina, termina después de 4 aminoácidos, con residuos de leucina y alanina mal incorporados.
La siguiente imagen muestra los diferentes tipos de mutaciones que podrían afectar severamente la secuencia de aminoácidos. El panel A muestra la sustitución de 2 bases que da como resultado un codón de parada prematuro que trunca la proteína. Los paneles B y D demuestran el efecto de la inserción de un solo nucleótido o la deleción de 4 nucleótidos. En ambos casos, una mutación de desplazamiento de marco altera todas las secuencias de aminoácidos cadena abajo. El panel C es un subconjunto de indeles donde se insertan o eliminan 3 (o múltiplos de 3) nucleótidos. No hay mutación de cambio de marco. En este tipo particular de mutaciones indel, el número de nucleótidos mutados es bastante bajo, también puede haber un efecto muy limitado sobre la función de las proteínas.
Términos de biología relacionados
- Sitio A del ribosoma: el sitio ribosómico que principalmente recibe un ARNt entrante cargado con un residuo de aminoácido. Los enlaces peptídicos se forman en el sitio A.
- Radiomarcaje: también conocido como marcaje de radioisótopos, es una técnica que se utiliza para detectar el movimiento de una molécula en particular a través de un sistema químico, bioquímico o celular, reemplazando algunos de los átomos de los reactivos con isótopos radiactivos.
- Códigos de parada: secuencias de nucleótidos, especialmente en el ARNm que señalan el final de la traducción. UAA, UAG y UGA son los codones de terminación canónicos.
- Tipo salvaje: cepa, gen o característica que se encuentra comúnmente y que se percibe como la forma original del fenotipo.
