Génové mutácie

Génové mutácie sú malé zmeny genetickej informácie, ktoré postihujú malý počet nukleotidov v DNA, väčšinou len jeden. Preto sa nazývajú aj bodové mutácie. Účinok takejto mutácie na gén je rôzny. Mutovaný gén (mutantná alela) si môže zachovať plnú funkčnosť oproti pôvodnému génu, ale tak isto môže jediná mutácia (napr. zámena nukleotidu na jednom mieste) viesť k úplnému znefunkčneniu proteínu, ktorý je mutovaným génom kódovaný a výsledkom je genetické ochorenie, ktoré sa prejaví u potomstva.

Predispozícia na genetické ochorenie vznikla už v jadre vajíčka alebo spermie, tzn. že sa nezískava počas života jedinca, ale bola zdedená (preto genetické ochorenie).

Bodové mutácie klasifikujeme na základe viacerých kritérií podľa toho, na akej úrovni dané zmeny sledujeme. Toto členenie je vo svojej podstate hierarchické a zahŕňa celý priebeh proteosynzézy až po výsledný produkt (proteín). Rozlišujeme teda mutácie s efektom na:

  • efekt na sekvenciu DNA
  • efekt na sekvenciu aminokyselín
  • efekt na čítací rámec
  • efekt na funkciu daného proteínu

Nasledovný príklad ilustruje, aký významný vplyv môžu bodové mutácie mať: Zámena nukleotidu je malá mutácia na úrovni sekvencie DNA. Ale ak napríklad vznikne z tripletu ATG (ktorému komplementárny kodón UAC kóduje zaradenie tryptofánu pri translácii) zámenou guanínu za cytozín triplet ATC, vznikne STOP kodón UAG, čo na tomto mieste preruší čítací rámec a následnú transláciu a výsledkom je krátky nefunkčný proteín zaradený napr. do dôležitej enzymatickej dráhy, čím spôsobí narušenie homeostázy celého organizmu.

Efekt na sekvenciu DNA

Zmeny na úrovni sekvencie nukleotidov sú prvotnými zmenami, od ktorých sa odrážajú zmeny na ostatných hierarchických úrovniach v prípade, že nastanú v oblasti génu, ktorá priamo slúži na prepis do mRNA (transkripciu) a preklad do primárnej štruktúry polypeptidového reťazca (transláciu). Mutácia môže samozrejme nastať aj na iných úrovniach, ale je nevýznamná, lebo sa týka len jednej molekuly (mRNA alebo proteínu), ale mutácia DNA je vzorom pre každú (!) molekulu mRNA a proteínu, ktorý na jej základe vzniká.

Nie každá oblasť DNA slúži ako "vzor" pre proteíny, ktoré podľa nej procesom transkripcie a translácie vznikajú. Spomeňte si len na také známe prípady ako sú tRNA a rRNA, ktoré sa nikdy neprekladujú do proteínov, pretože majú odlišné, špeciálne funkcie. Do proteínov sa nedostávajú ani oblasti na DNA, ktoré označujeme pojmom intróny. Sú typické hlavne pre eukaryoty. V skutočnosti len 5% (!) celkovej ľudskej DNA predstavuje proteín-kódujúce sekvencie. Zvyšok sú tzv. nekódujúce sekvencie, k významom ktorým sa dnešná veda snaží postupne dopátrať.

Z hľadiska sekvencie DNA rozoznávame niekoľko typov bodových mutácií:

  • substitúcie - zámeny nukleotidu za iný, ktoré sa klasifikujú nasledovne:
    • tranzície - zámena purínu za purín alebo pyrimidínu za pyrimidín (napr. C za T)
    • transverzie - zámena purínu za pyrimidín alebo opačne (napr. C za G)
    • zámena nukleotidu za látku s čiastočne odlišnou chemickou štruktúrou (neprirodzený nukleotid)
  • inzercia (adícia) - vloženie jedného alebo viacerých nukleotidov
  • delécia - strata jedného alebo viacerých nukleotidov

Tieto typy bodových mutácií môžu spôsobovať:

  • vonkajšie faktory - chemické mutagény (analógy báz a chemomutagény modifikujúce bázy zapríčiňujú substitúcie, interkalačné činidlá zapríčiňujú inzercie a delécie)
  • vnútorné faktory - produkty bunkového metabolizmu, chyby pri replikácii, rekombinácii a reparácii DNA

Efekt na sekvenciu aminokyselín

Transkripciou nukleotidovej sekvencie génu vzniká v bunkovom jadre mRNA, ktorá je medzičlánkom medzi DNA a proteínom. Trojica nukleotidov na mRNA sa označuje pojmom kodón. K jednému kodónu na mRNA je komplementárny antikodón na tRNA. Transferová RNA prináša k miestu syntézy polypeptidového reťazca špecifické aminokyseliny. Tento proces sa nazýva translácia a prebieha na ribozómoch.

Mutácie, ktoré prebiehajú v proteín-kódujúcich oblastiach DNA, sa na ďalšom hierarchickom stupni prejavujú zmenou sekvencie kodónov na mRNA. Na základe ich efektu rozlišujeme:

  • mutácie so zmenou zmyslu (missense mutation) - zmena kodónu spôsobí zaradenie inej, chemicky značne odlišnej aminokyseliny do polypeptidového reťazca
  • neutrálne mutácie - mutácie spôsobujú zámenu jednej aminokyseliny za inú aminokyselinu s podobnými chemickými vlastnosťami, takže zmena je menej výrazná
  • tiché mutácie (silent mutation) - na základe degenerovanosti genetického kódu nastáva zaradenie rovnakej aminokyseliny napriek odlišnému kodónu (jedná sa predovšetkým o niektoré substitúcie na 3. pozícii nukleotidu)

Efekt na čítací rámec

Čítací rámec je spôsob, akým sa interpretujú sekvencie nukleotidov do sekvencie aminokyselín. Každý kodón je daný trojicou za sebou idúcich nukleotidov, pričom platí:

 

dĺžka čítacieho rámca = počet aminokyselín × 3

Mutácie, ktoré ovplyvňujú čítanie kodónov na mRNA, sú rozsiahle zmeny vedúce takmer vždy k syntéze nefunkčného proteínu. Sú to tieto mutácie:

  • mutácie bez zmyslu (nonsense mutation) - zmena kodónu pre niektorú aminokyselinu za STOP kodón (UAG, UAA alebo UGA) spôsobí predčasné ukončenie translácie na ribozóme
  • posunové mutácie (frameshift mutation) - sú špeciálnym typom mutácií, ktorých podstatou je inzercia alebo delécia takého počtu nukleotidov, ktorý nie je násobkom 3, čo vedie k posunu čítania kodónov na ribozóme, následkom čoho nastáva zaradenie úplne odlišných aminokyselín od miesta mutácie

Efekt na funkciu proteínu

Mnohé spomenuté mutácie dokážeme rozoznať len vtedy, ak ovplyvnia fenotyp daného jedinca. Mutácia v proteíne sa môže správať rôzne:

  • mutácia typu gain-of-function - mutovaný proteín získal nové abnormálne vlastnosti, a preto je fenotyp takejto mutácie väčšinou dominantný
  • mutácia typu loss-of-function - mutovaný proteín je nefunkčný, ale druhá kópia (normálna, nemutovaná alela) väčšinou postačuje pokryť potreby organizmu, preto je táto mutácia recesívna
  • dominantne negatívna mutácia - je špeciálnym prípadom mutácie, pri ktorej má mutovaná alela taký dominantný fenotyp, že jej produkt je svojim prejavom antagonistický voči produktu normálnej alely, takže výsledkom je strata funkcie napriek prítomnosti jednej normálnej alely
Príkladom dominantne negatívnej mutácie sú napr. proteíny, ktoré vykonávajú svoju funkciu len vtedy, keď je spojených niekoľko rovnakých molekúl do komplexnej kvartérnej štruktúry. Takáto štruktúra sa označuje pojmom homomér a zvyčajne sa konkretizuje počtom zložiek, ktoré ju tvoria. Napr. funkčný proteín p53 formuje homotetramér zložený zo 4 identických molekúl monoméru p53. Zákernosť dominantne negatívnej mutácie spočíva v tom, že na tvorbu 1 funkčného homotetraméru p53 sú potrebné 4 molekuly "dobrého" monoméru p53. Keďže mutovaná alela tvorí "zlý" monomér p53 rovnako intenzívne ako normálna alela, je pravdepodobnosť vzniku homotetraméru so 4 "dobrými" monomérmi p53 len 20%.