Las mutaciones silenciosas son mutaciones en el ADN que no tienen un efecto observable en el fenotipo del organismo. Son un tipo específico de mutación neutra . La frase mutación silenciosa se utiliza a menudo indistintamente con la frase mutación sinónima ; sin embargo, las mutaciones sinónimas no siempre son silenciosas, ni viceversa. [1] [2] [3] [4] [5] Las mutaciones sinónimas pueden afectar la transcripción , el empalme , el transporte de ARNm y la traducción , cualquiera de los cuales podría alterar el fenotipo, haciendo que la mutación sinónima no sea silenciosa. [3] La especificidad de sustrato del ARNt para el codón raro puede afectar el momento de la traducción y, a su vez, el plegamiento cotraduccional de la proteína. [1] Esto se refleja en el sesgo en el uso de codones que se observa en muchas especies. Las mutaciones que hacen que el codón alterado produzca un aminoácido con funcionalidad similar ( p. ej., una mutación que produce leucina en lugar de isoleucina ) a menudo se clasifican como silenciosas; Si se conservan las propiedades del aminoácido, esta mutación no suele afectar significativamente la función de la proteína. [6]
El código genético traduce secuencias de nucleótidos de ARNm en secuencias de aminoácidos. La información genética se codifica mediante este proceso con grupos de tres nucleótidos a lo largo del ARNm que se conocen comúnmente como codones. [7] 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 . [7] 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. [7] 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 relacionadas con enfermedades o 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 germinal se transmiten de padres a hijos. [8] [ se necesitan citas adicionales ] Los científicos han predicho que las personas tienen aproximadamente de 5 a 10 mutaciones mortales en sus genomas, pero esto es esencialmente inofensivo porque generalmente solo hay una copia de un gen malo en particular, por lo que las enfermedades son poco probables. [8] También se pueden producir mutaciones silenciosas mediante inserciones o eliminaciones , que provocan un cambio en el marco de lectura . [9]
Como las mutaciones silenciosas no alteran la función de las proteínas, a menudo se las trata como si fueran evolutivamente neutrales . Se sabe que muchos organismos exhiben sesgos en el uso de codones , lo que sugiere que existe una selección para el uso de codones particulares debido a la necesidad de estabilidad traduccional. La disponibilidad de ARN de transferencia (ARNt) es una de las razones por las que las mutaciones silenciosas pueden no ser tan silenciosas como se cree convencionalmente. [10]
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. [6]
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. [11] La inserción prematura de un codón de parada , una mutación sin sentido , puede alterar la estructura primaria de una proteína. [12] 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. [12] Las mutaciones silenciosas conducen a un cambio de una de las letras en el código triplete que representa un codón , pero a pesar del cambio de base única, el aminoácido codificado permanece sin cambios o similar en propiedades bioquímicas. Esto lo permite 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. [13] [14]
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. [15]
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 enésimo residuo de aminoácido y el n+4to residuo de aminoácido. 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. [dieciséis]
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. [10]
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 adecuadamente dependen de la secuencia primaria de la cadena polipeptídica y que la estructura es mantenido por abundancias relativas 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. [17]
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 .
Las mutaciones silenciosas afectan el plegamiento y la función de las proteínas. [1] 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. [18]
Investigaciones recientes sugieren que las mutaciones silenciosas pueden tener un efecto en la estructura y actividad de las proteínas posteriores. [19] [20] El momento y la velocidad del plegamiento de proteínas pueden alterarse, lo que puede provocar alteraciones funcionales. [21]
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 para 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. [22]
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. [23] Aunque se supone que las mutaciones silenciosas no tienen un efecto sobre el resultado fenotípico, algunas mutaciones demuestran lo contrario, como el gen 1 de resistencia a múltiples fármacos. MDR1 codifica la glicoproteína P que ayuda a eliminar los fármacos del cuerpo. Se encuentra en los intestinos, el hígado, el páncreas y el cerebro. MDR 1 se encuentra en los mismos lugares donde se encuentra CYP3A4, que es una enzima que ayuda a eliminar toxinas o medicamentos del hígado y los intestinos. Las mutaciones silenciosas como MDR 1 expresan un cambio en la respuesta fenotípica. Un estudio realizado en ratones demostró que cuando no tenían suficiente cantidad del gen MDR 1, su cuerpo no reconocía el medicamento ivermectina o ciclosporina, lo que llevaba a la creación de toxinas en sus cuerpos. [23]
MRD1 tiene más de cincuenta polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), que son cambios en la secuencia de bases de nucleótidos. [24] [23] 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 lleva a cambios en el resultado durante la traducción. Este es un ejemplo de cómo algunas mutaciones silenciosas no siempre lo son. [25] 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 cambie. 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. [23]
También se ha estudiado el exón 26 para determinar si depende del haplotipo o no. La presencia del SNP del exón 26 cambia las funciones fenotípicas cuando se combina con la presencia de mutaciones de los exones 12 y 21. Pero cuando actúa solo, no afecta tanto el resultado fenotípico. Un ejemplo de dependencia del haplotipo del exón 26 se ve cuando se analiza la quimioterapia. Dado que MDR 1 elimina medicamentos de nuestras células, se han utilizado inhibidores para bloquear la capacidad de MRD 1 para eliminar medicamentos, permitiendo así que medicamentos beneficiosos como la quimioterapia y los inmunosupresores ayuden al cuerpo a recuperarse de manera más eficiente. MDR1 tiene diferentes proteínas que ayudan a expulsar estos medicamentos específicos de las células cancerosas. [26] El verapamilo y la ciclosporina A son inhibidores comunes de MDR 1. [23] Desafortunadamente, cuando C3435T sufre una mutación del exón 12 o del exón 21 (o si las tres mutaciones ocurren al mismo tiempo creando un haplotipo), el Es menos probable que los inhibidores debiliten la función de MDR1. Múltiples genes mutados silenciosos tienden a ser más resistentes contra estos inhibidores. [26]
Mirando a 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. [25] Las estructuras secundarias del ARNm se pueden plegar, lo que significa que diferentes codones corresponden a diferentes plegamientos del ARNm. Por ejemplo, cuando el exón 26 cambia ATC a ATT, ambos codones producen el mismo aminoácido, pero 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. [27]
Otras razones detrás de la “mutación silenciosa” de MDR1 ocurren en el ARN mensajero. En el ARNm, los codones también funcionan como potenciadores del empalme de exones. Los codones deciden cuándo cortar los intrones según el codón que lee en el ARNm. [24] Los codones mutados tienen un mayor riesgo de cometer un error al cortar y empalmar intrones de la secuencia de ARNm, lo que lleva a la producción de exones incorrectos. Por tanto, se realiza un cambio en el ARN mensajero maduro. [27] Las mutaciones en el gen 1 de resistencia a múltiples fármacos muestran cómo las mutaciones silenciosas pueden tener un efecto en el resultado del fenotipo.
Mediante un rediseño a gran escala del genoma viral asistido por computadora, diseñamos cientos de mutaciones silenciosas en el poliovirus. ... A este proceso de perturbación de los sesgos intrínsecos del genoma viral lo denominamos SAVE para ingeniería de virus sintéticos atenuados
