Una mutación puntual es una mutación genética en la que se modifica, inserta o elimina una única base de nucleótido de una secuencia de ADN o ARN del genoma de un organismo. [1] Las mutaciones puntuales tienen diversos efectos en el producto proteico derivado, consecuencias que son moderadamente predecibles en función de las particularidades de la mutación. Estas consecuencias pueden variar desde la ausencia de efectos (por ejemplo, mutaciones sinónimas ) hasta efectos perjudiciales (por ejemplo, mutaciones por desplazamiento del marco de lectura ), en lo que respecta a la producción, la composición y la función de las proteínas.
Las mutaciones puntuales suelen producirse durante la replicación del ADN . La replicación del ADN se produce cuando una molécula de ADN de doble cadena crea dos cadenas simples de ADN, cada una de las cuales es una plantilla para la creación de la cadena complementaria. Una sola mutación puntual puede cambiar toda la secuencia de ADN. Cambiar una purina o una 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 aumentar con mutágenos . Los mutágenos pueden ser físicos, como la radiación de los rayos UV , 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 los cánceres se estudian a menudo para aprender sobre el cáncer y su prevención.
Existen múltiples formas de que se produzcan mutaciones puntuales. En primer lugar, la luz ultravioleta (UV) y la luz de mayor frecuencia tienen capacidad ionizante, que a su vez puede afectar al 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 de cadena simple como de cadena doble del ADN. En tercer lugar, los enlaces del ADN acaban degradándose, lo que crea otro problema para mantener la integridad del ADN en un alto nivel. También pueden producirse errores de replicación que provoquen mutaciones de sustitución, inserción o deleción.
En 1959, Ernst Freese acuñó los términos "transiciones" o "transversiones" para categorizar los diferentes tipos de mutaciones puntuales. [2] [3] Las transiciones son el reemplazo de una base de purina por otra purina o el reemplazo de una pirimidina por otra pirimidina. Las transversiones son el reemplazo 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.
Las mutaciones sin sentido incluyen stop-gain y start-loss. Stop-gain es una mutación que resulta en un codón de terminación prematuro ( se ganó un stop ), que señala el final de la traducción. Esta interrupción hace que la proteína se acorte anormalmente. La cantidad de aminoácidos perdidos media el impacto en la funcionalidad de la proteína y si funcionará de alguna manera. [4] Stop-loss es una mutación en el codón de terminación original ( se perdió un stop ), que resulta en una extensión anormal del extremo carboxilo terminal de una proteína. Start-gain 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 marco dentro de la transcripción procesada y aguas abajo de un sitio de unión ribosomal, se puede utilizar para iniciar la traducción. El efecto probable es que se agreguen aminoácidos adicionales al extremo amino terminal de la proteína original. Las mutaciones de cambio de marco también son posibles en las mutaciones start-gain, pero generalmente 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. [4] Las mutaciones conservadoras dan como resultado un cambio de aminoácido. Sin embargo, las propiedades del aminoácido siguen siendo las mismas (p. ej., hidrofóbico, hidrofílico, 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 soportar 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 única mutación puntual (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, tal 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 causa una señalización proliferativa ilimitada en las células cancerosas. [5] 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 único 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 solo 20 aminoácidos. Sin embargo, diferentes codones pueden conducir a niveles diferenciales de expresión de proteínas. [4]
A veces se utiliza el término mutación puntual 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 todavía se leen en tripletes, pero en marcos diferentes: una mutación llamada mutación por desplazamiento del marco ). [4]
Las mutaciones puntuales que se producen en secuencias no codificantes no suelen tener consecuencias, aunque hay excepciones. Si el par de bases mutado se encuentra en la secuencia promotora de un gen, la expresión del gen puede cambiar. Además, si la mutación se produce en el sitio de empalme de un intrón , esto puede interferir con el empalme correcto del pre-ARNm transcrito .
Al alterar un solo aminoácido, se puede modificar todo el péptido , lo que modifica la proteína entera. La nueva proteína se denomina variante proteica. Si la proteína original funciona en la reproducción celular, esta única mutación puntual puede cambiar todo el proceso de reproducción celular de este organismo.
Las mutaciones puntuales de la línea germinal pueden dar lugar a rasgos beneficiosos y perjudiciales o a enfermedades. Esto da lugar a adaptaciones basadas en el entorno en el que 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 perjudiciales 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 serían una detención del ciclo celular en numerosos puntos. Esto significa que un codón que codifica para el aminoácido glicina puede cambiarse a un codón de terminación, causando que las proteínas que deberían haberse producido se deformen y sean incapaces de completar sus tareas previstas. Debido a que las mutaciones pueden afectar al ADN y, por lo tanto, a 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 ellos impiden que la célula se reproduzca y, por lo tanto, conducen a la muerte de la célula. Los efectos a largo plazo pueden ser un cambio permanente de un cromosoma, lo que puede conducir a una mutación. Estas mutaciones pueden ser beneficiosas o perjudiciales. El cáncer es un ejemplo de cómo pueden ser perjudiciales. [6]
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 ocurre en la región del gen responsable de la codificación, la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada puede alterarse, causando un cambio en la función, la localización de la proteína, la estabilidad de la proteína o el 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 a sus modelos para distinguir las mutaciones asociadas a enfermedades conocidas de las mutaciones neutrales, mientras que otros métodos no entrenan explícitamente sus modelos, pero casi todos los métodos explotan la conservación evolutiva asumiendo que los cambios en posiciones conservadas tienden a ser más perjudiciales. Si bien la mayoría de los métodos proporcionan una clasificación binaria de los efectos de las mutaciones en perjudiciales y benignos, se necesita un nuevo nivel de anotación para ofrecer una explicación de por qué y cómo estas mutaciones dañan las proteínas. [7]
Además, si la mutación se produce 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 se alterarán las secuencias cortas de nucleótidos reconocidas por los factores de transcripción. Las mutaciones en esta región pueden afectar la tasa de eficiencia de la transcripción génica, lo que a su vez puede alterar los niveles de ARNm y, por lo 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 se produzca la mutación en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Si la mutación se produce en la región del gen responsable de la codificación de la proteína, el aminoácido puede verse alterado. Este ligero cambio en la secuencia de aminoácidos puede provocar un cambio en la función, la activación de la proteína, es decir, en cómo se une a una enzima determinada, en dónde se ubicará la proteína dentro de la célula o en la cantidad de energía libre almacenada dentro de la proteína.
Si la mutación se produce 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 lo 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 génica, que controla tanto los niveles de ARNm como los niveles generales de proteína. [8]
Las mutaciones puntuales en múltiples proteínas supresoras de tumores causan cáncer . Por ejemplo, las mutaciones puntuales en la poliposis adenomatosa de coli promueven la tumorogénesis. [9] Un nuevo ensayo, la proteólisis paralela rápida (FASTpp) , podría ayudar a detectar rápidamente defectos de estabilidad específicos en pacientes con cáncer individuales. [10]
La neurofibromatosis es causada por mutaciones puntuales en el gen de la neurofibromina 1 [11] [12] o de la neurofibromina 2. [13]
La anemia de células falciformes es causada por una mutación puntual en la cadena β-globina de la hemoglobina, que hace que el aminoácido hidrófilo ácido glutámico sea reemplazado por el aminoácido hidrófobo 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 bajo nivel de oxígeno (por ejemplo, en una gran altitud), la ausencia de un aminoácido polar en la posición seis de la cadena de β-globina promueve la polimerización no covalente (agregación) de la hemoglobina, lo que distorsiona los glóbulos rojos y les da forma de hoz y disminuye su elasticidad. [14]
La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos y es responsable del transporte de oxígeno a través del cuerpo. [15] Hay dos subunidades que componen la proteína hemoglobina: beta-globinas y alfa-globinas . [16] La beta-hemoglobina se crea a partir de la información genética del gen HBB, o "hemoglobina, beta" que se encuentra en el cromosoma 11p15.5. [17] Una única mutación puntual en esta cadena polipeptídica, que tiene 147 aminoácidos de longitud, da como resultado la enfermedad conocida como anemia de células falciformes. [18] La anemia de células falciformes 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. [17] El reemplazo único del sexto aminoácido en la beta-globina, ácido glutámico, con valina da como resultado 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 resulta en un dolor intenso e incluso un ataque cardíaco. A continuación se muestra un gráfico que representa los primeros trece aminoácidos de la cadena polipeptídica normal y anormal de las células falciformes . [18]
La causa de la enfermedad de Tay-Sachs es un defecto genético que se transmite de padres a hijos. Este defecto genético se encuentra 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 letales en el cerebro y la médula espinal. La acumulación de gangliósido GM2 causa un daño progresivo a las células nerviosas. Esta es la causa de los signos y síntomas de la enfermedad de Tay-Sachs. [19]
En biología molecular , la mutación puntual inducida por repetición o RIP es un proceso por el cual el ADN acumula mutaciones de transición de G : C a A : T. La evidencia genómica indica que la RIP ocurre o ha ocurrido en una variedad de hongos [20] mientras que la evidencia experimental indica que la RIP está activa en Neurospora crassa , [21] Podospora anserina , [22] Magnaporthe grisea , [23] Leptosphaeria maculans , [24] Gibberella zeae [25] y Nectria haematococca . [26] En Neurospora crassa , las secuencias mutadas por RIP a menudo se metilan de novo . [21]
La RIP ocurre durante la etapa sexual en los núcleos haploides después de la fertilización pero antes de la replicación del ADN meiótico . [21] En Neurospora crassa , las secuencias repetidas de al menos 400 pares de bases de longitud son vulnerables a la RIP. Las repeticiones con una identidad de nucleótidos tan baja como el 80% también pueden estar sujetas a la RIP. Aunque el mecanismo exacto de reconocimiento de repeticiones y mutagénesis no se entiende bien, la RIP da como resultado secuencias repetidas que experimentan múltiples mutaciones de transición .
Las mutaciones RIP no parecen estar limitadas 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. [27]
Rep y Kistler han especulado que la presencia de regiones altamente repetitivas que contienen transposones puede promover la mutación de genes efectores residentes. [28] 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. [29]
Como tradicionalmente se observa que la mutación RIP está restringida a regiones repetitivas y no a regiones de copia única, Fudal et al. [30] sugirieron que la fuga de la mutación RIP podría ocurrir dentro de una distancia relativamente corta de una repetición afectada por RIP. De hecho, esto se ha informado en N. crassa , donde se detectó una fuga de RIP en secuencias de copia única al menos a 930 pb del límite de secuencias duplicadas vecinas. [31] Dilucidar el mecanismo de detección de secuencias repetidas que conducen a RIP puede permitir comprender cómo las secuencias flanqueantes también pueden verse afectadas.
RIP causa 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 metiltransferasa del ADN, que cuando se muta o se elimina da como resultado la pérdida de RIP. [32] La eliminación del homólogo rid en Aspergillus nidulans , dmtA , da como resultado la pérdida de fertilidad [33] mientras que la eliminación del homólogo rid en Ascobolus sumergens , masc1 , da como resultado defectos de fertilidad y pérdida de metilación inducida premeióticamente (MIP) . [34]
Se cree que el RIP ha evolucionado como un mecanismo de defensa contra los elementos transponibles , que se asemejan a los parásitos al invadir y multiplicarse dentro del genoma. El RIP crea múltiples mutaciones sin sentido y sin sentido en la secuencia codificante. Esta hipermutación de GC a AT en secuencias repetitivas elimina los productos génicos funcionales de la secuencia (si es que había alguno al principio). Además, muchos de los nucleótidos que contienen C se metilan , lo que disminuye la transcripción.
Debido a que el RIP es tan eficiente en la detección y mutación de repeticiones, los biólogos fúngicos a menudo lo utilizan como una herramienta para la mutagénesis . Una segunda copia de un gen de copia única se transforma primero en el genoma . Luego, el hongo debe aparearse y pasar por su ciclo sexual para activar la maquinaria RIP. Muchas mutaciones diferentes dentro del gen duplicado se obtienen 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 . [35]
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 se dio cuenta de que cada óvulo contenía un núcleo antes de la fecundación y dos núcleos después. Este descubrimiento demostró que un espermatozoide podía fecundar un óvulo y, por lo 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. [36]
Flemming comenzó a investigar la división celular en 1868. El estudio de las células era un tema cada vez más popular en ese período. En 1873, Schneider ya había comenzado a describir los pasos de la división celular. Flemming amplió esta descripción en 1874 y 1875, al explicar los pasos con más detalle. También discutió los hallazgos de Schneider de que el núcleo se separaba en estructuras similares a varillas al sugerir que el núcleo en realidad se separaba en hebras que a su vez se separaban. Flemming concluyó que las células se replican a través de la división celular, para ser más específicos, la mitosis. [37]
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 algún tipo de proceso de replicación. Sin embargo, no se realizó mucha investigación sobre este aspecto del ADN hasta después de Watson y Crick. La gente consideró 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. A través de este experimento, Meselson y Stahl pudieron demostrar que el ADN se reproduce de manera semiconservativa. [38]
