Choroby genetyczne — takie jak mukowiscydoza czy choroba Huntingtona — uważa się za nieuleczalne, ponieważ mutacje genów występują praktycznie w każdej komórce ciała.

Mutacje genów występują, gdy jeden nukleotyd w kodonie zostaje zamieniony. W przypadku mutacji niesynonimicznych zaburza to funkcję kodonu polegającą na kodowaniu jego aminokwasu. W przypadku mutacji synonimicznych kodon nadal koduje prawidłowy aminokwas. W związku z tym mutacje te są nazywane „cichymi” i często uważane za nieistotne dla zdrowia człowieka.

Teraz naukowcy z University of Notre Dame dodają nowe dowody do powstającej koncepcji, że te ciche mutacje mogą mieć kluczowe konsekwencje. Ich badanie, opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences, pokazało, jak synonimiczna mutacja w jednym genie może znacząco wpłynąć na sąsiedni gen, zwiększając jego produkcję białka.

„Obecnie dogmatem w tej dziedzinie jest to, że w części genomu kodującej białka, jedyne mutacje, które mają znaczenie, to te, które zmieniają DNA, aby kodowało z jednego aminokwasu na inny” — powiedziała Patricia L. Clark, profesor chemii i biochemii O’Hara na Notre Dame i główna autorka badania. „To bardzo uproszczony pogląd — do tego stopnia, że ​​jest szkodliwy — na to, co ma znaczenie”.

W ramach tego badania, finansowanego przez Clark’s Director’s Pioneer Award od National Institutes of Health, naukowcy eksperymentowali z genomem bakterii E. coli, ponieważ jej mały genom i prosta struktura komórkowa sprawiają, że zadawanie fundamentalnych pytań o wpływ mutacji jest łatwiejsze niż w przypadku komórek ludzkich. Stworzyli dziewięć różnych synonimicznych wersji genu CAT (acetylotransferazy chloramfenikolu), z których każda używała różnych synonimicznych kodonów do kodowania białka CAT.

Po wyrażeniu tych różnych synonimicznych wersji odkryli, że cztery z dziewięciu synonimicznych sekwencji miały wpływ na liczbę syntetyzowanych białek CAT.

„Pomyśl o synonimicznych mutacjach jak o ogromnej kołdrze możliwych sekwencji DNA, które dadzą ci to samo białko” – powiedział Clark. „Możesz wybrać dowolną część kołdry i uzyskać to samo białko, ale czy otrzymasz tę samą ilość białka? Czy fałd białka będzie taki sam? Czy komórka będzie zdrowa? To jest to, na co patrzyliśmy”.

Początkowa hipoteza Clarka, jako eksperta w dziedzinie fałdowania białek, była taka, że ​​te cztery synonimiczne mutacje mogą zmieniać fałdowanie białka CAT, które następuje po ekspresji genu. Jednak badacze — w tym pierwsza autorka Anabel Rodriguez, wówczas doktorantka w laboratorium Clarka — odkryli, że wpływ synonimicznych mutacji występuje podczas procesu ekspresji genu, wpływając na transkrypcję DNA do RNA.

„Anabel wykazała, że ​​ilość syntezy białka CAT była skorelowana z ilością syntezy RNA CAT” — powiedział Clark. „To wskazywało, że niektóre synonimiczne mutacje zepsuły syntezę RNA z DNA. To, że Anabel była w stanie odkryć ten nowy mechanizm regulacji transkrypcji, pracując w laboratorium bez wcześniejszego doświadczenia w badaniu transkrypcji, jest niezwykłym osiągnięciem”.

Badania wykazały, że niektóre synonimiczne mutacje tworzyły ukryte miejsca transkrypcji na nici DNA CAT. Polimeraza RNA, enzym odpowiedzialny za przepisywanie DNA na RNA, wiązała się z tymi ukrytymi miejscami transkrypcji – zamiast z oczekiwanym miejscem wiązania.

Te polimerazy syntetyzowały RNA, które zaczynało się w CAT, ale rozszerzało się, aby kodować cały sąsiedni, gen upstream. W przypadku CAT, gen upstream koduje białko represora, więc wytwarzanie go w większej ilości tłumi ekspresję CAT.

Koncepcja mutacji synonimicznej wpływającej na procesy własnego genu była rozważana dopiero w ostatniej dekadzie. Tak więc pomysł, że mutacja synonimiczna jednego genu może również wpływać na procesy transkrypcji i translacji sąsiedniego genu, jest znaczącym rozszerzeniem — i czymś, co Clark i jej laboratorium planują dalej badać.

„Coraz więcej przełomowych badań pokazuje, jak niekompletna jest nasza wiedza na temat wpływu mutacji synonimicznych. Powinniśmy rozważyć, w jaki sposób te mutacje wpływają na wszystkie choroby i zaburzenia genetyczne” — powiedział Clark. „Mam nadzieję, że nasze badanie pomoże przyspieszyć budowanie kompleksowego zrozumienia”.

Następnie zespół badawczy planuje przeanalizować, w jaki sposób niektóre synonimiczne mutacje genu CAT były w stanie rekrutować polimerazę RNA do ukrytego miejsca wiązania tak wydajnie. Jest to szczególnie intrygujące, biorąc pod uwagę, że obecnie dostępne algorytmy uczenia maszynowego nie były w stanie tego dokładnie przewidzieć.

Clark pełni funkcję zastępcy wiceprezesa ds. badań i dyrektora Biophysics Instrumentation Core Facility w Notre Dame. Anabel Rodriguez, była studentka studiów podyplomowych w laboratorium Clarka i obecna instruktorka w Coastal Carolina Community College, była główną autorką badania.

Inni współautorzy badania to Jacob Diehl, Christopher Bonar, Taylor Lundgren, McKenze Moss, Jun Li, Tijana Milenkovic, Paul Huber i Matthew Champion z Notre Dame; Gabriel Wright z Milwaukee School of Engineering; i Scott Emrich z University of Tennessee.

Kontakt: Brandi Wampler, zastępca dyrektora ds. relacji z mediami, 574-631-2632, brandiwampler@nd.edu