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小小点突变,为何能影响表型?

点突变为何能影响表型?|  赛业生物

 

基因点突变指只有一个碱基对发生改变。基因点突变是基因突变的一种类型,是生物进化的动力来源之一,具有随机性、低频性和可逆性等特点。基因点突变所产生的基因组SNP变异是人类疾病发生、生理生化表型差异的内在原因之一。迄今,已有众多的研究表明,点突变能使人类对癌症、听力疾病、精神病等多种疾病的易感性增加。因而了解点突变作用机制对疾病治疗与预防具有重要意义。

 

基因点突变可以发生在基因组任意位置上,能对蛋白质的生物学功能、基因的网络调控机制等产生影响。今天我们就看一看在基因组上不同区域发生的点突变是如何影响基因的功能和产生突变表型的。

 

在功能蛋白的编码区发生的点突变

点突变发生在功能蛋白的基因编码区中,这是我们所熟知的一种点突变的情况,能对多肽链中氨基酸序列产生影响。一般包括同义突变、错义突变、无义突变和终止密码突变。

 

1. 同义突变:

当碱基置换后,变换成另一个密码子。由于mRNA翻译的过程中存在简并密码子,因而突变前、后密码子所编码的氨基酸不变,故实际上不会发生突变效应。例如DNA链中的“AGT”的第三位碱基“T”突变为“C”,则mRNA的密码子由“TCA”变为“TCG”。由于“TCA”和“TCG”都是编码丝氨酸的密码子,所以突变前后的蛋白质相同。

 

2. 错义突变:

碱基对的置换使mRNA的某一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子的突变称为错义突变。错义突变可导致机体内某种蛋白质或酶在结构发生改变,降低蛋白质的活性,甚至完全丧失功能。如较为熟悉的镰刀型红细胞贫血,其病因就是由于基因点突变所造成的。正常血红蛋白β链的第六位是谷氨酸,其密码子为GAA或GAG,如果第二个碱基A被U替代,就变成GUA或GUG,谷氨酸则被缬氨酸所替代,形成异常的血红蛋白S而发病。

 

3. 无义突变:

由于点突变使原先编码氨基酸的密码子变为终止密码子,使得多肽链合成提前终止,产生没有生物活性的多肽链。从而影响了原蛋白的生物学功能。

 

4. 终止密码突变:

基因中一个终止密码突变为编码某个氨基酸的密码子的突变称为终止密码突变。由于肽链合成直到下一个终止密码出现才停止,因而合成了过长的多肽链。

 

在内含子区发生的点突变

内含子在真核生物中占据很大的比例,其序列特性能提供剪切信号来影响转录本的剪切加工。因而当点突变发生在内含子区时能影响剪切位点的活性,且可能影响转录本的剪切,继而影响蛋白质序列,产生突变表型。

 

在基因调控区域的点突变

基因调控区域存在多种顺式调控原件,如启动子、增强子、衰减子等。这些顺式调控原件是转录因子的结合位点,它们通过与转录因子结合而精确调控基因转录的起始和转录效率。如果点突变发生在这些区域中,就会导致与调控因子的结合能力发生改变,从而影响正常的基因表达。在研究TERT启动子对黑色素瘤的调控机制时发现,TERT启动子发生点突变会影响转录因子的结合活性,继而改变下游基因的表达,从而促进黑色素瘤的发生 [1]

图 1. TERT启动子突变后能提高转录活性 | 赛业生物

图 1. TERT启动子突变后能提高转录活性 [1]

(a)TERT启动子的点突变位点。chr5:1295228C>T(C228T)和chr5:1295250C>T(C250T)。(b)通过荧光素酶报告实验检测野生型和突变型的TERT启动子活性。与A375、RPMI-7951、UACC-62、T24或HepG2细胞系中的野生型启动子相比,这两种突变在5种不同细胞系中的转录活性都增加了约2-4倍。

 

在基因间隔间的点突变

在功能基因的间隔存在众多的非编码RNA。这些非编码RNA对下游的功能基因具有调控作用,当点突变发生在此处,则会影响非编码RNA的生成和识别下游靶基因的能力,继而影响下游功能基因的表达,产生突变表型。在人类miR-96突变引起非综合征性进行性听力损失的报道中[2],患者因miR-96成熟序列的第五个碱基或第六个碱基发生突变而产生听力障碍。发生SNP突变的miR-96在茎环结构形成大的突起,使其无法大量表达(图2),并且miR-96对靶基因mRNA的识别能力降低(图3)。

图2. miR96点突变导致其前体稳定性降低而降低其表达量 | 赛业生物

图2. miR96点突变导致其前体稳定性降低而降低其表达量 [2]

(a)野生型和突变型的miR96前体(Pre-miR96)二级结构分析。突变型miR96前体的二级结构分别在第13或第14个碱基处有突起,且miR96前体二级结构自由能上升(野生型Initial dG=-34.40,突变型Initial dG=-27.30或-27.80)。预测结果表明突变型miR96前体二级结构的稳定性降低。(b)RNA Blot检测miR96成熟体的表达量。将野生型和突变型的miR96前体装载进psiUx plasmid,并转染HeLa cells表达miR96成熟体,通过设计特异性探针检测其表达量。发现转野生型miR96前体的HeLa cells的miR96成熟体表达量最高。表明突变型miR96前体二级结构的稳定性降低会影响miR96成熟体的表达量。

图3. miR96点突变导致其对靶基因的识别能力降低 | 赛业生物

图3. miR96点突变导致其对靶基因的识别能力降低 [2]

(a)野生型和突变型miR96与靶基因mRNA的配对情况。(b)荧光素酶报告实验验证miR96点突变降低其对靶基因的识别能力。五个靶基因3’UTR靶区域序列装载进pGL3载体中,通过共转染野生型和突变型siR96计算荧光素酶活性。结果表明miR96点突变降低其对靶基因的识别能力。

 

作为基因改变相关疾病最主要的诱因,针对点突变的研究不论是在先天的遗传疾病还是后天突变导致的肿瘤中都具有重要的意义。由于人类疾病中基因产物并非总是如转基因一样的高表达,也不是像基因敲除一样完全不表达。很多情况下只是由于单个或者少数几个碱基的改变而造成的蛋白结构改变,表现为非正常激活或者抑制。因此,构建精细的与疾病对应的点突变模型便成为了疾病临床前研究的最佳方案。

 

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参 考 文 献:

[1]Horn S, Figl A, Rachakonda PS, et al. TERT promoter mutations in familial and sporadic melanoma. Science. 2013;339(6122):959-961.

[2]Mencia A, Modamio-Hoybjor S, Redshaw N, et al. Mutations in the seed region of human miR-96 are responsible for nonsyndromic progressive hearing loss [J]. Nature Genetics, 2009, 41 (5): 609-613.

 

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