Mutasi Frameshift – definisi dan dampak

Definisi Mutasi Frameshift

Mutasi frameshift secara sederhana adalah penyisipan atau penghapusan dalam genom yang tidak dalam kelipatan tiga nukleotida. Mereka secara sederhana adalah bagian dari mutasi penyisipan-penghapusan (indel) yang secara khusus ditemukan dalam urutan pengkodean polipeptida.

Di sini jumlah nukleotida yang ditambahkan atau dihapus dari urutan pengkodean bukan kelipatan tiga. Mereka dapat muncul dari mutasi yang sangat sederhana seperti penambahan atau penghapusan nukleotida tunggal.

Mutasi frameshift tidak termasuk substitusi di mana nukleotida menggantikan yang lain. Pada mutasi substitusi, polipeptida hanya berubah oleh satu asam amino. Mutasi frameshift juga tidak termasuk indels di daerah non-coding atau regulasi genom karena mutasi ini tidak memiliki efek langsung pada urutan asam amino, meskipun regulasi protein dapat berubah.

Dampak Mutasi Frameshift

Mutasi frameshift secara sederhana adalah salah satu perubahan paling merusak pada urutan pengkodean protein. Mereka sangat mungkin menyebabkan perubahan skala besar pada panjang polipeptida dan komposisi kimia, menghasilkan protein non-fungsional yang sering mengganggu proses biokimia sel. Mutasi frameshift dapat menyebabkan akhir prematur untuk terjemahan mRNA serta pembentukan polipeptida diperpanjang.

Urutan asam amino hilir dari mutasi frameshift juga cenderung berbeda secara kimiawi dari urutan aslinya. Misalnya, jika mutasi frameshift terjadi pada protein transmembran integral, itu bisa sangat mengubah bentangan residu hidrofobik yang menjangkau bilayer lipid sehingga mustahil bagi protein untuk hadir di lokasi subselularnya.

Ketika kesalahan seperti itu terjadi, sel sering merasakan kekurangan protein fungsional dan mencoba untuk mengimbanginya dengan mengatur ekspresi gen yang bermutasi. Ini bahkan dapat membanjiri mesin translasi sel, menghasilkan sejumlah besar protein yang salah lipat yang pada akhirnya dapat menyebabkan kerusakan skala besar dari semua fungsi bahkan kematian sel.

Penyakit yang disebabkan oleh mutasi frameshift pada gen termasuk penyakit Crohn, cystic fibrosis, dan beberapa bentuk kanker. Di sisi lain, ketika beberapa protein menjadi tidak berfungsi, mereka dapat memiliki efek perlindungan, seperti yang terlihat pada resistensi terhadap HIV pada orang dengan gen reseptor kemokin (CCR5) yang mengandung mutasi frameshift.

Karena mutasi frameshift biasanya merupakan perubahan materi genetik di setiap sel, jarang ditemukan obatnya. Sebagian besar intervensi bersifat paliatif.

Kode Genetik

Alasan inti dari adanya mutasi frameshift secara sederhana adalah mekanisme tubuh untuk menerjemahkan informasi genetik ke dalam urutan asam amino melalui kode genetik berbasis triplet. Ini berarti bahwa setiap set tiga nukleotida pada mRNA mewakili asam amino atau instruksi untuk menghentikan translasi.

Penemuan Kode Genetik

Eksperimen awal Mendel pada transmisi sifat genetik menunjuk ke arah entitas fisik dan kimia diskrit yang membawa informasi genetik. Berdasarkan analisis biokimia massal sel, empat komponen utama terdeteksi – karbohidrat, lemak, protein, dan asam nukleat. Salah satu dari komponen ini dapat mewakili materi genetik.

Penyelidikan awal ke sifat kimia genom berhipotesis bahwa protein, dengan 20 asam amino, kemungkinan besar membawa faktor atau gen Mendel. Namun, percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa asam nukleat secara sederhana adalah pembawa informasi genetik.

Ini menyajikan kesulitan yang menarik. Sementara asam nukleat telah dianalisis secara kimia sebagai polimer yang terbuat dari 4 nukleotida yang berbeda, tidak jelas bagaimana informasi untuk berbagai bentuk dan fungsi yang mempesona dapat muncul dari hanya 4 nukleotida.

Kodon Triplet

Beberapa saat kemudian, dogma sentral biologi molekuler menunjukkan bahwa sebagian besar organisme menggunakan RNA sebagai perantara antara DNA dan protein. Ini memunculkan pertanyaan berikutnya tentang bagaimana empat basa dapat membawa informasi untuk mengkodekan 20 asam amino.

Jika setiap nukleotida dikodekan untuk satu asam amino, maka hanya empat asam amino yang dapat dikodekan dengan andal dan dapat direproduksi. Jika setiap dua nukleotida mengkodekan asam amino, itu masih akan menghasilkan hanya 16 asam amino. Oleh karena itu, diperlukan minimal tiga nukleotida untuk mengkode 20 asam amino.

Ada 64 permutasi yang mungkin dari triplet nukleotida di mana setiap posisi dalam triplet dapat menjadi salah satu dari 4 nukleotida. Triplet nukleotida ini diberi nama kodon. Ini juga memunculkan gagasan redundansi – setiap asam amino dapat diwakili oleh lebih dari satu triplet kodon.

Beberapa eksperimen juga mengungkapkan bahwa kodon ‘dibaca’ oleh mesin terjemahan sebagai potongan-potongan terpisah dari 3 basa. Artinya, ribosom ‘melihat’ kodon ini seperti rangkaian kata tiga huruf. Misalnya, jika molekul RNA memiliki urutan AAAGGCAAG, maka ia dapat mengkode maksimal 3 asam amino dari 3 kodon AAG, GGC, dan AAG.

Translokasi Ribosom

Ribosom bergerak maju dengan tiga basa setelah setiap asam amino telah melekat pada rantai polipeptida yang sedang tumbuh. Cara ribosom bergerak secara sederhana adalah alasan penting mengapa mutasi frameshift merusak dan memiliki efek yang tidak proporsional pada fungsi protein.

Misalnya, jika ribosom hanya digerakkan oleh satu basa setiap kali, mRNA sebelumnya yang mengandung 9 nukleotida dapat dibaca sebagai AAA, AAG, AGG, GGC, GCA, CAA dan AAG, sehingga menghasilkan polipeptida dengan 7 asam amino. Jika translokasi ribosom hanya memindahkan satu basa pada satu waktu, penyisipan satu nukleotida hanya akan menghasilkan sedikit perubahan pada urutan asam amino, dan mungkin tidak ada perubahan sama sekali pada panjang polinukleotida.

Bingkai Baca

Pada contoh sebelumnya, rantai polinukleotida dapat mengkode maksimal 3 asam amino. Namun, tergantung pada daerah hulu, peregangan juga dapat menghasilkan hanya 2 asam amino. Artinya, jika ribosom sejajar dengan AAG atau AGG, bukan AAA pada awalnya, polimer nukleotida dibaca dengan cara yang berbeda.

Dengan cara ini, tergantung pada posisi situs awal terjemahan, urutan pengkodean apa pun dapat dibaca dalam 3 cara berbeda. Karena sebagian besar DNA terbuat dari untai ganda komplementer, itu mengarah ke total 6 ‘bingkai pembacaan’ yang berbeda, hanya satu yang menghasilkan urutan asam amino yang benar untuk protein akhir.

Namun, ketika ada mutasi indel, terjadi pergeseran kerangka baca di hilir mutasi. Ini menghasilkan mutasi frameshift.

Contoh Mutasi Frameshift

Mutasi frameshift

Gambar di atas menunjukkan urutan nukleotida dan asam amino dalam protein tipe liar serta hasil penyisipan nukleotida, yang mengarah ke penggabungan asam amino yang salah dan akhir prematur untuk sintesis polipeptida.

Sementara mRNA asli memiliki urutan AUG AAG UUU GGC AUA GUG CCG, penyisipan residu urasil ekstra pada posisi kesembilan mengubah kerangka pembacaan. Alih-alih menghasilkan polipeptida dari 7 asam amino yang dimulai dengan metionin dan berlanjut hingga prolin, ia berakhir setelah 4 asam amino, dengan residu leusin dan alanin yang salah digabungkan.

Gambar di bawah menunjukkan berbagai jenis mutasi yang dapat sangat mempengaruhi urutan asam amino. Panel A menunjukkan substitusi 2 basa yang menghasilkan kodon stop prematur, memotong protein. Panel B dan D menunjukkan efek penyisipan nukleotida tunggal atau penghapusan 4 nukleotida.

Dalam kedua kasus, mutasi frameshift mengubah semua urutan asam amino hilir. Panel C secara sederhana adalah bagian dari indel di mana 3 (atau kelipatan 3) nukleotida dimasukkan atau dihapus. Tidak ada mutasi frameshift. Dalam jenis mutasi indel khusus ini, jumlah nukleotida yang bermutasi cukup rendah, mungkin ada efek yang sangat terbatas pada fungsi protein juga.

Mutasi frameshift

Istilah Biologi Terkait

  • Situs-A Ribosom – Situs ribosom yang sebagian besar menerima tRNA masuk yang diisi dengan residu asam amino. Ikatan peptida terbentuk di situs-A.
  • Radiolabeling – Juga dikenal sebagai pelabelan radioisotop, secara sederhana adalah teknik yang digunakan untuk mendeteksi pergerakan molekul tertentu melalui sistem kimia, biokimia atau seluler, dengan mengganti beberapa atom dalam reaktan dengan isotop radioaktif.
  • Stop Codons – Urutan nukleotida, terutama pada mRNA yang menandakan akhir translasi. UAA, UAG, dan UGA secara sederhana adalah kodon stop kanonik.
  • Wild Type – Strain, gen atau karakteristik yang umum ditemukan, dianggap sebagai bentuk asli fenotipe.

Ulangan

1. Manakah dari ini yang akan menghasilkan mutasi frameshift?
A. Penyisipan 3 nukleotida
B. Penghapusan 18 nukleotida
C. Penyisipan 17 nukleotida
D. Semua hal di atas

Jawaban untuk Pertanyaan #1C benar. Penyisipan atau penghapusan tiga (atau kelipatan 3) nukleotida tidak menghasilkan mutasi frameshift. Ini hanya menghasilkan ada (atau tidak adanya) beberapa asam amino dalam polipeptida.

2. Bagaimana mutasi frameshift yang disebabkan oleh satu nukleotida dapat mengubah panjang polipeptida secara drastis?
A. Perubahan kerangka baca mengubah posisi situs penghentian translasi
B. Penyisipan atau penghapusan nukleotida mempengaruhi panjang asam amino
C. Situs-A ribosom tidak dapat melanjutkan di luar situs mutasi
D. Semua hal di atas

Jawaban untuk Pertanyaan #2A benar. Mutasi frameshift dapat menghasilkan protein yang panjangnya tidak normal atau terpotong sebelum waktunya. Itu tergantung pada urutan nukleotida dan jenis penyisipan atau penghapusan yang telah terjadi. Tidak ada kesulitan dengan situs-A ribosom, juga tidak adanya satu nukleotida tambahan secara otomatis meningkatkan panjang polipeptida.

3. Mengapa mutasi frameshift relatif jarang?
A. Pada protein kritis, mutasi frameshift dapat mengakibatkan kehamilan yang tidak dapat hidup
B. Mereka terutama cepat diperbaiki oleh mekanisme perbaikan DNA sel
C. Sulit untuk memasukkan atau menghapus nukleotida ke dalam regangan DNA
D. Semua di atas

Jawaban untuk Pertanyaan #3A benar. Alasan utama mengapa relatif sedikit penyakit yang disebabkan oleh mutasi frameshift secara sederhana adalah bahwa kebanyakan dari mereka mengakibatkan kematian embrio. Mekanisme perbaikan DNA dapat mendeteksi mutasi ini, dan mereka dibersihkan, tetapi tidak ada preferensi untuk menghilangkan lesi DNA tertentu ini. Selama replikasi DNA, tidak sulit untuk memasukkan atau menghapus nukleotida dari regangan DNA.

Related Posts