Mutación sin sentido

En genética , una mutación sin sentido es una mutación puntual en una secuencia de ADN que da como resultado un codón sin sentido , o un codón de terminación prematuro en el ARNm transcrito , y conduce a un producto proteico truncado, incompleto y posiblemente no funcional . ^[1] Las mutaciones sin sentido no siempre son dañinas; ^[2] el efecto funcional de una mutación sin sentido depende de muchos aspectos, como la ubicación del codón de terminación dentro del ADN codificante . ^[2] Por ejemplo, el efecto de una mutación sin sentido depende de la proximidad de la mutación sin sentido al codón de terminación original y del grado en que se ven afectados los subdominios funcionales de la proteína. ^[3] Como las mutaciones sin sentido conducen a la terminación prematura de las cadenas polipeptídicas , también se denominan mutaciones de terminación de cadena. ^[4]

Las mutaciones sin sentido se diferencian de las mutaciones sin sentido porque son mutaciones puntuales que presentan un cambio de un solo nucleótido para provocar la sustitución de un aminoácido diferente . Una mutación sin sentido también se diferencia de una mutación sin parada , que es una mutación puntual que elimina un codón de parada. Alrededor del 10% de los pacientes que enfrentan enfermedades genéticas tienen participación en mutaciones sin sentido. ^[5] Algunas de las enfermedades que estas mutaciones pueden causar son la distrofia muscular de Duchenne (DMD), la fibrosis quística (CF), ^[6] la atrofia muscular espinal (AME), los cánceres , las enfermedades metabólicas y los trastornos neurológicos. ^{[5] [7]} La ​​tasa de mutaciones sin sentido varía de un gen a otro y de un tejido a otro, pero el silenciamiento génico ocurre en todos los pacientes con una mutación sin sentido. ^[5]

 ADN : 5' - ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA - 3' 3' - TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT - 5' ARNm : 5' - AUG ACU CAC CGA GCG CGA AGC UGA - 3'Proteína: Met  Thr  His  Arg  Ala  Arg  Ser  Stop

El ejemplo anterior comienza con una secuencia de ADN 5' con 24 nucleótidos (8 codones tripletes) y su cadena complementaria que se muestra a continuación. La siguiente fila resalta la cadena de ARNm 5' , que se genera a través de la transcripción . Por último, la fila final muestra los aminoácidos que se traducen a partir de cada codón respectivo , y el octavo y último codón representa el codón de terminación . Los codones correspondientes al cuarto aminoácido, Arginina , están resaltados porque sufrirán una mutación sin sentido en la siguiente figura de este ejemplo.

 ADN : 5' - ATG ACT CAC TGA GCG CGA AGC TGA - 3' 3' - TAC TGA GTG ACT CGC GCT TCG ACT - 5' ARNm : 5' - AUG ACU CAC UGA GCG CGU AGC UGA - 3'Proteína: Met  Thr  His  Stop

Ahora, supongamos que se introdujera una mutación sin sentido en el cuarto codón de la secuencia de ADN 5' (CGA), lo que provocaría que la citosina se sustituyera por timina , lo que daría lugar a TGA en la secuencia de ADN 5' y ACT en la cadena complementaria. Como ACT se transcribe como UGA, se traduce como un codón de terminación. Esto hace que los codones restantes del ARNm no se traduzcan en proteína porque el codón de terminación se alcanza prematuramente durante la traducción. Esto puede dar lugar a un producto proteico truncado (es decir, abreviado), que a menudo carece de la funcionalidad de la proteína normal, no mutante. ^[1]

Los resultados perjudiciales representan la mayoría de las mutaciones sin sentido y son el resultado más común que se observa de forma natural. Las mutaciones sin sentido perjudiciales disminuyen la aptitud general y el éxito reproductivo del organismo . ^[8] Por ejemplo, una mutación sin sentido que se produce en un gen que codifica una proteína puede causar defectos estructurales o funcionales en la proteína que alteran la biología celular. Dependiendo de la importancia de las funciones de esta proteína, esta alteración ahora podría ser perjudicial para la aptitud y la supervivencia de ese organismo. ^[8]

Cuando una mutación sin sentido es neutra, no produce beneficios ni daños. Esto ocurre cuando los efectos de la mutación pasan desapercibidos. En otras palabras, esto significa que la mutación no afecta ni positiva ni negativamente al organismo. Como este efecto pasa desapercibido, no hay artículos que describan este tipo de mutaciones. Un ejemplo de este tipo de mutación sin sentido es la que se produce directamente antes del codón de terminación original de esa proteína en particular. ^[8] Debido a que esta mutación se produjo tan cerca del final de la cadena de la proteína, el impacto de este cambio podría no ser tan significativo. Esto sugeriría que este aminoácido que fue mutado no tuvo un gran impacto en la estructura o función general de la proteína o del organismo en su conjunto. Este escenario es poco común, pero posible. ^[8]

Las mutaciones sin sentido beneficiosas se consideran las más raras de las posibles mutaciones sin sentido. Las mutaciones sin sentido beneficiosas aumentan la aptitud general y el éxito reproductivo de un organismo, lo que es opuesto a los efectos de una mutación perjudicial. ^{[2] [8]} Debido a que una mutación sin sentido introduce un codón de terminación prematuro dentro de una secuencia de ADN, es extremadamente improbable que este escenario pueda beneficiar realmente al organismo. ^[1] Un ejemplo de esto ocurriría con una mutación sin sentido que impacta una proteína disfuncional que libera toxinas . El codón de terminación que trae esta mutación impediría que esta proteína disfuncional realice correctamente su función. Impedir que esta proteína funcione a plena capacidad hace que se liberen menos toxinas y mejore la aptitud del organismo. Este tipo de situaciones con mutaciones sin sentido ocurren con mucha menos frecuencia que los resultados perjudiciales. ^[8]

Desintegración del ARNm mediada por sinsentidos

A pesar de la tendencia esperada de los codones de terminación prematura a producir productos polipeptídicos acortados, de hecho la formación de proteínas truncadas no ocurre a menudo in vivo . Muchos organismos, incluidos los humanos y especies inferiores, como la levadura, emplean una vía de desintegración del ARNm mediada por mutaciones sin sentido , que degrada los ARNm que contienen mutaciones sin sentido antes de que puedan traducirse en polipéptidos no funcionales.

Supresión del ARNt

Debido a que las mutaciones sin sentido dan como resultado un ARNm alterado con un codón de terminación prematuro, una forma de suprimir el daño causado a la función de la proteína final es alterar el ARNt que lee el ARNm. Estos ARNt se denominan ARNt supresores . Si el codón de terminación es UAG, cualquier otro ARNt de aminoácidos podría alterarse de su anticodón original a AUC para que reconozca el codón UAG en su lugar. Esto hará que la proteína no se trunque, pero aún puede tener un aminoácido alterado. Estas mutaciones supresoras del ARNt solo son posibles si la célula tiene más de un ARNt que lee un codón en particular, de lo contrario, la mutación mataría a la célula. Los únicos codones de terminación son UAG, UAA y UGA. Los supresores UAG y UAA leen sus respectivos codones de terminación en lugar de su codón original, pero los supresores UAA también leen UAG debido al apareamiento de bases oscilante . Los supresores UGA son muy raros. Otro obstáculo que se debe superar en esta técnica es el hecho de que los codones de terminación también son reconocidos por los factores de liberación , por lo que el ARNt aún necesita competir con los factores de liberación para mantener la traducción en marcha. Debido a esto, la supresión suele tener un éxito de solo el 10-40%. Estas mutaciones supresoras del ARNt también se dirigen a codones de terminación que no son mutaciones, lo que hace que algunas proteínas sean mucho más largas de lo que deberían ser. Solo las bacterias y los eucariotas inferiores pueden sobrevivir con estas mutaciones; las células de mamíferos e insectos mueren como resultado de una mutación supresora. ^[4]

Por razones históricas, los tres codones de terminación recibieron nombres (ver Codones de terminación ): UAG se llama codón ámbar, UAA se llama codón ocre y UGA se llama codón ópalo. ^[10]

Las mutaciones sin sentido comprenden alrededor del 20% de las sustituciones de un solo nucleótido dentro de las secuencias codificantes de proteínas que dan lugar a enfermedades humanas. ^[12] La patología mediada por mutaciones sin sentido se atribuye a menudo a cantidades reducidas de proteína de longitud completa, porque solo el 5-25% de las transcripciones que poseen mutaciones sin sentido no experimentan desintegración mediada por mutaciones sin sentido (NMD). ^{[13] [12]} La traducción del ARNm restante que contiene mutaciones sin sentido puede generar variantes proteicas abreviadas con efectos tóxicos. ^[14]

Veintitrés sustituciones de nucleótidos de un solo punto diferentes son capaces de convertir un codón no-stop en un codón-stop, siendo las mutaciones CGA TGA y CAG TAG las sustituciones relacionadas con enfermedades más comunes caracterizadas en la Base de Datos de Mutaciones Genéticas Humanas (HGMD). ^[12] Como resultado de diferentes frecuencias de sustitución para cada nucleótido, las proporciones de los tres codones de parada generados por mutaciones sin sentido que inducen enfermedades difieren de las distribuciones de codones de parada en variantes de genes no enfermos. ^[12] En particular, el codón TAG está sobrerrepresentado, mientras que los codones TGA y TAA están subrepresentados en mutaciones sin sentido relacionadas con enfermedades. ^[12]${\displaystyle \flecha larga derecha}$${\displaystyle \flecha larga derecha}$

La eficiencia de terminación de la traducción está influenciada por la secuencia del codón de terminación específico en el ARNm, donde la secuencia UAA produce la terminación más alta. ^[15] Las secuencias que rodean al codón de terminación también impactan la eficiencia de terminación. ^[15] En consecuencia, la patología subyacente de las enfermedades causadas por mutaciones sin sentido depende en última instancia de la identidad del gen mutado y la ubicación específica de la mutación.

Algunos ejemplos de enfermedades inducidas por mutaciones sin sentido incluyen:

• Fibrosis quística (causada por la mutación G542X en el regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR)
• Talasemia beta (β-globina)
• Síndrome de Hurler
• Síndrome de Dravet
• Síndrome de Usher

Las mutaciones sin sentido en otros genes también pueden provocar disfunciones en varios sistemas de tejidos o órganos:

SMAD8

SMAD8 es el octavo homólogo de la familia de genes ENDOGLIN y está involucrado en la señalización entre TGF-b/BMP . Se ha identificado que las nuevas mutaciones sin sentido en SMAD8 están asociadas con la hipertensión arterial pulmonar. ^[16] El sistema pulmonar depende de SMAD1, SMAD5 y SMAD 8 para regular la función vascular pulmonar. La regulación negativa y la pérdida de señales que normalmente son operadas por SMAD8 contribuyeron a la patogénesis en la hipertensión arterial pulmonar. ^[16] Se encontró que el gen ALK1 , una parte de la familia de señalización TGF-B, había sido mutado mientras también regulaba negativamente el gen SMAD8 en pacientes con hipertensión arterial pulmonar. ^[16] Los mutantes SMAD8 no fueron fosforilados por ALK1, lo que interrumpió las interacciones con SMAD4 que normalmente permitirían la señalización en organismos de tipo salvaje . ^[16]

LGR4 se une a las R-espondinas para activar la vía de señalización de Wnt . ^[17] La ​​señalización de Wnt regula la masa ósea y la diferenciación de osteoblastos y es importante para el desarrollo de los huesos, el corazón y los músculos. ^[17] Una mutación sin sentido de LGR4 en una población sana se ha relacionado con una baja densidad de masa ósea y síntomas de osteoporosis . Los ratones mutantes LGR4 mostraron que la baja masa ósea observada no se debe a la pérdida ósea relacionada con la edad. ^[17] Las mutaciones en LGR4 se han asociado con linajes familiares con antecedentes médicos de trastornos óseos raros. ^[17] Los ratones de tipo salvaje que carecen de LGR4 también mostraron una diferenciación retardada de osteoblastos durante el desarrollo, lo que demuestra el importante papel de LGR4 en la regulación y el desarrollo de la masa ósea. ^[17]

Las terapias para enfermedades causadas por mutaciones sin sentido intentan recapitular la función de tipo salvaje disminuyendo la eficacia de NMD, facilitando la lectura del codón de terminación prematuro durante la traducción o editando la mutación sin sentido genómica. ^[18]

Se están explorando oligonucleótidos antisentido para suprimir la expresión de NMD y proteínas de terminación de la traducción en modelos animales de enfermedad inducida por mutaciones sin sentido. ^{[18] [19]} Otras terapias de ARN bajo investigación incluyen ARNts supresores sintéticos que permiten a los ribosomas insertar un aminoácido, en lugar de iniciar la terminación de la cadena, al encontrar codones de terminación prematuros. ^[18]

Se han utilizado sustituciones de un solo nucleótido basadas en CRISPR-Cas9 para generar codones de aminoácidos a partir de codones de terminación, logrando una tasa de éxito de edición del 10 % en cultivos celulares. ^[20]

Se ha logrado la lectura directa utilizando fármacos de moléculas pequeñas como los aminoglucósidos y la negamicina. ^[18] Un oxadiazol , el ataluren (anteriormente PTC124), facilita la lectura directa selectiva de codones de terminación aberrantes, lo que lo convierte en un posible tratamiento terapéutico contra la enfermedad inducida por mutaciones sin sentido. ^[21] El ataluren, vendido bajo el nombre comercial Translarna, es actualmente un tratamiento aprobado para la distrofia muscular de Duchenne en el Espacio Económico Europeo y Brasil . ^{[22] [23]} Sin embargo, los ensayos de fase III del ataluren como tratamiento terapéutico para la fibrosis quística no han logrado cumplir con sus criterios de valoración primarios. ^{[24] [25]}

• Emily's Entourage , una organización sin fines de lucro dedicada a la fibrosis quística que investiga mutaciones sin sentido
• ARNm sin sentido
• Supresor de tonterías
• Variantes que truncan proteínas

• Fundación de mutación sin sentido, que apoya a pacientes con mutaciones sin sentido en todos los genes