„Stille“ Mutationen könnten Auswirkungen haben, die über das eigene Gen hinausgehen

Genetische Krankheiten wie Mukoviszidose und die Huntington-Krankheit gelten als unheilbar, da in praktisch jeder Zelle des Körpers genetische Mutationen auftreten. Genetische Mutationen treten auf, wenn ein Nukleotid in einem Codon invertiert wird. Bei nicht-synonymen Mutationen wird dadurch die Funktion des Codons zur Kodierung seiner Aminosäure gestört. Bei synonymen Mutationen kodiert das Codon immer für die richtige Aminosäure. Aus diesem Grund werden diese Mutationen als „still“ beschrieben und oft als ohne Folgen für die menschliche Gesundheit angesehen.

Forscher der University of Notre Dame liefern nun neue Beweise für das aufkommende Konzept, dass diese stillen Mutationen entscheidende Folgen haben könnten. Ihre Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Verfahren der National Academy of Scienceszeigte, wie eine synonyme Mutation in einem Gen ein benachbartes Gen erheblich beeinflussen und dessen Proteinproduktion steigern kann.

„Das derzeit vorherrschende Dogma auf diesem Gebiet ist, dass im proteinkodierenden Teil des Genoms nur Mutationen von Bedeutung sind, die die DNA so verändern, dass sie von einer Aminosäure zur anderen kodiert“, sagte Patricia L. Clark, Professorin für Chemie und Biochemie an der University of Notre Dame und Hauptautor der Studie. „Es ist eine sehr vereinfachte, fast schon schädliche Sicht auf das, worauf es ankommt. »

Für diese Studie experimentierten die Forscher mit dem Genom des E. coli-Bakteriums, dessen geringe Größe und einfache Zellstruktur es einfacher machen, grundlegende Fragen über die Auswirkungen von Mutationen zu stellen als menschliche Zellen. Sie erstellten neun verschiedene synonyme Versionen des CAT-Gens (Chlorophenicol-Acetyltransferase), die jeweils unterschiedliche synonyme Codons zur Kodierung des CAT-Proteins verwendeten.

Als diese verschiedenen synonymen Versionen ausgedrückt wurden, stellten sie fest, dass vier der neun synonymen Sequenzen die Anzahl der synthetisierten CAT-Proteine ​​beeinflussten.

„Stellen Sie sich synonyme Mutationen als einen riesigen Flickenteppich möglicher DNA-Sequenzen vor, die alle das gleiche Protein ergeben“, sagte Clark. „Sie können jeden Teil des Patchworks auswählen und das gleiche Protein erhalten, aber erhalten Sie auch die gleiche Proteinmenge? Wird die Proteinfaltung gleich sein? Wird die Zelle gesund sein? Das haben wir studiert. »

Als Experte für Proteinfaltung stellte Clark zunächst die Hypothese auf, dass diese vier synonymen Mutationen die CAT-Proteinfaltung verändern könnten, die nach der Expression von Genen erfolgt. Die Forscher, darunter die Erstautorin Anabel Rodriguez, damals Doktorandin in Clarks Labor, entdeckten jedoch später, dass die Auswirkungen synonymer Mutationen während des Genexpressionsprozesses auftreten und die Transkription von DNA in RNA beeinflussen.

„Anabel hat gezeigt, dass die Menge der CAT-Proteinsynthese mit der Menge der CAT-RNA-Synthese korreliert“, sagte Clark. „Dies deutet darauf hin, dass einige synonyme Mutationen die Synthese von RNA aus DNA gestört haben. Die Tatsache, dass Anabel in der Lage war, diesen neuen Mechanismus der Transkriptionsregulation zu verstehen, während sie in einem Labor ohne vorherige Erfahrung mit der Transkriptionsforschung arbeitete, ist eine bemerkenswerte Leistung. »

Die Forschung zeigte, dass bestimmte synonyme Mutationen kryptische Transkriptionsstellen auf dem CAT-DNA-Strang erzeugten. Die RNA-Polymerase, das Enzym, das für die Transkription von DNA in RNA verantwortlich ist, band an diese kryptischen Transkriptionsstellen und nicht an die erwartete Bindungsstelle.

Diese Polymerasen synthetisierten eine RNA, die in CAT begann, sich aber so ausdehnte, dass sie auch das gesamte benachbarte Upstream-Gen kodierte. Im Fall von CAT kodiert das Upstream-Gen für ein Repressorprotein, sodass die CAT-Expression durch eine größere Menge davon unterdrückt wird.

Das Konzept einer synonymen Mutation, die Prozesse im eigenen Gen beeinflusst, wird erst seit einem Jahrzehnt in Betracht gezogen. Die Idee, dass eine synonyme Mutation in einem Gen auch die Transkriptions- und Translationsprozesse eines benachbarten Gens beeinflussen könnte, ist daher ein bedeutender Fortschritt, den Clark und sein Labor weiter erforschen wollen.

„Immer mehr Benchmark-Studien zeigen, wie unvollständig unser Verständnis der Auswirkungen synonymer Mutationen ist. Wir sollten daran interessiert sein, wie sich diese Mutationen auf alle genetischen Krankheiten und Störungen auswirken“, sagte Clark. „Ich hoffe, dass unsere Studie dazu beitragen wird, den Aufbau eines umfassenden Verständnisses zu beschleunigen. »

Als nächstes will das Forscherteam analysieren, wie bestimmte synonyme Mutationen im CAT-Gen die RNA-Polymerase so effizient an die kryptische Bindungsstelle rekrutieren konnten. Dieses Ergebnis ist besonders faszinierend, da die derzeit verfügbaren Algorithmen für maschinelles Lernen nicht in der Lage waren, es genau vorherzusagen.

Weitere Co-Autoren der Studie sind Jacob Diehl, Christopher Bonar, Taylor Lundgren, McKenze Moss, Jun Li, Tijana Milenkovic, Paul Huber und Matthew Champion von Notre Dame; Gabriel Wright von der Milwaukee School of Engineering; und Scott Emrich von der University of Tennessee.