'Молчащие' мутации влияют не только на свой ген

Генетические заболевания, такие как муковисцидоз и болезнь Хантингтона, считаются неизлечимыми, поскольку мутации присутствуют практически в каждой клетке организма. Генные мутации возникают при замене одного нуклеотида в кодоне. При несинонимичных мутациях это нарушает функцию кодона кодировать свою аминокислоту. При синонимичных мутациях кодон по-прежнему кодирует правильную аминокислоту. Поэтому такие мутации называют «молчащими» и часто считают незначимыми для здоровья человека.

Исследователи из Университета Нотр-Дам представили новые доказательства в поддержку концепции о том, что эти молчащие мутации могут иметь серьёзные последствия. Их исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, как синонимичная мутация в одном гене может значительно повлиять на соседний ген, увеличивая производство его белка.

«Догма в этой области сейчас заключается в том, что в кодирующей белок части генома важны только мутации, которые меняют ДНК-код одной аминокислоты на другую, — сказала Патрисия Л. Кларк, ведущий автор исследования. — Это очень упрощённый взгляд — вплоть до вредного — на то, что имеет значение».

Для этого исследования учёные экспериментировали с геномом бактерии E. coli, так как её небольшой геном и простая клеточная структура позволяют легче задавать фундаментальные вопросы о влиянии мутаций, чем на человеческих клетках. Они создали девять различных синонимичных версий гена CAT (хлорамфениколацетилтрансферазы), каждая из которых использовала разные синонимичные кодоны для кодирования белка CAT.

При экспрессии этих разных версий обнаружилось, что четыре из девяти синонимичных последовательностей влияли на количество синтезированных белков CAT.

«Думайте о синонимичных мутациях как об огромном лоскутном одеяле возможных последовательностей ДНК, которые все дадут вам один и тот же белок, — объяснила Кларк. — Вы можете выбрать любую часть одеяла и получить тот же белок, но получите ли вы то же количество белка? Будет ли сворачивание белка таким же? Будет ли клетка здоровой? Вот что мы изучали».

Как специалист по сворачиванию белков, Кларк первоначально предположила, что эти четыре мутации могут изменять сворачивание белка CAT, которое происходит после экспрессии гена. Однако исследователи, включая первого автора Анабель Родригес, обнаружили, что влияние синонимичных мутаций происходит во время процесса экспрессии гена, затрагивая транскрипцию ДНК в РНК.

«Анабель показала, что количество синтеза белка CAT коррелировало с количеством синтеза РНК CAT, — сказала Кларк. — Это указывало на то, что некоторые синонимичные мутации нарушали синтез РНК из ДНК».

Исследование показало, что некоторые синонимичные мутации создавали криптические сайты транскрипции на цепи ДНК CAT. РНК-полимераза, фермент, ответственный за транскрипцию ДНК в РНК, связывалась с этими криптическими сайтами вместо ожидаемого сайта связывания.

Эти полимеразы синтезировали РНК, которая начиналась внутри гена CAT, но продолжалась, кодируя также весь соседний вышележащий ген. В случае с CAT вышележащий ген кодирует белок-репрессор, поэтому увеличение его производства подавляет экспрессию CAT.

Концепция влияния синонимичной мутации на процессы своего собственного гена рассматривается лишь в последнее десятилетие. Поэтому идея о том, что такая мутация в одном гене может также влиять на транскрипцию и трансляцию соседнего гена, является значительным расширением — и то, что Кларк и её лаборатория планируют изучить дальше.

«Появляется всё больше знаковых исследований, показывающих, насколько неполно наше понимание влияния синонимичных мутаций. Мы должны учитывать, как эти мутации влияют на все заболевания и генетические расстройства», — отметила Кларк.

Далее команда планирует проанализировать, как некоторые синонимичные мутации гена CAT смогли так эффективно привлекать РНК-полимеразу к криптическому месту связывания. Это особенно интригует, учитывая, что доступные в настоящее время алгоритмы машинного обучения не смогли точно это предсказать.