Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

Génmutációk

Génmutációk

A génmutációk érinthetik az adott gén egyetlen bázisát – ekkor beszélünk szűkebb értelemben vett pontmutációról – és érintheti a gén kisebb vagy nagyobb hányadát is.

Az egyetlen bázisra korlátozódó mutáció lehet bázisbetoldás = addíció; báziskiesés = deléció, illetve báziscsere = szubsztitúció. Az első két esetben, ha a betoldott, illetve kiesett bázisok száma nem egyenlő hárommal vagy annak egész számú többszörösével (6, 9, 12 stb.), akkor úgynevezett frame-shift azaz kereteltolásos mutáció jön létre. Ez azt jelenti, hogy a mutáció helyétől a transzkripciós leolvasás irányában a kódolt információ megváltozik (lásd az alábbi példát).

Eredeti szekvencia:

Amennyiben 3 vagy 6, 9 stb. a beszúrt vagy kiesett bázisok száma, úgy in frame mutációról van szó, azaz csak az érintett szakasz információtartalma változik, a gén többi részéé nem.

A báziscsere esetén két további lehetőség adódik, a tranzíció és a transzverzió. Az előbbinél egy purinbázist egy másik purinbázis vagy egy pirimidint egy másik pirimidin vált fel, pl. A→G vagy C→T. Az utóbbi esetben egy purinbázis egy pirimidi bázisra, vagy fordítva, egy pirimidin egy purinra cserélődik.

A szubsztitúciós mutációk következményei megint többfélék lehetnek. Vannak misszenz, nonszenz és ún. csendes (silent) vagy szenz mutációk.

A misszenz mutáció nyomán a kodon megváltozik, s így egy másik aminosav épül be a fehérjébe; ilyen pl. a sarlósejtes vérszegénységet okozó mutáció, ahol a báziscsere eredményeképpen glutamin helyett valin épül be 6. aminosavként a hemoglobin β-globin láncába.

A nonszenz mutációval az eredeti kodon stop jelre változik, s így a fehérjelánc korai terminációja, s egy rövidebb fehérjemolekula lesz a végeredmény.

A csendes (silent vagy szenz) mutáció esetében a genetikai kód degeneráltságnak köszönhetően, bár a kodonban van változás, a fehérjébe ugyanaz az aminosav épül be, tehát a mutációnak nincs következménye. Ez elsősorban a kodon 3., illetve 2. bázisának cseréjekor alakulhat ki.

Mivel egy sejt élete során DNS-e többször is replikálódik, illetve többször is ki lehet téve indukáló ágensek hatásának, így több – akár különböző típusú – mutáció is érheti. Az ismételt mutációk némelyike a korábban már mutált részt is érintheti, visszaállítva az eredeti szekvenciát. Ekkor ún. back vagy reverz mutációról van szó, azaz a DNS visszamutál, s így a mutáció esetleges káros következményei is megszűnnek.

A mutáció következményének látszólagos eltüntetésére még egy lehetőség van. Prokariótákban megfigyelték, hogy bár a DNS mutált, mégsem épült be eltérő aminosav a fehérjeláncba. Kiderült, hogy ilyen esetben a tRNS is mutált, és az mRNS megváltozott kodonjához mégis az eredeti aminosavat szállította. Az ilyen tRNS-t szupresszor tRNS-nek nevezzük.

Ha a mutáció a gén egy hosszabb szakaszát, azaz tetszőleges számú bázist érinti, akkor géndelécióról, -addícióról vagy ha az adott szakasz megfordul, akkor géninverzióról van szó. Hosszabb kiesések nemcsak egy gént, hanem akár géncsaládokat (ahol az egy ősi génből evolválódott, hasonló, de nem azonos funkciójú gének közvetlenül egymás után helyezkednek el a DNS-en) is érinthetnek. Ilyen a globin géncsaládot érintő deléciók esete a különböző hemoglobinbetegségekben (hemoglobinopátiákban), pl. a talasszémiákban (a mutációs mechanizmust később a forrópontok tárgyalásakor részletezzük). Természetesen minél hosszabb szakaszt érint az elváltozás, annál súlyosabbak a következmények is, azaz annál inkább hibás, megváltozott vagy funkcióképtelen lesz a fehérjetermék is.

A génmutációk, pontosabban az addíciók egy különleges esete, amikor Alu szekvenciák vagy LINE elemek transzpozícióval vagy retrotranszpozícióval beépülnek egy gén kódolószakaszába. Ekkor az ugráló elem (transzpozon vagy retropozon) betoldása megszakítja az eredeti exonszekvenciát, s így megváltozott információtartalmú RNS és fehérje kialakulásához vezet. A hemofília A néhány esetében egy Alu szekvencia betoldás a betegség oka.

Hasonlóképpen génmutációt eredményezhet egy adott génrekombináció eredményeként létrejövő megkettőződése is. Ez bekövetkezhet meiózisban, amikor a nem testvérkromatidák közötti egyenlőtlen crossing over vezet génduplikációhoz, vagy mitózisban, amikor a nagyon ritkán mitotikus rekombináció (crossing over) zajlik le a testvérkromatidák között. Ez utóbbi esetben a mutáció szomatikus, és pl. tumorképződéshez vezethet, olyan utódsejtek létrehozásával, amelyek egyikében a heterozigótaság elvész. (A másik utódsejtben a gén három kópiában fordul elő, az egyik homológon génduplikáció van, a másikon egy kópiában lesz jelen az adott lókuszon.)

Itt kell megemlíteni az ún. mutációs forrópontokat (hot spots). Az egyes DNS-szakaszok, gének nagyobb eséllyel mutálódnak ott, ahol ismétlődő = repetitív szekvenciák fordulnak elő. Ezek az ismétlődések megzavarhatják a replikációt, illetve a homológok meiotikus párba állását. A replikációs zavarnak fizikai okai vannak: a szétcsavarodott DNS ugyanazon szálán elhelyezkedő szimmetrikus vagy ismétlődő szekvenciák a komplementaritás alapján párba állhatnak, hurkokat képezhetnek, és ezzel zavart okozatnak a replikációban és a repairben érintett enzimek működésében. Pl. a hemofilia B-ben, a IX. faktort kódoló gén azon szakaszain, ahol nagy kiterjedésű, direkt CG-ismétlődés van 10–100-szor több mutáció fordul elő. Az itteni nagyobb mutációs gyakoriság epigenetikus okokra is visszavezethető lehet. A metilált citozin könnyen dezaminálódik timinné, ezzel tulajdonképpen egy C→T tranzíció lesz az egyik szálon, a másikon ennek megfelelően pedig G→A.

A fentebb említett egyenlőtlen crossing overrel (lásd a 3., Citogenetika fejezetben is) magyarázható nagyobb szakaszok, olykor teljes gének ismétlődése. Jó példa erre az α-talasszémia kialakulása. Normális körülmények között a 16-os kromoszóma mindkét homológján egymást követően, két-két α-globin gén található. A hibás crossing over eredményeként olyan ivarsejtek jöhetnek létre, amelyekben pl. vagy csak 1, vagy 3 α-globin gén található, a fertilizációt követően pedig olyan zigóták alakulhatnak ki, amelyekben eggyel kevesebb vagy eggyel több α-globin gén van. Az α-globin gének számától függ az érintett személy egészsége: 0 kópia – intrauterin letalitás, 1 kópia súlyos anémia, 2 kópia enyhe anémia, 3 kópia tünetmentes hordozó. Ma több mint 30 olyan betegséget ismerünk, amelynek oka az egyenlőtlen crossing over (ilyen pl. a színtévesztés is).

Nemcsak a direkt ismétlődő, hanem a palindróm szekvenciák (olyan szekvenciák, amelyek bázissorrendje 5’–3’ irányban mindkét szálon azonos) is gyakori forrásai az általában addíciós és deléciós mutációknak.

A génmutációk egy különleges estét jelentik a nukleotid ismétlődési egységeket érintő, ún. repeat mutációk. A talán legismertebb, 3 nukleotidot érintő trinukleotid repeat mutációk mellett, más hosszúságú, akár 24 nukleotidot érintő, és ezzel fehérjében oktapeptid egységek felszaporodását eredményező (Creutzfeld–Jakob-betegség), mutációk is léteznek.

A trinukleotid mutációknak több csoportját is ismerjük.

  1. A CAG triplet felszaporodásával járó, ún. poliglutamin betegségeket (a CAG a glutamin kódja). A jelenleg ismert CAG trinukleotid repeat mutációk súlyos idegrendszeri megbetegedést, ún. neurodegeneratív kórképet okoznak, bár az ismétlődő repeatek száma eltérő. A Huntington chorea és a Kennedy-betegség esetében a repeatek a gén fehérjekódoló szakaszát érintik.

  2. A másik ismert nagyobb csoport a polialanin betegségeké, ahol GCN triplet (az N bármelyik nukleotid lehet), s ezzel a fehérjében alaninfelszaporodás áll a főként transzkripciós faktorokat érintő mutációk, s ezzel általában fejlődési rendellenességgel jellemezhető szindrómák pl. szinpolidaktilia vagy kéz-láb-genitália szindróma mögött.

  3. íg az előbb említett trinukleotid repeatek a gének kódolóterületén vannak, addig a miotóniás izomdisztrófia és a fragilis X-szindróma esetében az ismétlődések a gén le nem fordítódó szakaszán (UTR = untranslated region) vannak, s általában nagyobb a repeatek száma is.

NÉHÁNY PÉLDA TRINUKLEOTID-REPEAT BETEGSÉGEKRE:     
Repeatek száma
Betegség Előfordulás Trinukleotid Normál Mutáns allél
Huntington 1: 10 000 (CAG)n 11–34 42–100
Fragilis X 1: 2000 (CGG)n 10–50 52–500
Miotóniás d. 1: 8000 (CTG)n 5–35 50–200
Kennedy 1: 50 000 (CAG)n 11–31 40–65

A repeatmutációk jellemzője, hogy csak bizonyos ismétlődési szám felett betegségokozók, tehát van egy ún. premutációs állapot is, és hogy az ismétlődési szám növekedés = expanzió a generációváltás, valószínűleg a meiózis során következik be.

Az ismétlődési egységek (pl. a CAG) számának növekedése valószínűleg egy olyan, a mutációs forrópontoknál már említett folyamat eredménye, amikor a replikáció során a DNS egyik szála a sok ismétlődő szekvenciának köszönhetően kihurkolódik. Ha ez a hurkolódás az újonnan keletkező szálat érinti, akkor a replikációs apparátus ezt úgy érzékeli, mintha még nem egészen másolta volna le az eredeti szálat, tehát újabb ismétlődési egységeket ad hozzá a szintetizálódó új szálhoz.

Ezzel az új szál több ismétlődési egységet tartalmaz. A régi és az új szál eltérő hosszát ezt követően a hibajavítási mechanizmus egyenlíti ki, oda is betoldva a megfelelő számú új ismétlődési egységet. A fentiek fordítottja – tehát az ismétlődési egységszám csökkenése is előfordulhat. Ilyenkor a kihurkolódás a templátszálat érinti, azaz a létrejövő új szál rövidebb lesz, mint az eredeti volt. Azonban ebben az esetben is a repair korrigálja a hibát, vagyis a régi szálból kivágja a felesleges számú repeatet, s így végül is egy kevesebb ismétlődési egységet tartalmazó DNS-molekula lesz a végeredmény.

Mivel a DNS-replikáció mind mitózis, mind pedig meiózis előtt megtörténik, elvben mindkét esetben bekövetkezhet az ismétlődési egységszám változása. Ezzel szemben a GCN triplet repeatek esetében inkább az egyenlőtlen crossing overrel, azaz egy meiotikus eseménnyel magyarázzák a repeatszám-változást.

Mivel a repeatek száma generációról generációra változik, az a repeatmutáció nem stabil, ezért ezeket újabban dinamikus mutációknak is nevezik. A prokarióták esetében ennek a dinamizmusnak fontos szerepet tulajdonítanak a gazdaszervezet immunrendszerének baktériumölő hatásainak kivédésében; az eukariótákban a tumorképzésben játszhat esetleg szerepet.

A repeat mutációk betegségokozó szerepét könnyű belátni, hiszen a kódolórészbe betoldott ismétlődési egységek számának növekedésével, az expanzióval, az érintett gén szerkezete egyre jobban eltorzul, azaz az általa meghatározott fehérje is egyre inkább hibás, funkcióképtelen lesz.

Ezzel kapcsolatos egy, a humángenetikában már régóta ismert, ám sokáig nem magyarázható jelenség, az anticipáció. Az anticipáció azt jelenti, hogy egy öröklődő betegség generációról generációra egyre fiatalabb korban, tehát egyre korábban és egyre súlyosabb formában jelenik meg. Mivel az orvosi jelentőségű repeat expanziók főleg a meiózisban (vagy az azt megelőző S fázisban) következnek be, s általuk az adott gén egyre jobban károsodik, a fenti jelenség jól megmagyarázható.

Génmutációk esetében nemcsak a mutáció mértéke, azaz az érintett DNS-szakasz hossza fontos, hanem eukariótákban, így az emberben, a helye is. Nem mindegy, hogy a mutáció kódoló- vagy nem kódolószakaszban (UTR = untranslated region), exonban, intronban vagy éppen a kettő határán van-e. Ez utóbbi esetben ún. splicing mutációról van szó, hiszen az exon-intron határ szekvenciái fontos szerepet játszanak az intron kihurkolódásában, a lasszó konfiguráció létrejöttében, s ezzel spliceosoma működésében. A splicing mutáció nyomán vagy elvész egy exon, vagy az intron is lefordítódik, azaz mindenképpen hibás fehérje lesz a végeredmény.

Még egyetlen egy gén,különböző helyeken bekövetkezett, báziscserére vagy hibás splicingra visszavezethető mutációi is teljesen eltérő vagy eltérő súlyosságú tüneteket okozhatnak, mint ahogy ez a cisztás fibrózis nagyszámú mutációja esetében ismert.

A le nem fordítódó UTR-mutációk szerepe csak az utóbbi években vált érthetővé, hiszen első pillantásra azt hihetnénk, hogy egy olyan DNS-szakaszt érintő mutáció, amelyik nem kódol fehérjét, s így hibás fehérje sem termelődik, nem okoz tüneteket, betegséget. Ezzel szemben ma már tudjuk, hogy pl. az 5’ UTR régió szükséges a mRNS riboszómához való kapcsolódásához, s a normális fehérjeszintézishez. Így az is érthetővé vált, hogy némely trinukleotid repeat mutációk, melyekben az expanzió az UTR-régiót érinti, miért betegségokozók. Emellett a citozintartalmú repeatek metilációja egy sor epigenetikus változást indukál (metilkötő fehérjék, nem-kódoló RNS-ek kapcsolódása, kromatin remodellezés), amely ugyancsak magyarázhatja az UTR-mutációk betegség-okozó szerepét.

Bár a Humán Genom Projekt eredményeképpen az emberi DNS-szekvencia már majdnem teljesen ismert, a szekvencia ismerete nem jelenti a gének ismeretét, s a gén ismerete sem jelenti automatikusan funkciójának ismeretét!

Ez különösen azokban az esetekben jelent gondot, ahol a mutáció eredményeképpen egy új, más funkciójú fehérje termelődik, viszont sem az eredeti fehérje, sem a mutáció nem ismert. Ilyenkor ún. funkciónyeréses = gain of function mutációról van szó. Ebben az esetben jóval nehezebb a felderítés. Ez jellemezte a Huntington chorea vizsgálatát is, ahol a végül azonosított huntingtin nevű fehérje pontos eredeti funkciója ma sem igazán ismert.

Egyszerűbb a helyzet akkor, ha mutáció nyomán egy korábban már ismert szerkezetű és funkciójú fehérje tűnik el, vagy változtatja meg működését. Ekkor ún. funkcióvesztéses = loss of function mutációról van szó, mint pl. a fenilketonuria vagy a sarlósejtes anémia esetében. A funkcióvesztéses mutációk általában recesszív jelleget eredményeznek, vagyis csak homozigóta formában jelennek meg a fenotípusban. Ez azért lehet így, mert a legtöbb géntermék esetében nem számít a pontos mennyiség, fél adaggal is működik a rendszer. Vannak azonban dózisérzékeny gének, ahol az 50%-ra csökkent mennyiségű termék nem elég. Ez az ún. haploinszufficiencia (haplo = egyszeres; inszufficiens = elégtelen). Tehát már a heterozigóta állapot is kóros fenotípust hoz létre, ekkor a funkcióvesztéses mutáció domináns öröklődésmenettel párosul.

Az is előfordul, hogy a mutáció miatt nemcsak a géntermék eredeti funkciója vész el, hanem a mutáns termék megakadályozza a normális termék működését, pl. nem tudnak dimerizálni. Ez az ún. domináns-negatív hatás, vagyis a mutáció domináns fenotípussal jár és heterozigóta formában is megnyilvánul.