Большинство «молчаливых» генетических мутаций вредны, а не нейтральны

В начале 1960-х выпускник Мичиганского университета Маршалл Ниренберг и несколько других ученых расшифровали генетический код жизни, определив правила, по которым информация в молекулах ДНК транслируется в белки, рабочие части живых клеток.

Они идентифицировали трехбуквенные единицы в последовательностях ДНК, известные как кодоны, которые определяют каждую из 20 аминокислот, составляющих белки, за работу, за которую Ниренберг позже разделил Нобелевскую премию с двумя другими.

Иногда в генетическом коде встречаются однобуквенные орфографические ошибки, известные как точечные мутации. Точечные мутации, которые изменяют результирующие последовательности белков, называются несинонимичными мутациями, а те, которые не изменяют последовательности белков, называются молчащими или синонимичными мутациями.

От одной четверти до одной трети точечных мутаций в последовательностях ДНК, кодирующих белок, являются синонимами. С тех пор, как генетический код был взломан, эти мутации обычно считались нейтральными или почти нейтральными.

Но в исследовании, опубликованном 8 июня в журнале Nature , которое включало генетические манипуляции с клетками дрожжей в лаборатории, биологи Мичиганского университета показали, что большинство синонимичных мутаций очень вредны.

По словам авторов исследования, сильная ненейтральность большинства синонимичных мутаций, если окажется, что это верно для других генов и других организмов, будет иметь серьезные последствия для изучения механизмов болезней человека, биологии популяции и сохранения, а также эволюционной биологии.

«С тех пор, как в 1960-х годах был раскрыт генетический код, синонимичные мутации обычно считались безвредными. Теперь мы показываем, что это убеждение ложно», — сказал старший автор исследования Цзянжи «Джордж» Чжан, профессор Университета им. Маршалла В. Ниренберга. Департамент экологии и эволюционной биологии UM.

«Поскольку многие биологические выводы основаны на предположении, что синонимичные мутации нейтральны, его несостоятельность имеет широкие последствия. Например, синонимичные мутации обычно игнорируются при изучении болезнетворных мутаций, но они могут быть недооцененным и распространенным механизмом».

В последнее десятилетие неподтвержденные данные свидетельствуют о том, что некоторые синонимичные мутации не являются нейтральными. Чжан и его коллеги хотели знать, являются ли такие случаи исключением или правилом.

Они решили обратиться к этому вопросу с помощью почкующихся дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), потому что короткое время генерации организма (около 80 минут) и небольшой размер позволили им относительно быстро, точно и удобно измерить эффекты большого количества синонимичных мутаций.

Они использовали редактирование генома CRISPR/Cas9 для создания более 8000 мутантных штаммов дрожжей, каждый из которых несет синонимичные, несинонимичные или бессмысленные мутации в одном из 21 гена, на который нацелены исследователи.

Затем они количественно оценили «приспособленность» каждого мутантного штамма, измерив, насколько быстро он размножается по сравнению с немутантным штаммом. Проще говоря, дарвиновская приспособленность относится к количеству потомства, которое имеет человек. В этом случае измерение репродуктивной способности штаммов дрожжей показало, были ли мутации полезными, вредными или нейтральными.

К своему удивлению, исследователи обнаружили, что 75,9% синонимичных мутаций были значительно вредными, а 1,3% — значительно полезными.

«Предыдущие анекдоты о ненейтральных синонимичных мутациях оказались верхушкой айсберга», — сказал ведущий автор исследования Сюкан Шен, аспирант лаборатории Чжана.

«Мы также изучили механизмы, с помощью которых синонимичные мутации влияют на приспособленность, и обнаружили, что по крайней мере одна из причин заключается в том, что как синонимичные, так и несинонимичные мутации изменяют уровень экспрессии генов, а степень этого эффекта экспрессии предсказывает эффект приспособленности».

Чжан сказал, что исследователи заранее знали, основываясь на анекдотических сообщениях, что некоторые синонимичные мутации, вероятно, окажутся ненейтральными.

«Но мы были шокированы большим количеством таких мутаций», — сказал он. «Наши результаты подразумевают, что синонимичные мутации почти так же важны, как и несинонимичные мутации, в возникновении заболевания, и требуют активизации усилий по прогнозированию и идентификации патогенных синонимичных мутаций».

Команда под руководством UM заявила, что, хотя нет особой причины, по которой их результаты будут ограничены дрожжами, для проверки общности их результатов необходимы подтверждения на различных организмах.

Другими авторами исследования природы являются Силианг Сонг с факультета экологии и эволюционной биологии Университета Массачусетса и Чуан Ли из Стэнфордского университета. Работа была поддержана грантом Национального института здравоохранения США, предоставленным Чжану.