طفرة إزاحة الإطار

في عام ١٩٥٦، وصف فرانسيس كريك تدفق المعلومات الوراثية من الحمض النووي (DNA) إلى ترتيب محدد من الأحماض الأمينية لتكوين البروتين ، مُطلقًا على ذلك المبدأ المركزي لعلم الوراثة. ^{[ ١ ]} لكي تعمل الخلية بشكل سليم، يجب إنتاج البروتينات بدقة لأداء وظائفها البنائية والتحفيزية . قد يُؤدي إنتاج بروتين بشكل خاطئ إلى آثار ضارة على حيوية الخلية ، وفي معظم الحالات، يُسبب خللًا في وظائف الخلية، مما يُؤدي إلى إصابة الكائن الحي باضطرابات صحية. ولضمان نقل المعلومات الوراثية بنجاح، تُدمج آليات التدقيق ، مثل الإكسونوكليازات وأنظمة إصلاح عدم التطابق ، في عملية تضاعف الحمض النووي . ^{[ ١ ]}

بعد تضاعف الحمض النووي، تتم قراءة جزء محدد من المعلومات الوراثية عن طريق النسخ . ^{[ 1 ]} توجد النيوكليوتيدات الحاملة للمعلومات الوراثية على جزيء mRNA أحادي السلسلة . يرتبط mRNA بوحدة فرعية من الريبوسوم ويتفاعل مع rRNA . تُقرأ المعلومات الوراثية الموجودة في كودونات mRNA (تُفك شفرتها) بواسطة مضادات الكودونات في tRNA. مع قراءة كل كودون (ثلاثية)، تُضاف الأحماض الأمينية حتى الوصول إلى كودون التوقف (UAG أو UGA أو UAA). عند هذه النقطة، يكون عديد الببتيد (البروتين) قد تم تصنيعه ويُطلق. ^{[ 1 ]} لكل 1000 حمض أميني مُدمج في البروتين، لا يزيد عدد الأحماض الأمينية الخاطئة عن واحد. تتحقق دقة التعرف على الكودون، مع الحفاظ على أهمية إطار القراءة الصحيح، من خلال اقتران القواعد الصحيح في موقع A للريبوسوم، ونشاط تحلل GTP بواسطة EF-Tu، وشكل من أشكال الاستقرار الحركي، وآلية التدقيق اللغوي عند إطلاق EF-Tu. ^{[ 1 ]}

قد يحدث انزياح الإطار أيضًا أثناء ترجمة الطور التمهيدي ، مما ينتج بروتينات مختلفة من أطر قراءة مفتوحة متداخلة، مثل بروتينات الفيروسات القهقرية gag-pol-env . وهذا شائع نسبيًا في الفيروسات ، ويحدث أيضًا في البكتيريا والخميرة (فارابو، 1996). يُعتقد أن إنزيم النسخ العكسي ، على عكس بوليميراز الحمض النووي الريبي II ، هو السبب الأقوى لحدوث طفرات انزياح الإطار. في التجارب، حدثت 3-13% فقط من جميع طفرات انزياح الإطار بسبب بوليميراز الحمض النووي الريبي II. في بدائيات النوى، يتراوح معدل الخطأ المُسبب لطفرات انزياح الإطار بين 0.0001 و0.00001. ^{[ 5 ]}

توجد عدة عمليات بيولوجية تساعد على منع طفرات الإزاحة. تحدث طفرات عكسية تُعيد التسلسل المُطفر إلى التسلسل الأصلي غير المُطفر . ومن الطرق الأخرى لتصحيح الطفرات استخدام طفرة كابحة ، حيث تُعادل هذه الطفرة تأثير الطفرة الأصلية عن طريق إحداث طفرة ثانوية، مما يُغير التسلسل ليسمح بقراءة الأحماض الأمينية الصحيحة. كما يُمكن استخدام الحمض النووي الريبوزي الدليل لإدخال أو حذف اليوريدين في الحمض النووي الريبوزي الرسول بعد النسخ، مما يسمح بقراءة الإطار الصحيح. ^{[ 1 ]}

الكودون هو مجموعة من ثلاثة نيوكليوتيدات ، تُسمى ثلاثية ، تُشفّر حمضًا أمينيًا مُحددًا . يُحدد الكودون الأول إطار القراءة، الذي يبدأ عنده كودون جديد. يتحدد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين بثلاثيات متجاورة. ^{[ 6 ]} تُعد الكودونات أساسية لترجمة المعلومات الوراثية اللازمة لتخليق البروتينات. يُحدد إطار القراءة عند بدء ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ويُحافظ عليه أثناء قراءة كل ثلاثية. تخضع قراءة الشفرة الوراثية لثلاث قواعد تُراقب الكودونات في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). أولًا، تُقرأ الكودونات في اتجاه 5' إلى 3'. ثانيًا، لا تتداخل الكودونات، ولا توجد فجوات في الرسالة. القاعدة الأخيرة، كما ذُكر أعلاه، هي أن الرسالة تُترجم في إطار قراءة ثابت. ^{[ 1 ]}

هذه طفرة جينية على مستوى قواعد النيوكليوتيدات. ولا يزال البحث جارياً لفهم أسباب وكيفية حدوث طفرات الإزاحة الإطارية. أُجريت دراسة بيئية، وتحديداً لدراسة إنتاج طفرات الإزاحة الإطارية الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية بواسطة بوليميرازات الحمض النووي التي تفتقر إلى نشاط الإكسونوكلياز 3′ → 5′. تم تغيير التسلسل الطبيعي 5′ GTC GTT TTA CAA 3′ إلى GTC GTT T TTA CAA (MIDT) أو GTC GTT C TTA CAA (MIDC) لدراسة طفرات الإزاحة الإطارية. ينتج عن إنزيمات بوليميراز الحمض النووي الطافرة من نوع E. coli pol I Kf وT7، التي تفتقر إلى نشاط الإكسونوكلياز 3′ → 5′، طفرات عكسية ناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية بتردد أعلى من نظيراتها ذات نشاط الإكسونوكلياز . تشير البيانات إلى أن فقدان نشاط التدقيق اللغوي يزيد من تردد طفرات الإزاحة الإطارية الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 7 ]}

من المعروف أن طفرات الإزاحة تُعدّ عاملاً في سرطان القولون والمستقيم ، بالإضافة إلى أنواع أخرى من السرطانات التي تتسم بعدم استقرار التكرارات الميكروية . وكما ذُكر سابقاً، فإن طفرات الإزاحة أكثر شيوعاً في مناطق التسلسل المتكرر. وعندما لا يُصلح نظام إصلاح عدم تطابق الحمض النووي إضافة أو حذف القواعد، تزداد احتمالية أن تكون هذه الطفرات مُمرضة. وقد يعود ذلك جزئياً إلى عدم توقف نمو الورم. تُساعد التجارب التي أُجريت على الخميرة والبكتيريا في إظهار خصائص التكرارات الميكروية التي قد تُساهم في خلل إصلاح عدم تطابق الحمض النووي. وتشمل هذه الخصائص طول التكرار الميكروي ، وتركيب المادة الوراثية، ونقاء التكرارات. وبناءً على النتائج التجريبية، فإن التكرارات الميكروية الأطول تُظهر معدلاً أعلى من طفرات الإزاحة. كما يُمكن أن يُساهم الحمض النووي المُجاور في حدوث طفرات الإزاحة. ^{[ 17 ]} في سرطان البروستاتا، تُغير طفرة الإزاحة إطار القراءة المفتوح (ORF) وتمنع حدوث موت الخلايا المبرمج (الاستماتة). وهذا يؤدي إلى نمو غير مُنظم للورم . على الرغم من وجود عوامل بيئية تساهم في تطور سرطان البروستاتا ، إلا أن هناك أيضًا عاملًا وراثيًا. خلال فحص المناطق المشفرة لتحديد الطفرات، تم اكتشاف 116 متغيرًا جينيًا، بما في ذلك 61 طفرة إزاحة إطار القراءة. ^{[ 18 ]} يوجد أكثر من 500 طفرة على الكروموسوم 17 يبدو أنها تلعب دورًا في تطور سرطان الثدي والمبيض في جين BRCA1، والعديد منها طفرات إزاحة إطار القراءة. ^{[ 19 ]}

يرتبط داء كرون بجين NOD2 . وتتمثل الطفرة في إدخال سيتوزين في الموضع 3020. يؤدي هذا إلى ظهور كودون توقف مبكر، مما يُقصر البروتين المفترض نسخه. عندما يتشكل البروتين بشكل طبيعي، فإنه يستجيب للسكريات الدهنية البكتيرية، بينما تمنع طفرة 3020insC البروتين من الاستجابة. ^{[ 20 ]}

التليف الكيسي مرضٌ ناتجٌ عن طفراتٍ في جين منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي . تم تحديد أكثر من 1500 طفرة، ولكن ليس جميعها يُسبب المرض. ^{[ 21 ]} معظم حالات التليف الكيسي ناتجةٌ عن طفرة ∆F508، التي تحذف حمضًا أمينيًا كاملًا. هناك طفرتان إزاحة إطار مهمتان في تشخيص التليف الكيسي، وهما CF1213delT وCF1154-insTC. تحدث هاتان الطفرتان عادةً بالتزامن مع طفرةٍ أخرى واحدة على الأقل. وتؤديان إلى انخفاضٍ طفيفٍ في وظائف الرئتين، وتحدثان في حوالي 1% من المرضى الذين خضعوا للفحص. تم تحديد هاتين الطفرتين من خلال تسلسل سانجر . ^{[ 22 ]}

يُعدّ CCR5 أحد العوامل المساعدة لدخول فيروس نقص المناعة البشرية إلى الخلايا، وهو أكثر شيوعًا في السلالات غير المُحفّزة لتكوين الخلايا العملاقة متعددة النوى، ويظهر بوضوح أكبر لدى مرضى فيروس نقص المناعة البشرية مقارنةً بمرضى الإيدز. وقد حُدِّد حذف 32 زوجًا قاعديًا في CCR5 كطفرة تُقلّل من احتمالية الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية. تحتوي هذه المنطقة على إطار القراءة المفتوح (ORF) على طفرة إزاحة إطار تؤدي إلى ظهور كودون توقف مبكر. ويؤدي ذلك إلى فقدان وظيفة المُستقبل المُساعد لفيروس نقص المناعة البشرية في المختبر. يُعتبر CCR5-1 النمط البري، بينما يُعتبر CCR5-2 الأليل الطافر. وكان الأفراد الذين يحملون طفرة غير متجانسة في CCR5 أقل عرضةً للإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية. في إحدى الدراسات، وعلى الرغم من التعرض العالي لفيروس نقص المناعة البشرية، لم يُظهر أي فرد متماثل الزيجوت لطفرة CCR5 نتيجة إيجابية لفيروس نقص المناعة البشرية. ^{[ 3 ]}

مرض تاي-ساكس مرضٌ قاتلٌ يُصيب الجهاز العصبي المركزي، ويُشخَّص غالبًا لدى الرضع والأطفال الصغار. يبدأ تطور المرض في الرحم، لكن الأعراض لا تظهر إلا في عمر ستة أشهر تقريبًا. لا يوجد علاجٌ شافٍ لهذا المرض. ^{[ 23 ]} من المعروف أن الطفرات في جين بيتا-هيكسوزامينيداز أ ( HEXA ) تُؤثر على ظهور مرض تاي-ساكس، حيث وُصفت 78 طفرةً من أنواعٍ مختلفة، 67 منها معروفةٌ بأنها تُسبب المرض. معظم الطفرات المُلاحَظة (65/78) هي استبدالاتٌ لقاعدةٍ واحدةٍ أو تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs)، و11 حذفًا، منها حذفٌ كبيرٌ واحدٌ و10 حذفاتٍ صغيرةٍ، وإدخالان. 8 من الطفرات المُلاحَظة هي طفرات إزاحة الإطار، و6 حذفاتٍ وإدخالان. لوحظ إدخال 4 أزواجٍ قاعديةٍ في الإكسون 11 في 80% من حالات مرض تاي-ساكس لدى اليهود الأشكناز . تؤدي طفرات إزاحة الإطار إلى ظهور كودون توقف مبكر، وهو ما يُعرف بدوره في المرض لدى الرضع. ويبدو أن المرض المتأخر الظهور ناتج عن 4 طفرات مختلفة، إحداها حذف 3 أزواج قاعدية. ^{[ 24 ]}

متلازمة سميث-ماجينيس (SMS) هي متلازمة معقدة تتضمن إعاقات ذهنية ، واضطرابات في النوم، ومشاكل سلوكية، ومجموعة متنوعة من التشوهات القحفية الوجهية والهيكلية والحشوية. تحمل غالبية حالات متلازمة سميث-ماجينيس حذفًا مشتركًا يبلغ طوله حوالي 3.5 ميجابايت يشمل جين RAI1 (المحفز بحمض الريتينويك-1 ). وتُظهر حالات أخرى تباينًا في النمط الظاهري لمتلازمة سميث-ماجينيس لم يُلاحظ سابقًا مع طفرة RAI1، بما في ذلك فقدان السمع، وسلوكيات إيذاء الذات، وتأخر نمائي شامل طفيف. كشف تسلسل جين RAI1 عن طفرة في سلسلة سباعية من السيتوزين (CCCCCCC) في الإكسون 3، مما أدى إلى طفرات إزاحة الإطار. من بين طفرات إزاحة الإطار السبعة المُبلغ عنها والتي تحدث في سلاسل متعددة من السيتوزين في جين RAI1، تحدث أربع حالات (حوالي 57%) في هذه السلسلة السباعية من السيتوزين. تشير النتائج إلى أن هذا الجزء السباعي C هو نقطة ساخنة مفضلة لإعادة التركيب (SNindels) وبالتالي فهو هدف أساسي للتحليل في المرضى المشتبه بإصابتهم بطفرات في RAI1. ^{[ 25 ]}

اعتلال عضلة القلب الضخامي هو السبب الأكثر شيوعًا للوفاة المفاجئة لدى الشباب، بمن فيهم الرياضيون المحترفون، وينتج عن طفرات في الجينات التي تشفر بروتينات الساركومير القلبي. تُعد الطفرات في جين التروبونين C ( TNNC1 ) سببًا وراثيًا نادرًا لاعتلال عضلة القلب الضخامي. وقد أشارت دراسة حديثة إلى أن طفرة إزاحة الإطار (c.363dupG أو p.Gln122AlafsX30) في التروبونين C كانت سببًا في اعتلال عضلة القلب الضخامي (والوفاة القلبية المفاجئة) لدى شاب يبلغ من العمر 19 عامًا. ^{[ 26 ]}

يُعدّ إيجاد علاج للأمراض الناجمة عن طفرات الإزاحة الجينية أمرًا نادرًا، ولا تزال الأبحاث جارية في هذا المجال. ومن الأمثلة على ذلك نقص المناعة الأولي ، وهو حالة وراثية قد تؤدي إلى زيادة خطر الإصابة بالعدوى. هناك 120 جينًا و150 طفرة تلعب دورًا في حالات نقص المناعة الأولي. العلاج القياسي حاليًا هو العلاج الجيني ، ولكنه علاج عالي الخطورة، وقد يؤدي غالبًا إلى أمراض أخرى، مثل سرطان الدم (اللوكيميا). تتضمن إجراءات العلاج الجيني تعديل بروتين اندماج نوكلياز الزنك، وقطع طرفي الطفرة، مما يؤدي بدوره إلى إزالتها من التسلسل. يُعدّ تخطي الإكسون بوساطة قليل النوكليوتيدات المضاد للجين خيارًا آخر لعلاج ضمور دوشين العضلي . تسمح هذه العملية بتجاوز الطفرة بحيث يبقى باقي التسلسل ضمن الإطار الصحيح، وتبقى وظيفة البروتين سليمة. مع ذلك، لا يُعالج هذا المرض، بل يُخفف الأعراض فقط، وهو عملي فقط في البروتينات التركيبية أو الجينات المتكررة الأخرى. يُعدّ التفسيف العكسي شكلاً ثالثاً من أشكال الإصلاح ، وهو يحدث بشكل طبيعي نتيجة طفرة عكسية أو طفرة في موقع ثانٍ تُصحّح إطار القراءة. قد يحدث هذا العكس عن طريق إعادة التركيب داخل الجين ، أو تحويل الجينات أثناء الانقسام الخلوي ، أو انزلاق الحمض النووي في موقع ثانٍ، أو العكس الموضعي. هذا ممكن في العديد من الأمراض، مثل نقص المناعة المشترك الشديد المرتبط بالكروموسوم X ، ومتلازمة ويسكوت-ألدريتش ، ومتلازمة بلوم . لا توجد أدوية أو طرق دوائية جينية أخرى تُساعد في علاج نقص المناعة الأولي. ^{[ 27 ]}

سجّلت شركة بورك براءة اختراع أوروبية (EP1369126A1) عام 2003، تُفيد بطريقة تُستخدم للوقاية من السرطانات وعلاجها، بما في ذلك الأورام السرطانية وما قبل السرطانية، مثل الأورام المتفرقة التي تعاني من خلل في إصلاح عدم تطابق الحمض النووي (MMR) والأورام المرتبطة بمتلازمة لينش (HNPCC). وتقوم الفكرة على استخدام العلاج المناعي بمزيج من الببتيدات المُشتقة من طفرات إزاحة الإطار الخاصة بالورم، وذلك لتحفيز استجابة الخلايا التائية السامة للخلايا، والموجهة تحديدًا ضد الخلايا السرطانية. ^{[ 28 ]}