طفرة صامتة

الطفرة غير المترادفة التي تحدث على مستوى الجينوم أو النسخ هي طفرة تؤدي إلى تغيير في تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين الناتج. يشير التركيب الأولي للبروتين إلى تسلسل الأحماض الأمينية فيه. قد يؤدي استبدال حمض أميني بآخر إلى إضعاف وظيفة البروتين وبنيته الثلاثية، إلا أن تأثيراته قد تكون طفيفة أو مقبولة اعتمادًا على مدى ترابط خصائص الأحماض الأمينية المتضمنة في الاستبدال. ^{[ 11 ]} يمكن أن يؤدي الإدخال المبكر لكودون التوقف ، أو ما يُعرف بطفرة الهراء ، إلى تغيير التركيب الأولي للبروتين. ^{[ 12 ]} في هذه الحالة، ينتج بروتين مبتور. تعتمد وظيفة البروتين وطيّه على موضع إدخال كودون التوقف وكمية وتكوين التسلسل المفقود.

في المقابل، الطفرات الصامتة هي طفرات لا يتغير فيها تسلسل الأحماض الأمينية. ^{[ 12 ]} تؤدي الطفرات الصامتة إلى تغيير أحد الأحرف في الشفرة الثلاثية التي تمثل الكودون ، ولكن على الرغم من تغيير القاعدة المفردة، يظل الحمض الأميني المشفر له دون تغيير أو مشابهًا في خصائصه الكيميائية الحيوية. وهذا ما يسمح به تعدد أشكال الشفرة الوراثية .

تاريخياً، كان يُعتقد أن الطفرات الصامتة ذات أهمية ضئيلة أو معدومة. ومع ذلك، تشير الأبحاث الحديثة إلى أن هذه التغييرات في الشفرة الثلاثية تؤثر على كفاءة ترجمة البروتين وطَيّ البروتين ووظيفته. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

علاوة على ذلك، يُعدّ التغيير في البنية الأولية أمرًا بالغ الأهمية، لأن البنية الثالثية المطوية بالكامل للبروتين تعتمد على بنيته الأولية. وقد تم التوصل إلى هذا الاكتشاف من خلال سلسلة من التجارب في ستينيات القرن الماضي، والتي كشفت أن إنزيم RNase المختزل والمُشوّه، في حالته غير المطوية، يمكن أن يعود إلى بنيته الثالثية الأصلية. تتكون البنية الثالثية للبروتين من سلسلة عديد ببتيد مطوية بالكامل، حيث تنطوي جميع المجموعات الجانبية الكارهة للماء (R-groups) إلى داخل البروتين لزيادة الإنتروبيا إلى أقصى حد، وذلك من خلال التفاعلات بين البنى الثانوية مثل الصفائح بيتا والحلزونات ألفا. وبما أن بنية البروتينات تحدد وظيفتها، فمن الضروري أن يُطوى البروتين بشكل صحيح إلى بنيته الثالثية لكي يؤدي وظيفته على النحو الأمثل. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن سلاسل عديد الببتيد قد تختلف اختلافًا كبيرًا في بنيتها الأولية، ولكنها تتشابه إلى حد كبير في بنيتها الثالثية ووظيفتها. ^{[ 15 ]}

تؤدي الطفرات الصامتة إلى تغيير البنية الثانوية للـ mRNA .

تتكون البنية الثانوية للبروتينات من التفاعلات بين ذرات العمود الفقري لسلسلة عديد الببتيد، باستثناء المجموعات الجانبية (R). أحد أنواع البنى الثانوية الشائعة هو الحلزون ألفا، وهو حلزون يميني ينتج عن روابط هيدروجينية بين الحمض الأميني رقم n والحمض الأميني رقم n+4 . أما النوع الآخر الشائع من البنى الثانوية فهو الصفيحة بيتا، التي تتميز بانحناء يميني، ويمكن أن تكون متوازية أو متضادة التوازي اعتمادًا على اتجاه عديدات الببتيد المرتبطة، وتتكون من روابط هيدروجينية بين مجموعتي الكربونيل والأمين في العمود الفقري لسلسلتين من عديدات الببتيد. ^{[ 16 ]}

يمتلك الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) بنية ثانوية ليست بالضرورة خطية كبنية الحمض النووي (DNA)، ولذلك فإن شكل الروابط التكميلية في هذه البنية قد يكون له تأثيرات كبيرة. على سبيل المثال، إذا كان جزيء mRNA غير مستقر نسبيًا، فإنه قد يتحلل بسرعة بواسطة الإنزيمات الموجودة في السيتوبلازم . أما إذا كان جزيء RNA مستقرًا للغاية، وكانت الروابط التكميلية قوية ومقاومة للتفكك قبل الترجمة، فقد يكون التعبير الجيني منخفضًا. ويؤثر استخدام الكودونات على استقرار mRNA. ^{[ 10 ]}

علاوة على ذلك، ولأن جميع الكائنات الحية تحتوي على شفرة وراثية مختلفة قليلاً، فإن بنى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) تختلف قليلاً أيضاً. ومع ذلك، فقد أظهرت دراسات متعددة أن جميع بنى mRNA المطوية بشكل صحيح تعتمد على التسلسل الأولي لسلسلة الببتيد، وأن البنية تُحافظ عليها وفرة ثنائيات النوكليوتيدات النسبية في مصفوفة الخلية. كما اكتُشف أن البنية الثانوية لـ mRNA مهمة لعمليات الخلية مثل استقرار النسخ والترجمة. الفكرة العامة هي أن المجالات الوظيفية لـ mRNA تطوي فوق بعضها البعض، بينما تكون مناطق كودون البدء والتوقف أكثر مرونة بشكل عام، مما قد يساعد في الإشارة إلى بدء الترجمة وإنهائها. ^{[ 17 ]}

إذا توقف الريبوسوم القادم مؤقتًا بسبب عقدة في الحمض النووي الريبوزي (RNA)، فقد يكون لدى عديد الببتيد وقت كافٍ للانطواء إلى بنية غير طبيعية قبل أن يتمكن جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) من إضافة حمض أميني آخر . قد تؤثر الطفرات الصامتة أيضًا على عملية التضفير ، أو التحكم في النسخ .

تؤثر الطفرات الصامتة على طي البروتين ووظيفته. ^{[ 1 ]} في الوضع الطبيعي، يمكن إعادة طي البروتين المطوي بشكل خاطئ بمساعدة البروتينات المرافقة الجزيئية. ينتج الحمض النووي الريبوزي (RNA) عادةً بروتينين مطويين بشكل خاطئ نتيجة ميله للطي معًا والتعلق في هيئتين مختلفتين، ويواجه صعوبة في تحديد البنية الثلاثية المفضلة بسبب وجود بنى أخرى منافسة. يمكن للبروتينات الرابطة للحمض النووي الريبوزي (RNA) المساعدة في حل مشاكل طي الحمض النووي الريبوزي، ولكن عند حدوث طفرة صامتة في سلسلة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، لا ترتبط هذه البروتينات المرافقة بالجزيء بشكل صحيح، وبالتالي تعجز عن إعادة توجيه الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى الطي الصحيح. ^{[ 18 ]}

تشير الأبحاث الحديثة إلى أن الطفرات الصامتة قد تؤثر على بنية البروتين ونشاطه لاحقًا. ^{[ 19 ] [ 20 ]} إذ يمكن أن يتغير توقيت ومعدل طي البروتين، مما قد يؤدي إلى اختلالات وظيفية. ^{[ 21 ]}

تُعتبر حوالي 99.8% من الجينات التي تخضع لطفرات صامتة، لأن تغيير النيوكليوتيد لا يُغير الحمض الأميني المُترجم. ^{[ 23 ]} على الرغم من أن الطفرات الصامتة لا يُفترض أن تؤثر على النمط الظاهري، إلا أن بعض الطفرات تُثبت عكس ذلك، مثل جين مقاومة الأدوية المتعددة 1 (MDR1). يُشفّر MDR1 بروتين P-glycoprotein الذي يُساعد على التخلص من الأدوية في الجسم. يتواجد هذا الجين في الأمعاء والكبد والبنكرياس والدماغ. يتواجد MDR1 في نفس مواقع CYP3A4، وهو إنزيم يُساعد على التخلص من السموم أو الأدوية من الكبد والأمعاء. تُؤدي الطفرات الصامتة، مثل MDR1، إلى تغيير في الاستجابة الظاهرية. أظهرت دراسة أُجريت على الفئران أنه عندما لم يكن لديها ما يكفي من جين MDR1، لم يتعرف جسمها على دواء الإيفرمكتين أو السيكلوسبورين، مما أدى إلى تكوين سموم في أجسامها. ^{[ 23 ]}

يحتوي جين MDR1 على أكثر من خمسين طفرة أحادية النوكليوتيد (SNP)، وهي عبارة عن تغيرات في تسلسل قواعد النوكليوتيدات. ^{[ 24 ] [ 23 ]} في جين MDR1، يمكن أن يتحول الإكسون 26، الذي يمثل 3535C، إلى 3535T، مما يؤدي إلى تغيير الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) إلى نوع نادر الحدوث، وبالتالي تغييرات في ناتج عملية الترجمة. هذا مثال على أن بعض الطفرات الصامتة لا تكون صامتة دائمًا. ^{[ 25 ]} وقد دُرست جينات مقاومة الأدوية المتعددة في الإكسون 26 C3435T، والإكسون 21 G2677T/A، والإكسون 12 C1236T، ووجد أنها تحتوي على طفرات أحادية النوكليوتيد تحدث في الوقت نفسه، مما يُحدث تغييرًا في "وظيفة" النمط الظاهري. يشير هذا إلى وجود اعتماد على النمط الفرداني بين الإكسون 26 والإكسونات الأخرى التي تحتوي على تعددات أشكال. على سبيل المثال، يُعدّ كلٌّ من إيفافيرينز ونيلفينافير نوعين من الأدوية التي تُساعد على تقليل عدوى فيروس نقص المناعة البشرية في جسم الإنسان. عندما يقترن تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP) من الإكسون 26 بتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة الأخرى في الإكسونات، تقلّ احتمالية استمرار العدوى بفعل هذه الأدوية. مع ذلك، عندما تُعبَّر النوكليوتيدات TT في الإكسون 26، يكون تركيز الفيروس لدى المريض أقل، ولكن عندما يتحوّل النمط الجيني إلى CC أو CT، تنتشر العدوى بشكل طبيعي، مما يجعل جين MDR 1 شبه عاجز عن الدفاع عن نفسه. تُظهر هذه التغييرات في قواعد الإكسون 26 لجين MDR 1 وجود علاقة بين طفرات جين MDR 1 وقدرة الأدوية المضادة للفيروسات القهقرية على كبح عدوى فيروس نقص المناعة البشرية. ^{[ 23 ]}

تمت دراسة الإكسون 26 أيضًا لتحديد ما إذا كان يعتمد على النمط الفرداني أم لا. يؤدي وجود تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP) في الإكسون 26 إلى تغيير الوظائف الظاهرية عند اقترانه بوجود طفرات من الإكسونين 12 و21. ولكن عند وجوده بمفرده، لا يؤثر على النتيجة الظاهرية بنفس القدر. يُلاحظ مثال على اعتماد الإكسون 26 على النمط الفرداني عند النظر إلى العلاج الكيميائي. بما أن MDR1 يُزيل الأدوية من خلايانا، فقد استُخدمت مثبطات لمنع قدرة MDR1 على إزالة الأدوية، مما يسمح للأدوية المفيدة مثل العلاج الكيميائي ومثبطات المناعة بمساعدة الجسم على التعافي بكفاءة أكبر. يحتوي MDR1 على بروتينات مختلفة تساعد في طرد هذه الأدوية المحددة من الخلايا السرطانية. ^{[ 26 ]} يُعدّ كلٌّ من فيراباميل وسيكلوسبورين أ من مثبطات MDR1 الشائعة. ^{[ 23 ]} لسوء الحظ، عندما تحدث طفرة C3435T مصحوبةً بطفرة من الإكسون 12 أو الإكسون 21 (أو إذا حدثت الطفرات الثلاث معًا مُكوِّنةً نمطًا فردانيًا)، تقل احتمالية إضعاف المثبطات لوظيفة MDR1. تميل الجينات الصامتة المتعددة ذات الطفرات إلى أن تكون أكثر مقاومةً لهذه المثبطات. ^{[ 26 ]}

بالنظر إلى المستوى الجزيئي، فإن سبب عدم صمت الطفرة C3435T في الإكسون 26 من جين MDR1 يعود إلى سرعة ترجمة الأحماض الأمينية إلى بروتينات. ^{[ 25 ]} يمكن أن تتخذ البنية الثانوية لجزيء mRNA شكلاً معيناً، مما يعني أن الكودونات المختلفة تُقابلها أشكال طي مختلفة لجزيء mRNA. على سبيل المثال، عندما يتغير الكودون ATC في الإكسون 26 إلى ATT، ينتج كلا الكودونين نفس الحمض الأميني، ولكن يُلاحظ الكودون ATC بشكل متكرر أكثر من الكودون الطافر. ونتيجة لذلك، يتغير الوقت اللازم للريبوسوم لإنتاج البروتين. يؤدي هذا إلى بنية بروتينية مختلفة عن الشكل المعتاد للبروتين، مما يؤدي إلى وظائف مختلفة للبروتين. ^{[ 27 ]}

تحدث الطفرة الصامتة في جين MDR1 في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). في mRNA، تعمل الكودونات أيضًا كمُحسِّنات لربط الإكسونات. تُحدِّد الكودونات متى يتم قطع الإنترونات بناءً على الكودون الذي تقرأه في mRNA. ^{[ 24 ]} تحمل الكودونات المتحوِّرة خطرًا أكبر لارتكاب خطأ عند ربط الإنترونات من تسلسل mRNA، مما يؤدي إلى إنتاج إكسونات خاطئة، وبالتالي إحداث تغيير في mRNA الناضج. ^{[ 27 ]} تُظهر الطفرات في جين مقاومة الأدوية المتعددة 1 كيف يمكن أن تؤثر الطفرات الصامتة على النمط الظاهري.