„Stille“ Mutationen haben Auswirkungen über das eigene Gen hinaus

Genetische Erkrankungen wie Mukoviszidose und die Huntington-Krankheit gelten als unheilbar, da Genmutationen praktisch in jeder Körperzelle auftreten. Genmutationen treten auf, wenn ein Nukleotid in einem Codon ausgetauscht wird. Bei nicht-synonymen Mutationen wird dadurch die Funktion des Codons, seine Aminosäure zu kodieren, gestört. Bei synonymen Mutationen kodiert das Codon immer noch die richtige Aminosäure. Daher werden diese Mutationen als „still“ bezeichnet und oft als belanglos für die menschliche Gesundheit angesehen.

Nun liefern Forscher der University of Notre Dame neue Beweise für die Theorie, dass diese stillen Mutationen entscheidende Konsequenzen haben könnten. Ihre Studie, veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenzeigte, wie eine synonyme Mutation in einem Gen ein benachbartes Gen erheblich beeinflussen und dessen Proteinproduktion steigern kann.

„Derzeit gilt in diesem Bereich die Dogmatik, dass im proteinkodierenden Teil des Genoms nur Mutationen von Bedeutung sind, die die DNA so verändern, dass sie von einer Aminosäure zu einer anderen kodiert“, sagte Patricia L. Clark, O’Hara-Professorin für Chemie und Biochemie an der Notre Dame und Hauptautorin der Studie. „Das ist eine sehr vereinfachte – und fast schädliche – Sichtweise auf das, was wirklich zählt.“

Für diese Studie experimentierten die Forscher mit dem Genom des Bakteriums E. coli, da es aufgrund seines kleinen Genoms und seiner einfachen Zellstruktur einfacher ist, grundlegende Fragen über die Auswirkungen von Mutationen zu stellen als bei menschlichen Zellen. Sie erstellten neun verschiedene synonyme Versionen des CAT-Gens (Chloramphenicol-Acetyltransferase), wobei jede Version unterschiedliche synonyme Codons zur Kodierung des CAT-Proteins verwendete.

Als diese verschiedenen synonymen Versionen exprimiert wurden, entdeckten sie, dass vier von neun synonymen Sequenzen die Anzahl der synthetisierten CAT-Proteine ​​beeinflussten.

„Stellen Sie sich synonyme Mutationen wie eine riesige Aneinanderreihung möglicher DNA-Sequenzen vor, die alle dasselbe Protein ergeben“, sagte Clark. „Sie können jeden beliebigen Teil dieser Aneinanderreihung auswählen und erhalten dasselbe Protein, aber erhalten Sie auch dieselbe Proteinmenge? Wird die Proteinfaltung dieselbe sein? Wird die Zelle gesund sein? Das ist es, was wir untersucht haben.“

Als Experte für Proteinfaltung stellte Clark zunächst die Hypothese auf, dass diese vier synonymen Mutationen die CAT-Proteinfaltung verändern könnten, die nach der Genexpression stattfindet. Die Forscher – darunter Erstautorin Anabel Rodriguez, damals Doktorandin in Clarks Labor – entdeckten jedoch später, dass die synonymen Mutationen während des Genexpressionsprozesses Auswirkungen haben und die Transkription von DNA in RNA beeinträchtigen.

„Anabel zeigte, dass die Menge der CAT-Proteinsynthese mit der Menge der CAT-RNA-Synthese korrelierte“, sagte Clark. „Das deutete darauf hin, dass einige synonyme Mutationen die Synthese von RNA aus DNA durcheinander brachten. Dass Anabel diesen neuen Mechanismus der Transkriptionsregulierung herausfinden konnte, während sie in einem Labor arbeitete und keinerlei Erfahrung mit der Erforschung der Transkription hatte, ist eine bemerkenswerte Leistung.“

Die Forschung zeigte, dass einige der synonymen Mutationen kryptische Transkriptionsstellen auf dem CAT-DNA-Strang erzeugten. RNA-Polymerase, das Enzym, das für die Transkription von DNA in RNA verantwortlich ist, band an diese kryptischen Transkriptionsstellen – statt an die erwartete Bindungsstelle.

Diese Polymerasen synthetisierten eine RNA, die innerhalb von CAT begann, sich aber so ausdehnte, dass sie auch das gesamte benachbarte, vorgelagerte Gen kodierte. Im Fall von CAT kodiert das vorgelagerte Gen ein Repressorprotein, sodass eine größere Produktion davon die Expression von CAT unterdrückt.

Das Konzept einer synonymen Mutation, die die Prozesse des eigenen Gens beeinflusst, wurde erst im letzten Jahrzehnt in Betracht gezogen. Die Idee, dass eine synonyme Mutation eines Gens auch die Transkriptions- und Translationsprozesse eines benachbarten Gens beeinflussen könnte, ist daher eine bedeutende Erweiterung – und etwas, das Clark und ihr Labor weiter untersuchen möchten.

„Es gibt eine zunehmende Zahl wegweisender Studien, die zeigen, wie unvollständig unser Verständnis der Auswirkungen synonymer Mutationen ist. Wir sollten berücksichtigen, wie sich diese Mutationen auf alle Krankheiten und genetischen Störungen auswirken“, sagte Clark. „Ich hoffe, dass unsere Studie dazu beitragen wird, den Aufbau eines umfassenden Verständnisses zu beschleunigen.“

Als nächstes will das Forschungsteam analysieren, wie einige der synonymen Mutationen des CAT-Gens die RNA-Polymerase so effizient an die kryptische Bindungsstelle rekrutieren konnten. Dies ist besonders interessant, da die derzeit verfügbaren Algorithmen des maschinellen Lernens dies nicht genau vorhersagen konnten.

Weitere Co-Autoren der Studie sind Jacob Diehl, Christopher Bonar, Taylor Lundgren, McKenze Moss, Jun Li, Tijana Milenkovic, Paul Huber und Matthew Champion von Notre Dame, Gabriel Wright von der Milwaukee School of Engineering und Scott Emrich von der University of Tennessee.