طفرة غير منطقية

في علم الوراثة ، تُعرف الطفرة غير المنطقية بأنها طفرة نقطية في تسلسل الحمض النووي (DNA) تُؤدي إلى ظهور كودون توقف مبكر في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) المُستنسخ ، مما يُنتج بروتينًا مُختزلًا وغير مكتمل، وربما غير وظيفي . ^{[ 1 ]} لا تُعد الطفرات غير المنطقية ضارة دائمًا؛ ^{[ 2 ]} إذ يعتمد تأثيرها الوظيفي على عدة عوامل، منها موقع كودون التوقف ضمن الحمض النووي المُشفّر . ^{[ 2 ]} فعلى سبيل المثال، يعتمد تأثير الطفرة غير المنطقية على قربها من كودون التوقف الأصلي، ومدى تأثر المجالات الفرعية الوظيفية للبروتين. ^{[ 3 ]} ولأن الطفرات غير المنطقية تُؤدي إلى إنهاء مبكر لسلاسل الببتيد ، تُسمى أيضًا بطفرات إنهاء السلسلة. ^{[ 4 ]}

تختلف الطفرات غير المترادفة عن الطفرات غير المترادفة، إذ إنها طفرات نقطية تُحدث تغييرًا في نيوكليوتيد واحد ، مما يؤدي إلى استبدال حمض أميني آخر . كما تختلف الطفرة غير المترادفة عن الطفرة غير المتوقفة ، وهي طفرة نقطية تُزيل كودون التوقف. يُصاب حوالي 10% من المرضى الذين يعانون من أمراض وراثية بطفرات غير مترادفة. ^{[ 5 ]} من بين الأمراض التي قد تُسببها هذه الطفرات: ضمور دوشين العضلي (DMD)، والتليف الكيسي (CF)، ^{[ 6 ]} وضمور العضلات الشوكي (SMA)، والسرطانات ، والأمراض الأيضية ، والاضطرابات العصبية. ^{[ 5 ] [ 7 ]} يختلف معدل حدوث الطفرات غير المترادفة من جين لآخر ومن نسيج لآخر، ولكن يحدث إسكات الجين لدى جميع المرضى الذين يُعانون من طفرة غير مترادفة. ^{[ 5 ]}

الحمض النووي : 5′—ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA—3′ 3′—TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT—5′ mRNA : 5′—AUG ACU CAC CGA GCG CGA AGC UGA—3′ Protein: N— Met Thr His Arg Ala Arg Ser Stop —C

يبدأ المثال أعلاه بتسلسل DNA من الطرف 5' يتكون من 24 نيوكليوتيدًا (8 كودونات ثلاثية) كما هو موضح، ويظهر أدناه الشريط المكمل له. يُبرز الصف التالي شريط mRNA من الطرف 5' ، والذي يتم إنتاجه من خلال عملية النسخ . أخيرًا، يُظهر الصف الأخير الأحماض الأمينية التي تُترجم من كل كودون ، حيث يُمثل الكودون الثامن والأخير كودون التوقف . تم تمييز الكودونات المقابلة للحمض الأميني الرابع، الأرجينين (Arg)، لأنها ستخضع لطفرة غير منطقية في الشكل التالي من هذا المثال.

الحمض النووي : 5'—ATG ACT CAC T GA GCG CGA AGC TGA—3' 3′—TAC TGA GTG A CT CGC GCT TCG ACT—5′ mRNA : 5′—AUG ACU CAC U GA GCG CGU AGC UGA—3′ Protein: N— Met Thr His Stop —C

لنفترض الآن حدوث طفرة غير منطقية عند الكودون الرابع في تسلسل الحمض النووي 5′ (CGA)، مما أدى إلى استبدال السيتوزين بالثايمين ، لينتج عن ذلك TGA في تسلسل الحمض النووي 5′ وACT في السلسلة المكملة. ولأن ACT يُنسخ كـ UGA، فإنه يُترجم ككودون توقف. هذا يؤدي إلى عدم ترجمة الكودونات المتبقية من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى بروتين، لأن كودون التوقف يُصل إليه قبل الأوان أثناء الترجمة. قد ينتج عن ذلك بروتين مبتور ( أي مختصر)، والذي غالبًا ما يفتقر إلى وظائف البروتين الطبيعي غير الطافر. ^{[ 1 ]}

تحلل الحمض النووي الريبوزي الرسول بوساطة الهراء

على الرغم من الميل المتوقع لكودونات الإنهاء المبكرة إلى إنتاج عديدات ببتيد أقصر، إلا أن تكوين البروتينات المبتورة لا يحدث كثيرًا في الكائنات الحية . تستخدم العديد من الكائنات الحية - بما في ذلك البشر والأنواع الدنيا، مثل الخميرة - مسار تحلل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) بوساطة كودونات الإنهاء غير المنطقية ، والذي يُحلل الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي يحتوي على طفرات غير منطقية قبل أن يتمكن من الترجمة إلى عديدات ببتيد غير وظيفية.

تثبيط الحمض النووي الريبوزي الناقل

نظرًا لأن الطفرات غير المنطقية تُنتج جزيء mRNA مُعدَّلًا يحتوي على كودون توقف مبكر، فإن إحدى طرق الحد من الضرر الذي يلحق بوظيفة البروتين النهائي هي تغيير جزيء tRNA الذي يقرأ mRNA. تُسمى جزيئات tRNA هذه بجزيئات tRNA الكابتة . إذا كان كودون التوقف هو UAG، فيمكن تغيير أي جزيء tRNA آخر من مضاد الكودون الأصلي إلى AUC ليتعرف على كودون UAG بدلًا منه. سيؤدي هذا إلى عدم بتر البروتين، ولكنه قد يحتوي على حمض أميني مُعدَّل. لا تحدث طفرات tRNA الكابتة إلا إذا كانت الخلية تحتوي على أكثر من جزيء tRNA واحد يقرأ كودونًا معينًا، وإلا فإن الطفرة ستؤدي إلى موت الخلية. كودونات التوقف الوحيدة هي UAG وUAA وUGA. تقرأ جزيئات tRNA الكابتة UAG وUAA كودونات التوقف الخاصة بها بدلًا من الكودون الأصلي، ولكن جزيئات tRNA الكابتة UAA تقرأ أيضًا UAG بسبب اقتران القواعد المتذبذب . جزيئات tRNA الكابتة UGA نادرة جدًا. من العقبات الأخرى التي تواجه هذه التقنية أن عوامل الإطلاق تتعرف أيضًا على كودونات التوقف ، لذا لا يزال على الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) التنافس مع عوامل الإطلاق للحفاظ على استمرار عملية الترجمة. ولهذا السبب، لا تتجاوز نسبة نجاح التثبيط عادةً 10-40%. تستهدف طفرات الحمض النووي الريبوزي الناقل الكابتة هذه كودونات التوقف غير الطافرة، مما يؤدي إلى زيادة طول بعض البروتينات بشكل ملحوظ. لا تستطيع سوى البكتيريا والكائنات حقيقية النوى الدنيا البقاء على قيد الحياة مع هذه الطفرات، بينما تموت خلايا الثدييات والحشرات نتيجةً لطفرة كابتة. ^{[ 4 ]}

لأسباب تاريخية، أُطلقت أسماء على كودونات التوقف الثلاثة (انظر كودونات التوقف ): يُطلق على UAG اسم كودون الكهرماني، ويُطلق على UAA اسم كودون المغرة، ويُطلق على UGA اسم كودون الأوبال. ^{[ 10 ]}

تشكل الطفرات غير المنطقية حوالي 20% من استبدالات النوكليوتيدات المفردة ضمن تسلسلات ترميز البروتين التي تؤدي إلى أمراض بشرية. ^{[ 12 ]} غالبًا ما تُعزى الأمراض الناتجة عن الطفرات غير المنطقية إلى انخفاض كمية البروتين كامل الطول، لأن 5-25% فقط من النسخ التي تحمل طفرات غير منطقية لا تخضع لتحلل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) بوساطة الطفرات غير المنطقية (NMD). ^{[ 13 ] [ 12 ]} قد يؤدي ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول المتبقي الحامل للطفرات غير المنطقية إلى إنتاج متغيرات بروتينية مختصرة ذات تأثيرات سامة. ^{[ 14 ]}

ثلاثة وعشرون استبدالًا مختلفًا للنيوكليوتيدات أحادية النقطة قادرة على تحويل كودون غير متوقف إلى كودون متوقف، مع الطفرات CGA${\displaystyle \longrightarrow }$إدارة السلع العلاجية (TGA) وجمعية المحاسبين القانونيين المعتمدين (CAG)${\displaystyle \longrightarrow }$يُعدّ كودون TAG أكثر الطفرات المرتبطة بالأمراض شيوعًا والموصوفة في قاعدة بيانات طفرات الجينات البشرية (HGMD). ^{[ 12 ]} نتيجةً لاختلاف ترددات الاستبدال لكل نيوكليوتيد، تختلف نسب كودونات التوقف الثلاثة الناتجة عن طفرات الهراء المسببة للأمراض عن توزيع كودونات التوقف في متغيرات الجينات غير المصابة بالأمراض. ^{[ 12 ]} والجدير بالذكر أن كودون TAG يُمثّل بكثرة، بينما يُمثّل كودونا TGA وTAA بنقص في طفرات الهراء المرتبطة بالأمراض. ^{[ 12 ]}

تتأثر كفاءة إنهاء الترجمة بتسلسل كودون التوقف المحدد على الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، حيث يُحقق تسلسل UAA أعلى معدل إنهاء. ^{[ 15 ]} كما تؤثر التسلسلات المحيطة بكودون التوقف على كفاءة الإنهاء. ^{[ 15 ]} وبالتالي، فإن الآلية المرضية الكامنة وراء الأمراض الناجمة عن الطفرات غير المنطقية تعتمد في نهاية المطاف على هوية الجين المُطفر وموقع الطفرة تحديدًا.

تشمل أمثلة الأمراض الناجمة عن الطفرات غير المنطقية ما يلي:

• التليف الكيسي (الناجم عن طفرة G542X في منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي (CFTR))
• الثلاسيميا بيتا (β-غلوبين)
• متلازمة هيرلر
• متلازمة درافيت
• متلازمة أشر

قد تؤدي الطفرات غير المنطقية في جينات أخرى أيضًا إلى خلل في وظائف العديد من الأنسجة أو أجهزة الجسم:

SMAD8

يُعد SMAD8 النظير الثامن لعائلة جينات الإندوجلين، ويشارك في الإشارات بين TGF-β/BMP . وقد تبين أن الطفرات غير المنطقية الجديدة في SMAD8 مرتبطة بارتفاع ضغط الدم الشرياني الرئوي. ^{[ 16 ]} يعتمد الجهاز التنفسي على SMAD1 وSMAD5 وSMAD8 لتنظيم وظائف الأوعية الدموية الرئوية. وقد ساهم انخفاض مستوى SMAD8 وفقدان الإشارات التي يُشغلها عادةً في نشأة ارتفاع ضغط الدم الشرياني الرئوي. ^{[ 16 ]} وُجد أن جين ALK1، وهو جزء من عائلة إشارات TGF-β، قد تعرض لطفرة، كما أنه أدى إلى انخفاض مستوى جين SMAD8 لدى مرضى ارتفاع ضغط الدم الشرياني الرئوي. [ 16 ^{] لم يتم} فسفرة طفرات SMAD8 بواسطة ALK1، مما أدى إلى تعطيل التفاعلات مع SMAD4 التي تسمح عادةً بالإشارات في الكائنات الحية الطبيعية . ^{[ 16 ]}

تحاول العلاجات للأمراض الناجمة عن الطفرات غير المنطقية استعادة وظيفة النوع البري عن طريق تقليل فعالية NMD، أو تسهيل قراءة كودون التوقف المبكر أثناء الترجمة، أو تعديل الطفرة الجينية غير المنطقية. ^{[ 18 ]}

يجري استكشاف استخدام قليل النوكليوتيدات المضادة للترميز لكبح التعبير عن بروتينات تحلل الحمض النووي الريبوزي الوسيط (NMD) وإنهاء الترجمة في نماذج حيوانية لأمراض ناتجة عن طفرات غير منطقية. ^{[ 18 ] [ 19 ]} تشمل العلاجات الأخرى القائمة على الحمض النووي الريبوزي قيد الدراسة جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) الكابتة الاصطناعية التي تُمكّن الريبوسومات من إدخال حمض أميني، بدلاً من بدء إنهاء السلسلة، عند مواجهة كودونات توقف مبكرة. ^{[ 18 ]}

استُخدمت تقنية استبدال النوكليوتيدات المفردة القائمة على CRISPR-Cas9 لتوليد كودونات الأحماض الأمينية من كودونات التوقف، وحققت معدل نجاح في التحرير بنسبة 10% في مزارع الخلايا. ^{[ 20 ]}

تم تحقيق تجاوز كودونات التوقف باستخدام أدوية جزيئية صغيرة مثل الأمينوغليكوزيدات والنيغاميسين. ^{[ 18 ]} يُسهّل الأوكساديازول ، أتالورين (المعروف سابقًا باسم PTC124)، تجاوز كودونات التوقف الشاذة بشكل انتقائي، مما يجعله علاجًا محتملاً للأمراض الناجمة عن طفرات التوقف غير المنطقية. ^{[ 21 ]} يُعد أتالورين، الذي يُباع تحت الاسم التجاري ترانسلارنا، علاجًا معتمدًا حاليًا لضمور دوشين العضلي في المنطقة الاقتصادية الأوروبية والبرازيل . ^{[ 22 ] [ 23 ] ومع ذلك ،} فشلت تجارب المرحلة الثالثة لأتالورين كعلاج للتليف الكيسي في تحقيق أهدافها الرئيسية. ^{[ 24 ] [ 25} ]

• منظمة "إميلي إنتوريدج" ، وهي منظمة غير ربحية تُعنى بمرض التليف الكيسي وتُجري أبحاثاً حول الطفرات غير المنطقية.
• طفرة خاطئة
• مُثبِّط الهراء
• المتغيرات المسببة لقص البروتين

• مؤسسة الطفرات غير المنطقية ، تدعم مرضى الطفرات غير المنطقية في جميع الجينات