الاستبدال المرادف

الاستبدال المترادف ( يُسمى غالبًا بالاستبدال الصامت ، مع أنه ليس صامتًا دائمًا) هو استبدال تطوري لقاعدة بأخرى في إكسون من جين يُشفّر بروتينًا ، بحيث لا يتغير تسلسل الأحماض الأمينية الناتج . هذا ممكن لأن الشفرة الوراثية " متعددة "، أي أن بعض الأحماض الأمينية يُشفّرها أكثر من كودون واحد مكون من ثلاثة أزواج من القواعد ؛ ولأن بعض الكودونات لحمض أميني معين تختلف بزوج واحد فقط من القواعد عن غيرها التي تُشفّر نفس الحمض الأميني، فإن الطفرة التي تستبدل القاعدة "الطبيعية" بأحد البدائل ستؤدي إلى دمج نفس الحمض الأميني في سلسلة الببتيد المتنامية عند ترجمة الجين. غالبًا ما تُعتبر الاستبدالات المترادفة والطفرات التي تؤثر على الحمض النووي غير المشفر طفرات صامتة ؛ ومع ذلك، ليس بالضرورة أن تكون الطفرة صامتة دائمًا. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

بما أن هناك 22 رمزًا لـ 64 كودونًا، فمن المتوقع تقريبًا أن يكون الاستبدال العشوائي مرادفًا باحتمالية 22/64 = 34%. القيمة الفعلية حوالي 20%. ^{[ 6 ]}

يمكن أن تؤثر الطفرة المترادفة على النسخ ، والتضفير ، ونقل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ، والترجمة ، وأي منها قد يُغير النمط الظاهري الناتج ، مما يجعل الطفرة المترادفة غير صامتة. ^{[ 3 ]} يمكن أن تؤثر خصوصية الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) تجاه الكودون النادر على توقيت الترجمة، وبالتالي على طي البروتين أثناء الترجمة . ^{[ 1 ]} ينعكس هذا في انحياز استخدام الكودونات الذي يُلاحظ في العديد من الأنواع . ينتج عن الاستبدال غير المترادف تغيير في الحمض الأميني، والذي يمكن تصنيفه بشكل تعسفي إلى محافظ (تغيير إلى حمض أميني ذي خصائص فيزيائية وكيميائية مماثلة )، أو شبه محافظ (مثلًا من حمض أميني سالب الشحنة إلى حمض أميني موجب الشحنة )، أو جذري (حمض أميني مختلف تمامًا).

تتضمن عملية ترجمة البروتين مجموعة من عشرين حمضًا أمينيًا . يُشفّر كل حمض أميني من هذه الأحماض بواسطة تسلسل من ثلاثة أزواج من قواعد الحمض النووي يُسمى الكودون . نظرًا لوجود 64 كودونًا ممكنًا، ولكن 20-22 حمضًا أمينيًا فقط مُشفّرًا (في الطبيعة)، بالإضافة إلى إشارة توقف (أي ما يصل إلى ثلاثة كودونات لا تُشفّر أي حمض أميني وتُعرف بكودونات التوقف ، مما يشير إلى ضرورة توقف الترجمة)، فإن بعض الأحماض الأمينية تُشفّر بواسطة 2 أو 3 أو 4 أو 6 كودونات مختلفة. على سبيل المثال، يُشفّر الكودونان TTT وTTC الحمض الأميني فينيل ألانين . يُشار إلى هذا غالبًا باسم تكرار الشفرة الوراثية . هناك آليتان للتكرار: إما أن العديد من جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) المختلفة يمكنها نقل نفس الحمض الأميني، أو أن جزيء tRNA واحد قد يحتوي على قاعدة متذبذبة غير قياسية في الموضع الثالث من مضاد الكودون، والتي تتعرف على أكثر من قاعدة واحدة في الكودون.

في مثال الفينيل ألانين المذكور أعلاه، لنفترض أن القاعدة في الموضع 3 من كودون TTT استُبدلت بـ C، ليصبح الكودون TTC. سيظل الحمض الأميني في ذلك الموضع في البروتين فينيل ألانين. لذا، يُعدّ الاستبدال استبدالًا مرادفًا.

عندما تحدث طفرة مرادفة أو صامتة ، يُفترض غالبًا أن التغيير محايد ، مما يعني أنه لا يؤثر على قدرة الفرد الحامل للجين الجديد على البقاء والتكاثر.

قد لا تكون التغييرات المترادفة محايدة، لأن بعض الكودونات تُترجم بكفاءة أعلى (أسرع و/أو بدقة أكبر) من غيرها. على سبيل المثال، عند إدخال عدد قليل من التغييرات المترادفة في جين نازعة هيدروجين الكحول في ذبابة الفاكهة، مما أدى إلى تغيير العديد من الكودونات إلى مرادفات دون المستوى الأمثل، انخفض إنتاج الإنزيم المُشفّر ^{[ 7 ]} ، وأظهرت الذبابات البالغة تحملاً أقل للإيثانول ^{[ 8 ]} . تُظهر العديد من الكائنات الحية، من البكتيريا إلى الحيوانات، استخدامًا متحيزًا لبعض الكودونات المترادفة. قد ينشأ هذا التحيز في استخدام الكودونات لأسباب مختلفة، بعضها انتقائي وبعضها محايد. في خميرة Saccharomyces cerevisiae، ثبت أن استخدام الكودونات المترادفة يؤثر على استقرار طي الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ، حيث يُفضل الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي يُشفّر بنية ثانوية مختلفة للبروتين كودونات مختلفة ^{[ 9 ] .}

من الأسباب الأخرى لعدم حيادية التغيرات المترادفة دائمًا، أن تسلسلات الإكسونات القريبة من حدود الإكسون-الإنترون تعمل كإشارات ربط الحمض النووي الريبوزي (RNA) . فعندما تُفقد إشارة الربط نتيجة طفرة مترادفة، لا يظهر الإكسون في البروتين النهائي، مما ينتج عنه بروتين مبتور. وقد وجدت إحدى الدراسات أن حوالي ربع التغيرات المترادفة التي تؤثر على الإكسون 12 من جين منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي تؤدي إلى حذف هذا الإكسون. ^{[ 10 ]}

• نسبة Ka/Ks
• طفرة خاطئة
• الاستبدال غير المترادف
• طفرة نقطية
• الشفرة الوراثية الموسعة ، حيث يتم استخدام أكثر من 20-22 حمضًا أمينيًا مشفرًا طبيعيًا