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フレームシフト変異（フレーミングエラーまたはリーディングフレームシフトとも呼ばれる）は、DNA配列中のヌクレオチドの挿入または欠失（インデル）が3で割り切れない数だけ起こることによって引き起こされる遺伝子変異です。コドンによる遺伝子発現は3つのヌクレオチドからなるため、挿入または欠失によってリーディングフレーム（コドンのグループ）が変化し、元のものとは全く異なる翻訳が生じます。配列の早い段階で欠失または挿入が起こるほど、タンパク質の変化は大きくなります。[ 1 ]フレームシフト変異は、ヌクレオチドが挿入または欠失ではなく置換される一塩基多型とは異なります。フレームシフト変異は一般的に、変異後のコドンの読み取りによって異なるアミノ酸がコードされるようになります。また、フレームシフト変異は、配列中で最初に出現する終止コドン（「UAA」、「UGA」または「UAG」）も変化させます。生成されるポリペプチドは異常に短いか異常に長い可能性があり、ほとんどの場合機能しません。[ 2 ]
フレームシフト変異は、テイ・サックス病などの重篤な遺伝性疾患で顕著に見られます。特定の癌や家族性高コレステロール血症に対する感受性を高めます。1997年には、フレームシフト変異がHIVレトロウイルス感染に対する抵抗性に関連していることが示されました。[ 3 ]フレームシフト変異は、ナイロン酵素の生成とされるものと同様に、生物学的新規性の源として提案されてきましたが、この解釈は議論の的となっています。Negoroら（2006）[ 4 ]による研究では、フレームシフト変異が原因である可能性は低く、むしろ祖先エステラーゼの活性部位における2つのアミノ酸置換がナイロン酵素をもたらしたことが分かりました。
DNAに含まれる情報は、あらゆる生物の細胞におけるタンパク質の機能を決定します。転写と翻訳によって、この情報が伝達され、タンパク質が作られます。しかし、この伝達の読み取りに誤りがあると、細胞がさまざまな修正措置を講じたとしても、タンパク質の機能が不正確になり、最終的には病気を引き起こす可能性があります。遺伝情報は、細胞内でタンパク質合成のためにDNAによって伝達されます。誤った解釈は、細胞の修正メカニズムにもかかわらず、機能不全や病気につながる可能性があります。
1956年、フランシス・クリックは、DNAから特定のアミノ酸配列へと遺伝情報が流れ、タンパク質が作られるという流れをセントラルドグマとして記述した。[ 1 ]細胞が適切に機能するためには、構造的および触媒的活性のためにタンパク質が正確に生成される必要がある。誤って作られたタンパク質は細胞の生存に悪影響を及ぼし、ほとんどの場合、異常な細胞機能によって高等生物を不健康にする。ゲノムが情報を確実に伝達するために、エキソヌクレアーゼやミスマッチ修復システムなどの校正機構がDNA複製に組み込まれている。[ 1 ]
DNA複製後、選択された遺伝情報の一部が転写によって読み取られます。[ 1 ]遺伝情報を含むヌクレオチドは、 mRNA と呼ばれる一本鎖メッセンジャーテンプレート上にあります。mRNAはリボソームのサブユニットに組み込まれ、rRNAと相互作用します。mRNAのコドンに含まれる遺伝情報は、tRNAのアンチコドンによって読み取られます（解読されます）。各コドン（トリプレット）が読み取られるにつれて、終止コドン（UAG、UGA、またはUAA）に到達するまでアミノ酸が結合されます。この時点でポリペプチド（タンパク質）が合成され、放出されます。[ 1 ]タンパク質に組み込まれる1000個のアミノ酸のうち、誤っているのは1個以下です。このコドン認識の忠実性は、適切なリーディングフレームの重要性を維持し、リボソームA部位での適切な塩基対形成、EF-TuのGTP加水分解活性（一種の運動学的安定性）、およびEF-Tuが放出される際の校正機構によって達成される。[ 1 ]
フレームシフトは前期翻訳中にも起こり、gag-pol-envレトロウイルス蛋白質のように重複するオープンリーディングフレームから異なる蛋白質が生成されることがある。これはウイルスではかなり一般的であり、細菌や酵母でも起こる（Farabaugh、1996）。逆転写酵素は、 RNAポリメラーゼIIとは対照的に、フレームシフト変異の発生のより強い原因であると考えられている。実験では、すべてのフレームシフト変異のうち、RNAポリメラーゼIIが原因で発生したのはわずか3～13%であった。原核生物では、フレームシフト変異を引き起こすエラー率は、0.0001～0.00001の範囲にすぎない。[ 5 ]
フレームシフト変異を防ぐのに役立つ生物学的プロセスがいくつかあります。逆変異が発生すると、変異した配列が元の野生型配列に戻ります。変異を修正するもう1つの方法は、サプレッサー変異を使用することです。これは、二次変異を作成して配列をシフトし、正しいアミノ酸が読み取れるようにすることで、元の変異の影響を相殺します。ガイドRNAを使用して、転写後にmRNAにウリジンを挿入または削除することもできます。これにより、正しい読み取りフレームが可能になります。[ 1 ]
コドンは、特定のアミノ酸をコードする3つのヌクレオチドのセット、トリプレットです。最初のコドンは読み取り枠を確立し、それによって新しいコドンが始まります。タンパク質のアミノ酸骨格配列は、連続するトリプレットによって定義されます。[ 6 ]コドンは、タンパク質合成のための遺伝情報の翻訳に不可欠です。読み取り枠は、mRNAの翻訳が開始されると設定され、1つのトリプレットから次のトリプレットへと読み取られる間維持されます。遺伝暗号の読み取りは、mRNAのモニターコドンに関する3つの規則に従います。まず、コドンは5'から3'の方向に読み取られます。次に、コドンは重複せず、メッセージにギャップはありません。最後の規則は、前述のように、メッセージが固定された読み取り枠で翻訳されるということです。[ 1 ]
フレームシフト変異はランダムに発生することもあれば、外部刺激によって引き起こされることもあります。フレームシフト変異の検出は、いくつかの異なる方法で行うことができます。フレームシフトは、不完全または誤ったタンパク質につながる可能性のある変異の一種にすぎませんが、DNAのエラーのかなりの割合を占めています。変化していない遺伝子では、コドン（ヌクレオチドの3つ組）が順番に解釈され、各コドンは特定のアミノ酸をコードします。これは標準リーディングフレームとして知られています。しかし、フレームシフト変異の場合、余分なヌクレオチド（またはそれ以上）がDNA配列に挿入され、通常のリーディングフレームが破壊され、配列のずれが生じます。
この挿入は、遺伝暗号のトリプレット構造により、読み枠のずれを引き起こします。例えば、余分な「A」が加わると配列がずれ、全く異なるコドンセットの読み取りが引き起こされます。この遺伝情報のずれにより、タンパク質合成のためにmRNAを読み取るリボソームが遺伝データを誤って解釈します。その結果、全く異なるアミノ酸配列が生成され、タンパク質配列が変化します。多くの場合、新しい読み枠では終止コドンに早期に遭遇し、短縮された、通常は不活性なタンパク質が形成されます。このタイプの突然変異は、早期終止コドン変異またはナンセンス変異と呼ばれます。
これはヌクレオチド塩基レベルでの遺伝子変異です。フレームシフト変異がなぜ、どのように発生するのかは、継続的に研究されています。環境研究、特に3'→5'エキソヌクレアーゼ活性を欠損したDNAポリメラーゼによるUV誘発フレームシフト変異の生成が行われました。通常の配列5' GTC GTT TTA CAA 3'をGTC GTT T TTA CAA (MIDT)またはGTC GTT C TTA CAA (MIDC)に変更してフレームシフトを研究しました。3 '→5'エキソヌクレアーゼ活性を欠損したE. coli pol I KfおよびT7 DNAポリメラーゼ変異酵素は、エキソヌクレアーゼ活性を有するものよりも高い頻度でUV誘発復帰変異体を生成します。データは、校正活性の喪失がUV誘発フレームシフトの頻度を増加させることを示しています。[ 7 ]
蛍光を用いて、フレームシフト変異の頻度を検出するために、隣接する塩基と二次構造の影響が詳細に調査されてきた。塩基アナログによる蛍光標識DNAを用いることで、DNA配列の局所的な変化を研究することができる。[ 8 ]プライマー鎖の長さの影響に関する研究では、鋳型塩基がバルジとしてループアウトした場合、すなわち両側が二本鎖DNAに挟まれた構造の場合、4つのハイブリダイゼーションコンフォメーションの平衡混合物が観察された。対照的に、押し出された塩基がプライマー-鋳型接合部に位置する場合、下流端に異常な非スタッキングDNAコンフォメーションを持つ二重ループ構造が観察され、ミスアライメントが隣接するDNA二次構造によって修正される可能性があることが示された。[ 9 ]
サンガーシーケンス法とパイロシーケンス法は、フレームシフト変異を検出するために使用されてきた2つの方法ですが、生成されるデータは最高品質ではない可能性があります。それでも、サンガーシーケンス法によって、他のデータベースと重複しない196万個の挿入・欠失が特定されています。フレームシフト変異が観察されると、その変異が有害な影響を及ぼすかどうかを判断するために、ヒトゲノム変異データベース（HGMD）と比較されます。これは、4つの特徴を調べることによって行われます。1つ目は、影響を受けたDNAと保存されたDNAの比率、2つ目は転写産物に対する変異の位置、3つ目は保存されたアミノ酸と影響を受けたアミノ酸の比率、そして最後に、挿入・欠失からエクソンの末端までの距離です。[ 10 ]
大規模並列シーケンスは、変異を検出するために使用できる新しい方法です。この方法を使用すると、サンガーシーケンスの約 1 キロベースという限られた範囲とは異なり、一度に最大 17 ギガベースをシーケンスできます。このテストを実行するためにいくつかの技術が利用可能であり、臨床アプリケーションでの使用が検討されています。[ 11 ]さまざまな癌をテストする場合、現在の方法では一度に 1 つの遺伝子しか調べることができません。大規模並列シーケンスは、いくつかの特定のテストではなく、一度にさまざまな癌を引き起こす変異をテストできます。[ 12 ]この新しいシーケンス方法の精度を決定する実験では、21 個の遺伝子をテストし、フレームシフト変異の偽陽性コールはありませんでした。[ 13 ]
Leeuwenによる1999年の米国特許（5,958,684）は、フレームシフト変異を引き起こす体細胞変異を有する遺伝子によって引き起こされる、またはそれに関連する疾患の診断方法および試薬を詳述している。この方法には、組織または体液サンプルを提供し、フレームシフト変異またはこの種の変異由来のタンパク質について遺伝子解析を行うことが含まれる。疑われる遺伝子のヌクレオチド配列は、公開されている遺伝子配列または疑われる遺伝子のクローニングおよび配列決定から提供される。次に、遺伝子によってコードされるアミノ酸配列が予測される。[ 14 ] NA 配列決定：サンガー配列決定または次世代配列決定（NGS）を使用して、DNAを直接配列決定し、挿入または欠失を特定することができる。ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）：PCRを使用して、変異を含む特定の領域を増幅し、その後の解析に用いることができる。マルチプレックスライゲーション依存性プローブ増幅（MLPA）：MLPAは、コピー数変異および小さな挿入または欠失を検出するために使用される技術である。比較ゲノムハイブリダイゼーション（CGH）：CGHは、大きな挿入や欠失を含む染色体異常を検出するために使用されます。
遺伝暗号を規定する規則や、DNA複製中および翻訳中に遺伝情報が正しく伝達されるように細胞内に存在するさまざまなメカニズムにもかかわらず、突然変異は発生します。フレームシフト突然変異は唯一のタイプではありません。少なくとも他に2種類の既知の点突然変異があり、具体的にはミスセンス突然変異とナンセンス突然変異です。[ 1 ]フレームシフト突然変異は、メッセージのコーディング能力（遺伝情報）を劇的に変化させる可能性があります。[ 1 ]小さな挿入または欠失（20塩基対未満）は、現在認識されている遺伝性疾患で発現する突然変異の24%を占めています。[ 10 ]
フレームシフト変異は、DNAの反復領域でより多く発生することがわかっています。その理由は、反復領域でポリメラーゼ酵素が滑り、変異が配列に入り込むためです。[ 15 ] あらかじめ設定された数のヌクレオチドを追加または削除することで、フレームシフト変異の頻度を決定する実験を行うことができます。+4実験と呼ばれる4塩基対を追加する実験が行われてきましたが、エモリー大学のチームは、塩基対の追加と削除の両方によって変異の頻度の違いを調べました。塩基対の追加と削除の頻度に違いがないことが示されました。ただし、タンパク質の結果には違いがあります。[ 15 ]
ハンチントン病は、脊髄小脳失調症（SCA）1、2、6、7、3、脊髄延髄性筋萎縮症、歯状核赤核淡蒼球ルイ体萎縮症を含む、ポリグルタミン伸長変異によって引き起こされる9つのコドン反復疾患の1つです。ポリグルタミンとポリアラニン伸長変異によって引き起こされる疾患の間には、CAG/ポリグルタミンをコードする元のSCA3遺伝子産物がGCA/ポリアラニンにフレームシフトすることによる関連性がある可能性があります。SCA3タンパク質の翻訳中のリボソームスリップが、ポリグルタミンをコードするフレームからポリアラニンをコードするフレームへのシフトを引き起こすメカニズムとして提案されています。ハンチンチンエクソン1のポリグルタミン領域内のジヌクレオチド欠失または単一ヌクレオチド挿入は、CAGポリグルタミンコーディングフレームを+1（+1フレームシフト）だけGCAポリアラニンコーディングフレームにシフトさせ、Httエクソン1のC末端に新しいエピトープ（APAAAPAATRPGCG）を導入する。[ 16 ]
いくつかの疾患は、少なくとも原因の一部としてフレームシフト変異を伴う。一般的な変異を知ることは、疾患の診断にも役立つ。現在、アミノ酸の読み枠を変化させることで、フレームシフト変異を疾患治療に有効活用しようとする試みがなされている。
フレームシフト変異は、大腸がんだけでなく、マイクロサテライト不安定性を伴う他のがんの原因因子であることが知られています。前述のように、フレームシフト変異は反復配列領域で発生しやすいです。DNAミスマッチ修復が塩基の追加または欠失を修復しない場合、これらの変異は病原性を持つ可能性が高くなります。これは、腫瘍が成長を止めるように指示されないことが一因である可能性があります。酵母と細菌での実験は、欠陥のあるDNAミスマッチ修復に寄与する可能性のあるマイクロサテライトの特性を示すのに役立ちます。これには、マイクロサテライトの長さ、遺伝物質の構成、および反復の純度が含まれます。実験結果に基づくと、長いマイクロサテライトはフレームシフト変異率が高いです。隣接DNAもフレームシフト変異に寄与する可能性があります。[ 17 ]前立腺がんでは、フレームシフト変異がオープンリーディングフレーム（ORF）を変化させ、アポトーシスの発生を妨げます。これにより、腫瘍の制御されない成長が起こります。前立腺がんの進行には環境要因も関与しているが、遺伝的要因も存在する。コーディング領域の変異を検査したところ、116個の遺伝子変異が発見され、そのうち61個はフレームシフト変異であった。[ 18 ] BRCA1遺伝子には、乳がんや卵巣がんの発症に関与していると思われる500個以上の変異が17番染色体上に存在し、その多くはフレームシフト変異である。[ 19 ]
クローン病はNOD2遺伝子と関連がある。この変異は3020番目の位置にシトシンが挿入されるものである。これにより早期終止コドンが生じ、転写されるはずのタンパク質が短くなる。タンパク質が正常に形成されると細菌性リポ多糖に反応するが、3020insC変異があるとタンパク質の反応が阻害される。[ 20 ]
嚢胞性線維症（CF）は、嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス調節因子遺伝子の変異に基づく疾患です。1500を超える変異が特定されていますが、すべてが疾患を引き起こすわけではありません。[ 21 ]嚢胞性線維症のほとんどの症例は、アミノ酸全体を欠失させるΔF508変異の結果です。CFの診断において注目すべき2つのフレームシフト変異は、CF1213delTとCF1154-insTCです。これらの変異はどちらも、少なくとも1つの他の変異と同時に発生することがよくあります。どちらも肺機能のわずかな低下につながり、検査を受けた患者の約1%に発生します。これらの変異はサンガーシーケンスによって特定されました。[ 22 ]
CCR5はHIVに関連する細胞侵入共因子の一つであり、非合胞体形成株に最も頻繁に関与し、AIDS患者よりもHIV患者でより顕著に現れる。CCR5の32塩基対欠失は、HIV感染の可能性を否定する変異として同定されている。オープンリーディングフレームORFのこの領域には、早期終止コドンにつながるフレームシフト変異が含まれている。これにより、in vitroでHIV共受容体機能が失われる。CCR5-1は野生型、CCR5-2は変異アレルと考えられている。CCR5のヘテロ接合変異を持つ人はHIVの発症に対する感受性が低い。ある研究では、HIVウイルスに高濃度で曝露されたにもかかわらず、CCR5変異のホモ接合体でHIV陽性となった人はいなかった。[ 3 ]
テイ・サックス病は中枢神経系に影響を与える致死性の疾患です。乳幼児に最も多く見られます。疾患の進行は胎内で始まりますが、症状は生後約6ヶ月になるまで現れません。この疾患の治療法はありません。[ 23 ] β-ヘキソサミニダーゼA（HEXA）遺伝子の変異はテイ・サックス病の発症に影響を与えることが知られており、78種類の異なる変異が報告されていますが、そのうち67種類が疾患の原因となることが知られています。観察された変異のほとんど（65/78）は一塩基置換またはSNPであり、11個の欠失（1個は大きく、10個は小さい）、および2個の挿入です。観察された変異のうち8個はフレームシフト、6個は欠失、2個は挿入です。エクソン11の4塩基対の挿入は、アシュケナージ系ユダヤ人集団におけるテイ・サックス病の80%で観察されています。フレームシフト変異は早期終止コドンを引き起こし、これは乳児の疾患に関与することが知られている。発症遅延型疾患は4つの異なる変異によって引き起こされるようで、そのうちの1つは3塩基対の欠失である。[ 24 ]
スミス・マゲニス症候群（SMS）は、知的障害、睡眠障害、行動障害、およびさまざまな頭蓋顔面、骨格、および内臓の異常を伴う複雑な症候群です。SMS症例の大部分は、レチノイン酸誘導-1（ RAI1）遺伝子を含む約3.5 Mbの共通欠失を有しています。その他の症例では、難聴、自傷行為、および軽度の全般的発達遅延など、RAI1変異ではこれまで示されていなかったSMS表現型の多様性が示されています。RAI1のシーケンス解析により、エクソン3の7塩基Cトラクト（CCCCCCC）の変異が明らかになり、フレームシフト変異が生じています。RAI1のポリCトラクトで報告されている7つのフレームシフト変異のうち、4例（約57%）はこの7塩基Cトラクトで発生しています。この結果は、この七量体Cトラクトが優先的な組換えホットスポット挿入/欠失（SNindels）であり、したがってRAI1の変異が疑われる患者の解析の主要な標的であることを示している。[ 25 ]
肥大型心筋症は、トレーニングを受けたアスリートを含む若年者の突然死の最も一般的な原因であり、心筋サルコメアのタンパク質をコードする遺伝子の変異によって引き起こされます。トロポニンC遺伝子（ TNNC1）の変異は、肥大型心筋症のまれな遺伝的原因です。最近の研究では、トロポニンCのフレームシフト変異（c.363dupGまたはp.Gln122AlafsX30）が19歳の男性の肥大型心筋症（および突然心臓死）の原因であったことが示されています。[ 26 ]
フレームシフト変異によって引き起こされる疾患の治療法を見つけることは稀です。この分野の研究は現在も進行中です。一例として、原発性免疫不全症（PID）があります。これは遺伝性の疾患で、感染症の増加につながる可能性があります。原発性免疫不全症には120個の遺伝子と150個の変異が関与しています。現在の標準治療は遺伝子治療ですが、これは非常にリスクの高い治療法であり、白血病などの他の疾患を引き起こすことも少なくありません。遺伝子治療の手順には、亜鉛フリンガーヌクレアーゼ融合タンパク質を改変し、変異の両端を切断して配列から除去することが含まれます。デュシェンヌ型筋ジストロフィーでは、アンチセンスオリゴヌクレオチドを介したエクソンスキッピングも可能性の一つです。このプロセスでは、変異をスキップすることで、配列の残りの部分がフレーム内に留まり、タンパク質の機能が損なわれないようにします。しかし、これは疾患を治癒するものではなく、症状を緩和するだけであり、構造タンパク質やその他の反復遺伝子にのみ適用可能です。 3 つ目の修復方法は復帰モザイク現象で、これは逆突然変異または読み取り枠を修正する第 2 部位での突然変異によって自然に発生します。この復帰は、遺伝子内組換え、有糸分裂遺伝子変換、第 2 部位 DNA スリップ、または部位特異的復帰によって起こる可能性があります。これは、 X 連鎖重症複合免疫不全症(SCID)、ウィスコット・アルドリッチ症候群、ブルーム症候群などのいくつかの疾患で起こり得ます。PID に役立つ薬やその他の薬理ゲノム的方法はありません。[ 27 ]
2003年にBorkによって取得された欧州特許（EP1369126A1）には、がんの予防およびDNAミスマッチ修復欠損（MMR）散発性腫瘍やHNPCC関連腫瘍などのがんや前がんの治療に使用される方法が記録されている。そのアイデアは、腫瘍特異的なフレームシフト変異由来ペプチドの組み合わせ混合物を用いた免疫療法を使用して、腫瘍細胞に特異的に向けられた細胞傷害性T細胞応答を誘発することである。[ 28 ]
