サイレント突然変異

サイレント変異は、同義変異または同センス変異とも呼ばれ、生物の表現型に目に見える影響を及ぼさないDNAの変異である。サイレント変異という用語は、同義変異という用語と同じ意味で使われることが多いが、同義変異は常にサイレントであるとは限らず、逆もまた同様である。^{[1] [2] [3] [4] [5]同義変異は}転写、スプライシング、mRNA輸送、翻訳に影響を及ぼす可能性があり、そのいずれかが表現型を変化させ、同義変異を非サイレントにすることができる。^[3] tRNAの希少コドンに対する基質特異性は、翻訳のタイミングに影響を及ぼす可能性があり、ひいてはタンパク質の共翻訳フォールディングに影響を及ぼす可能性がある。^{[1]これは、多くの種で観察される}コドン使用バイアスに反映されている。変化したコドンによって同様の機能を持つアミノ酸が生成される突然変異（例えばイソロイシンの代わりにロイシンを生成する突然変異）は、サイレント突然変異として分類されることが多い。アミノ酸の特性が保存されている場合、この突然変異は通常、タンパク質の機能に大きな影響を与えない。^[6]

遺伝暗号は、mRNAのヌクレオチド配列をアミノ酸配列に変換します。遺伝情報は、mRNAに沿った3つのヌクレオチドのグループ（一般にコドンと呼ばれます）を使用してこのプロセスを使用してコード化されます。^[7] 3つのヌクレオチドのセットは、通常停止コドンとして機能するが、哺乳類のミトコンドリアでトリプトファンをコードすることもできるUGAなどのいくつかの例外を除いて、ほぼ常に同じアミノ酸を生成します。^[7]ほとんどのアミノ酸は複数のコドンによって指定されており、遺伝暗号が縮重していることを示しています。つまり、異なるコドンが同じアミノ酸になります。 ^[7]同じアミノ酸をコードするコドンは同義語と呼ばれます。サイレント突然変異は、変更されたメッセンジャーRNA（mRNA）が翻訳されたときにアミノ酸またはアミノ酸の機能に変化をもたらさない塩基置換です。たとえば、コドンAAAがAAGに変化した場合、同じアミノ酸（リジン）がペプチド鎖に組み込まれます。

突然変異は病気や悪影響と結び付けられることが多いが、サイレント突然変異は個体群内の種の間で遺伝的多様性を生み出す上で非常に有益となり得る。生殖系列突然変異は親から子孫に受け継がれる。^{[8] [追加の引用が必要]}科学者は、人間のゲノムには約 5 ～ 10 個の致命的な突然変異があると予測しているが、特定の悪性遺伝子のコピーは通常 1 つしかないため、病気になる可能性は低く、これは本質的に無害である。^{[8]サイレント突然変異は}挿入または欠失によっても生成され、読み取りフレームのシフトを引き起こす。^[9]

サイレント変異はタンパク質の機能を変えないため、進化的に中立であるかのように扱われることが多い。多くの生物はコドン使用の偏りを示すことが知られており、これは翻訳の安定性の必要性のために特定のコドンの使用が選択されていることを示唆している。トランスファーRNA（tRNA）の利用可能性は、サイレント変異が従来考えられていたほどサイレントではない可能性がある理由の1つである。^[10]

各コドンには異なるtRNA分子がある。例えば、コドンUCUに特異的なtRNA分子とコドンUCCに特異的なtRNA分子があり、どちらもアミノ酸セリンをコードしている。この場合、UCC tRNAがUCU tRNAの1000倍少ないと、突然変異によってコドンがUCUからUCCに変化したときに、ポリペプチド鎖へのセリンの組み込みは1000倍遅くなる。リボソームへのアミノ酸の輸送が遅れると、翻訳ははるかに遅い速度で行われる。その結果、突然変異がエクソン内で発生した場合、そのサイレント突然変異を含む特定の遺伝子の発現が低下する可能性がある。さらに、リボソームがアミノ酸を受け取るまでに時間がかかりすぎると、リボソームは翻訳を途中で終了する可能性がある。^[6]

ゲノムレベルまたは転写レベルで発生する非同義変異は、タンパク質産物のアミノ酸配列の変更をもたらす変異です。タンパク質の一次構造とは、そのアミノ酸配列を指します。あるアミノ酸を別のアミノ酸に置き換えると、タンパク質の機能と三次構造が損なわれる可能性がありますが、その影響は、交換に関与するアミノ酸の特性がどの程度密接に相関しているかによって、最小限または許容される可能性があります。^[11]終止コドン の早期挿入、つまりナンセンス変異は、タンパク質の一次構造を変更する可能性があります。^[12] この場合、切断されたタンパク質が生成されます。タンパク質の機能と折り畳みは、終止コドンが挿入された位置と、失われた配列の量と構成に依存します。

逆に、サイレント突然変異はアミノ酸配列が変化しない突然変異である。^{[12]サイレント突然変異は}コドンを表すトリプレットコードの文字の1つを変化させるが、1塩基の変化にもかかわらず、コードされているアミノ酸は変化しないか、生化学的性質が類似したままである。これは遺伝コードの縮重によって可能になる。

歴史的に、サイレント変異はほとんど意味がないと考えられていました。しかし、最近の研究では、トリプレットコードへのそのような変化はタンパク質の翻訳効率やタンパク質の折り畳みと機能に影響を与えることが示唆されています。^{[13] [14]}

さらに、タンパク質の完全に折り畳まれた三次構造は一次構造に依存するため、一次構造の変化は重要です。1960 年代の一連の実験で、還元され変性した RNase が未折り畳み状態で天然の三次構造に再折り畳みできることが発見されました。タンパク質の三次構造は、完全に折り畳まれたポリペプチド鎖であり、すべての疎水性 R 基がタンパク質の内部に折り畳まれ、ベータシートやアルファヘリックスなどの二次構造間の相互作用によるエントロピーを最大化します。タンパク質の構造がその機能を決定するため、タンパク質が適切に機能するように、タンパク質が三次構造に正しく折り畳まれることが重要です。ただし、ポリペプチド鎖は一次構造では大きく異なる可能性がありますが、三次構造とタンパク質機能は非常に類似していることに注意することが重要です。^[15]

サイレント変異はmRNAの二次構造を変化させます。

タンパク質の二次構造は、R基を除くポリペプチド鎖のバックボーンの原子間の相互作用から構成されます。二次構造の一般的なタイプは、αヘリックスです。αヘリックスとは、n番目のアミノ酸残基とn+4番目のアミノ酸残基間の水素結合から生じる右巻きのヘリックスです。二次構造のもう1つの一般的なタイプはβシートです。βシートは右巻きのねじれを示し、結合したポリペプチドの方向に応じて平行または反平行になり、2つのポリペプチド鎖のバックボーンのカルボニル基とアミノ基間の水素結合で構成されます。^[16]

mRNAは、 DNAのように必ずしも直線的ではない二次構造を持っているため、構造中の相補的結合に伴う形状が大きな影響を及ぼす可能性があります。たとえば、mRNA分子が比較的不安定な場合は、細胞質内の酵素によって急速に分解される可能性があります。RNA分子が非常に安定しており、相補的結合が強く、翻訳前に解けるのに抵抗力がある場合、遺伝子は過少発現する可能性があります。コドンの使用はmRNAの安定性に影響します。^[10]

さらに、すべての生物はわずかに異なる遺伝コードを持っているため、mRNAの構造もわずかに異なりますが、適切に折り畳まれたmRNA構造はすべてポリペプチド鎖の一次配列に依存し、その構造は細胞マトリックス内の二ヌクレオチドの相対的存在量によって維持されることが複数の研究で示されています。また、mRNAの二次構造は転写の安定性や翻訳などの細胞プロセスに重要であることも発見されています。一般的な考え方は、mRNAの機能ドメインは互いに折り畳まれ、開始コドン領域と停止コドン領域は一般的に緩やかであるため、翻訳の開始と終了のシグナル伝達に役立つ可能性があるというものです。^[17]

RNA の結び目が原因でリボソームの進行が止まると、 tRNA分子が別のアミノ酸を追加する前に、ポリペプチドが非ネイティブ構造に折り畳まれるのに十分な時間がある可能性があります。サイレント変異はスプライシング、つまり転写制御にも影響を及ぼす可能性があります。

サイレント変異はタンパク質の折り畳みと機能に影響を及ぼします。^[1] 通常、誤って折り畳まれたタンパク質は分子シャペロンの助けを借りて折り畳み直すことができます。RNAは通常、一緒に折り畳まれて異なる立体構造で固まる傾向があり、2つの共通の誤って折り畳まれたタンパク質を生成しますが、他の競合構造のために好ましい特定の三次構造に焦点を合わせることが困難です。RNA結合タンパク質はRNA折り畳みの問題を補助することができますが、mRNA鎖にサイレント変異が発生すると、これらのシャペロンは分子に適切に結合せず、mRNAを正しい折り畳みにリダイレクトすることができません。^[18]

最近の研究では、サイレント変異がその後のタンパク質の構造と活性に影響を及ぼす可能性があることが示唆されています。 ^{[19] [20]}タンパク質の折り畳みのタイミングと速度が変化する可能性があり、それが機能障害につながる可能性があります。^[21]

サイレント変異は実験戦略として採用されており、臨床的な意味を持つ可能性があります。

ストーニーブルック大学のステフェン・ミューラーは、ポリオの生ワクチンを設計した。このワクチンでは、ウイルスのゲノムに自然に存在するコドンを同義コドンに置き換えるようにウイルスを操作した。その結果、ウイルスは感染し、増殖することができたが、速度は低下した。このワクチンを接種したマウスは、天然のポリオ株に対する抵抗力を示した。

分子クローニング実験では、制限酵素の認識部位を作成または削除するために、対象の遺伝子にサイレント変異を導入することが有用な場合があります。

精神障害はサイレント突然変異によって引き起こされることがあります。サイレント突然変異の 1 つにより、ドーパミン受容体 D2遺伝子の安定性が低下し、分解が速くなり、遺伝子の発現が低下します。

細胞から薬剤を排出する細胞膜ポンプをコードする多剤耐性遺伝子 1 ( MDR1 ) のサイレント変異は、特定の場所での翻訳を遅くし、ペプチド鎖が異常な構造に曲がることを可能にします。そのため、変異ポンプは機能が低下します。

平均的な疼痛感受性からの逸脱は、ATGからGTGへの変異（非同義）とCATからCACへの変異（同義）の両方によって引き起こされます。これら2つの変異は、低疼痛感受性遺伝子と高疼痛感受性遺伝子の両方で共有されています。低疼痛感受性には、追加のCTCからCTGへのサイレント変異がありますが、高疼痛感受性にはそれがなく、この位置のCTC配列を平均的な疼痛感受性と共有しています。^[22]

突然変異を起こす遺伝子の約99.8%は、ヌクレオチドの変化が翻訳されるアミノ酸を変えないため、サイレントであると見なされます。^[23]サイレント突然変異は表現型の結果に影響を与えないはずですが、多剤耐性遺伝子1のように、一部の突然変異はそうではないことを証明しています。MDR1は、体内の薬物を排除するのに役立つP糖タンパク質をコードします。腸、肝臓、膵臓、脳にあります。MDR1は、肝臓や腸から毒素や薬物を排除するのに役立つ酵素であるCYP3A4と同じ場所にあります。MDR1のようなサイレント突然変異は、表現型の反応に変化をもたらします。マウスで行われた研究では、十分なMDR1遺伝子がない場合、体はイベルメクチンまたはシクロスポリン薬を認識せず、体内で毒素が生成されることが示されました。^[23]

MRD1 には、ヌクレオチド塩基配列の変化である一塩基多型 (SNP) が 50 以上あります。^{[24] [23]} MDR1 では、3535C を表す遺伝子エクソン 26 が 3535T に変異し、トランスファー RNA が通常見られない形に変化して、翻訳中に結果が変わります。これは、一部のサイレント変異が常にサイレントであるとは限らないことの一例です。^[25]エクソン 26 C3435T、エクソン 21 G2677T/A、およびエクソン 12 C1236T の多剤耐性遺伝子は、同時に発生する SNP を持つことが研究されており、そのため表現型の「機能」が変化することがわかっています。これは、エクソン 26 と多型を持つ他のエクソンの間にハプロタイプ依存性があることを示唆しています。例えば、エファビレンツとネルフィナビルは、人の体内のHIV感染を減らすのに役立つ2種類の薬です。エクソン26のSNPが他のSNPエクソンと結合すると、薬がHIV感染を維持する可能性が低くなります。エクソン26のTTヌクレオチドが発現すると、患者のウイルス濃度は低くなりますが、遺伝子型がCCまたはCTに変化すると、感染は通常どおりに広がり、MDR1遺伝子はほぼ無防備になります。MDR1のエクソン26の塩基のこれらの変化は、MDR1遺伝子の変異と抗レトロウイルス薬のHIV感染抑制能力との相関関係を示しています。^[23]

エクソン 26 は、ハプロタイプ依存性があるかどうかについても研究されています。エクソン 26 の SNP の存在は、エクソン 12 および 21 の変異の存在と対になっている場合、表現型の機能を変化させます。しかし、単独で作用する場合、表現型の結果にそれほど大きな影響はありません。エクソン 26 のハプロタイプ依存性の例は、化学療法で見られます。MDR 1 は細胞から薬剤を除去するため、阻害剤を使用して MRD 1 の薬剤除去能力をブロックし、化学療法や免疫抑制剤などの有益な薬剤が体の回復をより効率的に助けるようにしています。MDR1 には、これらの特定の薬剤をがん細胞から排除するのに役立つさまざまなタンパク質があります。^[26]ベラパミルとシクロス​​ポリンAはMDR1の一般的な阻害剤です。^[23]残念ながら、C3435Tがエクソン12またはエクソン21のいずれかの変異で変異している場合（または3つの変異がすべて同時に発生してハプロタイプを形成している場合）、阻害剤がMDR1の機能を弱める可能性は低くなります。複数のサイレント変異遺伝子は、これらの阻害剤に対してより耐性になる傾向があります。^[26]

分子レベルで見ると、MDR 1 遺伝子のエクソン 26 の C3435T がサイレントでない理由は、アミノ酸がタンパク質に翻訳されるペースによるものです。^[25] mRNA の二次構造は折り畳むことができるため、異なるコドンは mRNA の異なる折り畳みに対応します。たとえば、エクソン 26 が ATC を ATT に変更すると、両方のコドンは同じアミノ酸を生成しますが、ATC は変異コドンよりも頻繁に見られます。その結果、リボソームがタンパク質のコンフォメーションを生成するのにかかる時間が変わります。これにより、通常のタンパク質の形状とは異なるタンパク質構造になり、タンパク質の機能が変わります。^[27]

MDR1の「サイレント変異」の背後にある他の理由は、メッセンジャーRNAで発生します。mRNAでは、コドンはエクソンスプライシングエンハンサーとしても機能します。コドンは、mRNAで読み取っているコドンに基づいて、いつイントロンを切り取るかを決定します。^[24]変異したコドンは、mRNA配列からイントロンをスプライシングする際にミスを犯すリスクが高く、間違ったエクソンが生成されます。したがって、成熟したメッセンジャーRNAに変化が生じます。^[27]多剤耐性遺伝子1の変異は、サイレント変異が表現型の結果にどのように影響するかを示しています。

• コドンの縮重
• 中立突然変異
• 系図DNA検査
• ミスセンス変異
• ナンセンス変異
• 点突然変異
• 同義語置換

ウィキメディア・コモンズには、サイレント突然変異に関連するメディアがあります。

• 概要記事 — Chamary J、Hurst LD (2009年6 月)。「些細な DNA の変化が健康に悪影響を及ぼす」。Scientific American。300 (6): 46–53。doi :10.1038/scientificamerican0609-46。PMID 19485088  。
• 「WatCut: 制限解析、サイレント変異スキャン、SNP-RFLP解析のためのオンラインツール」。ウォータールー大学。2014年4月17日。2020年5月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月22日閲覧。