החלפה נרדפת

החלפה נרדפת (לעיתים קרובות נקראת גם החלפה שקטה למרות שהיא לא תמיד שקטה) היא מוטציה שבה בסיס אחד מתחלף בבסיס אחר, בתוך אקסון של גן שמקודד לחלבון, באופן שלא משנה את רצף חומצת האמינו שמיוצר מהאקסון. הדבר אפשרי מכיוון שכמה חומצות אמינו מקודדות על ידי יותר מקודון אחד המורכב משלושה בסיסים; מאחר שכמה מהקודונים של חומצת אמינו מסוימת נבדלים על ידי בסיס אחד בלבד עבור אותה חומצת אמינו, מוטציה שמחליפה את הבסיס "הנורמלי" בבסיס אלטרנטיבי תגרום להיווצרות אותה חומצת אמינו בשרשרת ההולכת וגדלה של הפוליפפטיד כאשר הגנים מתורגמים. החלפה נרדפת ומוטציות המשפיעות על האזור הלא מקודד בדנ"א בדרך כלל נחשבות למוטציות שקטות (שאינן משפיעות על הפנוטיפ בצורה שניתן להבחין בה); יחד עם זאת, זה לא הכרחי שהמוטציה תהיה שקטה^{[1][2][3][4][5]}. החלפה נרדפת יכולה להשפיע על שעתוק, שחבור, העברה של mRNA ותרגום, כל אחד מאלה יכולים לגרום לשינוי בפנוטיפ, דבר ההופך את המוטציה הנרדפת ללא שקטה^[3]. ייחודיות הסובסטרט של ה-tRNA לקודון הנדיר יכולה להשפיע על תזמון התרגום, ובהמשך על קיפול החלבון^[1]. הדבר בא לידי ביטוי בהטיית שימוש הקודון שנצפתה בזנים רבים. החלפה שאינה נרדפת נובעת משינוי בחומצת אמינו שיכול להיות מסווג בצורה שרירותית כקונסרבטיבי (שינוי לחומצה אמינית עם מאפיינים דומים), או כקונסרבטיבי למחצה (למשל המטען של החומצה האמינית משתנה משלילי לחיובי), או רדיקלי (חומצה אמינית שונה באופן משמעותי).

ניוון של הקוד הגנטי

תרגום חלבון מערב סט של 20 חומצות אמינו. כל אחת מהן מקודדת על ידי רצף של 3 זוגות בסיסים של דנ"א הנקרא קודון. מכיוון שיש 64 קודונים אפשריים אבל רק 20 חומצות אמינו (ובנוסף לכך סיגנל לסיום כלומר שלושת הקודונים שלא מקודדים לאף חומצה אמינית וידועים כקודוני עצירה, המציינים שהתרגום צריך להיעצר), ישנן חומצות אמינו המקודדות על ידי 2,‏ 3,‏ 4 או 6 קודונים שונים. למשל, הקודונים TTT ו-TTC מקודדים לחומצת האמינו פנילאלנין. לעיתים מתייחסים לזה כיתִירוּת של הקוד הגנטי. יש שני מנגנונים ליתִירוּת: מספר מעבירי רנ"א שונים יכולים להעביר את אותה חומצה אמינית, או tRNA אחד שיכול להיות לו קישור בין בסיסים בצורה לא סטנדרטית בעמדה 3 של האנטי קודון (wobble), שמזהה יותר מבסיס אחד בקודון.

תרשים המתאר את הקודונים הגנטיים ואת חומצות האמינו אליהם הם מקודדות. אפשר לראות את העודף של הקוד הגנטי בתרשים

בדוגמה של פנילאלנין המצוינת למעלה, נניח שהבסיס בעמדה 3 של הקודון TTT הוחלף ל-C, כך שהקודון התקבל הוא TTC. חומצת האמינו באותו מיקום בחלבון תישאר פנילאלנין, לכן החלפה זו היא למעשה נרדפת.

החלפות נרדפות ואבולוציה

כאשר מתרחשת החלפה נרדפת או מוטציה שקטה, לרוב יש לשער שהשינוי נייטרלי, כלומר הוא לא משפיע על הכשירות של הפרט לשאת את הגן החדש על מנת לשרוד ולהתרבות.

שינויים נרדפים יכולים להיות לא נייטרליים מכיוון שמספר קודונים מתורגמים יותר ביעילות (בצורה מהירה יותר ו/או בצורה מדויקת יותר) מאחֵרים. למשל, כאשר קומץ של שינויים נרדפים התרחשו בזבוב הפירות בגן לאלכוהול דהידרוגנאז, זה גרם לשינוי במספר קודונים כך שהפכו להיות תת-אופטימליים, ייצור של האנזים המקודד הופחת^[6] והזבובים המבוגרים הפגינו סבילות נמוכה לאתנול^[7]. הרבה אורגניזמים, מחיידקים ועד בעלי חיים, עושים שימוש מוטה של קודונים נרדפים מסוימים. שימוש מוטה כזה יכול לנבוע ממספר סיבות, סלקטיביות או נייטרליות. בשמר האפייה שימוש בקודונים נרדפים הראה השפעה על יציבות קיפול ה-mRNA, כאשר קידוד מבנה משני של חלבונים שונים על ידי רנ"א יעדיף קודונים שונים.

סיבה נוספת לכך ששינויים נרדפים הם לא תמיד נייטרלים היא העובדה שרצפי האקסונים הקרובים לגבולות האקסון-אינטרון מתפקדים כסיגנלים לשחבור של רנ"א. כאשר סיגנל השחבור נהרס על ידי מוטציה נרדפת, האקסון לא מופיע בחלבון הסופי. הדבר גורם להיווצרות חלבון קטוע. ממחקר אחד עלה כי בערך רבע מן השינויים הנרדפים משפיעים על אקסון 12 בגן בקרה של מוליכות טרנסממברנלית של סיסטיק פיברוזיס, וגורמים לכך שהשינויים הנרדפים דילגו על חלבון זה והוא לא נכלל בחלבון הסופי^[8].