Синонимичные мутации чаще всего не нейтральны

Синонимичные мутации в белок-кодирующих генах не изменяют последовательность белка. Считается, что эти мутации нейтральны или практически нейтральны. Предположение о нейтральности синонимичных мутаций широко используется в исследованиях. Однако ученые из США показали, что не все так просто.

Авторы выбрали пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae из-за высокой скорости их роста. Они получили 8 341 штамм дрожжей с синонимичными (n=1 866), несинонимичными (n=6 306) и нонсенс-мутациями (n=169) в 21 выбранном гене. Мутации вносили с помощью системы CRISPR–Cas9. Эти гены вовлечены в разнообразные биологические процессы, такие как метаболизм, ремоделирование хроматина, транскрипция, трансляция и синтез клеточной стенки. Ни один из генов не был жизненно необходимым, однако влиял на приспособленность. Ее в этом исследовании определяли как скорость воспроизведения мутантного штамма, поделенную на скорость воспроизведения штамма дикого типа.

Средняя приспособленность нонсенс-мутаций составляла 0,940, несинонимичных мутаций — 0,988, а синонимичных мутаций — 0,989, что ближе к несинонимичным мутациям, чем к единице, которая была бы у нейтральных мутаций. Среди синонимичных мутаций 75,9% были вредными, а 1,3% — полезными. Среди несинонимичных мутаций эти значения составляли 75,8% и 1,6% соответственно.

Неожиданно, приспособленность мутантных штаммов не зависела от базового уровня экспрессии генов, в которые вносили изменения. Однако сами мутации влияли на экспрессию генов. Авторы измерили относительный уровень экспрессии (REL): 1 означает, что экспрессия не изменилась, 0 эквивалентен делеции. REL, равный 1, был характерен для 53,8% синонимичных и 55,0% несинонимичных мутаций. Для нонсенс-мутаций среднее значение REL равнялось 0,301. Анализ позволил предположить, что изменение в приспособленности зависело как раз от снижения или повышения уровня экспрессии генов (уровня мРНК). Причем снижение экспрессии влияло сильнее, чем повышение.

Несмотря на схожесть эффектов, синонимичные мутации чаще закрепляются в популяции, чем несинонимичные. Авторы предположили, что разница заключена в приспособленности к разным условиям среды. Они выращивали мутантные штаммы еще в трех условиях с различным уровнем нутриентов и стресса. Но все равно средняя приспособленность синонимичных мутантов была ближе к несинонимичным мутантам, чем к дрожжам дикого типа, а 52,9–62,2% синонимичных мутаций не были нейтральными. Снижение этих значений может быть связано с использованием меньшего числа репликаций.

Авторы показали, что большинство синонимичных мутаций не нейтральны, что подтвердили в различных условиях культивирования. Они пишут о необходимости повтора экспериментов на других организмах, но не видят причин, почему бы их результаты были исключением из правила. Пока предполагается, что синонимичные мутации влияют на уровень мРНК, но нельзя исключать влияние и на фолдинг мРНК и трансляцию.