การเลื่อนเฟรมของไรโบโซมหรือที่รู้จักกันในชื่อการเลื่อนเฟรมการแปลหรือการถอดรหัสการแปลเป็นปรากฏการณ์ทางชีวภาพที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลซึ่งส่งผลให้เกิดการสร้างโปรตีน ที่ไม่ซ้ำกันหลายชนิด จาก mRNAเพียง ^{ตัวเดียว [ 1 ]}กระบวนการนี้สามารถกำหนดโปรแกรมได้ด้วย ลำดับ นิวคลีโอไทด์ของ mRNA และบางครั้งก็ได้รับผลกระทบจากโครงสร้าง mRNA สามมิติทุติยภูมิ^{[ 2 ]}มีการอธิบายปรากฏการณ์นี้ส่วนใหญ่ในไวรัส (โดยเฉพาะเรโทรไวรัส )เรโทรทรานสโพซอนและ องค์ประกอบแทรกของ แบคทีเรียรวมถึงในยีน ของเซลล์บางชนิด ด้วย ^{[ 3 ]}

โมเลกุลขนาดเล็ก โปรตีน และกรดนิวคลีอิก ยังพบว่าสามารถกระตุ้นระดับการเลื่อนเฟรมได้ ในเดือนธันวาคม 2023 มีรายงานว่าmRNA ที่ถอดรหัส ในหลอดทดลอง (IVT) ที่ตอบสนองต่อ วัคซีนป้องกันโควิด-19 BNT162b2 (Pfizer–BioNTech) ทำให้เกิดการเลื่อนเฟรมของไรโบโซม^{[ 4 ]}

โปรตีนถูกแปลโดยการอ่านไตรนิวคลีโอไทด์บนสาย mRNA หรือที่เรียกว่าโคดอนจากปลายด้านหนึ่งของmRNAไปยังอีกด้านหนึ่ง (จากปลาย5'ไปยังปลาย 3' ) โดยเริ่มจากกรดอะมิโนเมไทโอนีนเป็นโคดอนเริ่มต้น (initiation) AUG โคดอนแต่ละตัวจะถูกแปลเป็นกรดอะมิโน หนึ่งตัว รหัสเองถือว่ามีความเสื่อมหมายความว่ากรดอะมิโนตัวใดตัวหนึ่งสามารถระบุได้ด้วยโคดอนมากกว่าหนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม การเลื่อนของจำนวนนิวคลีโอไทด์ใดๆ ที่ไม่สามารถหารด้วย 3 ลงตัวในเฟรมการอ่านจะทำให้โคดอนที่ตามมาถูกอ่านแตกต่างกัน^{[ 5 ]}ซึ่งจะเปลี่ยนเฟรมการอ่านของ ไรโบโซมอย่างมีประสิทธิภาพ

ในตัวอย่างนี้ ประโยคที่มีคำสามตัวอักษรต่อไปนี้จะมีความหมายเมื่ออ่านตั้งแต่ต้น:

|เริ่ม| แมวกับผู้ชายอ้วน... |เริ่ม|123 123 123 123 123 123 123 ... 

อย่างไรก็ตาม หากเฟรมการอ่านเลื่อนไปหนึ่งตัวอักษร ระหว่างตัวTและ H ของคำแรก (ซึ่งเทียบเท่ากับการเลื่อนเฟรม +1 เมื่อพิจารณาตำแหน่งที่ 0 เป็นตำแหน่งเริ่มต้นของตัว T )

T |เริ่ม|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT... -|เริ่ม|123 123 123 123 123 123 12... 

ถ้าอย่างนั้นประโยคก็จะอ่านได้ต่างออกไป และไม่มีความหมาย

ในตัวอย่างนี้ ลำดับต่อไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของจีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์ที่มีสองยีนที่ทับซ้อนกันคือMT-ATP8และMT-ATP6เมื่ออ่านจากต้น โคดอนเหล่านี้จะมีความหมายสำหรับไรโบโซมและสามารถแปลเป็นกรดอะมิโน (AA) ได้ภายใต้รหัสไมโทคอนเดรียของสัตว์มีกระดูกสันหลัง :

|เริ่มต้น| เอเอซี GAA AAT CTG TTC GCT TCA ... |เริ่ม|123 123 123 123 123 123 123 ... | AA | NENLFAS ... 

อย่างไรก็ตาม ลองเปลี่ยนเฟรมการอ่านโดยเริ่มจากนิวคลีโอไทด์ถัดไปหนึ่งตัว (ซึ่งเทียบเท่ากับการ "เลื่อนเฟรม +1" เมื่อพิจารณาตำแหน่งที่ 0 เป็นตำแหน่งเริ่มต้นของA ):

A |เริ่ม|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA... -|เริ่ม|123 123 123 123 123 123 12... | AA | TKICSL ... 

เนื่องจากการเลื่อนเฟรม +1 นี้ ทำให้ลำดับดีเอ็นเอถูกอ่านแตกต่างออกไป ดังนั้นเฟรมการอ่านโคดอนที่แตกต่างกันจึงส่งผลให้ได้กรดอะมิโนที่แตกต่างกัน

ในกรณีของไรโบโซมที่กำลังแปลรหัส การเลื่อนเฟรมอาจส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์แบบไร้ความหมายโคดอนหยุดก่อนกำหนดหลังจากการเลื่อนเฟรม หรือการสร้างโปรตีนใหม่ทั้งหมดหลังจากการเลื่อนเฟรม ในกรณีที่การเลื่อนเฟรมส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์แบบไร้ความหมาย เส้นทาง การสลายตัวของ mRNA ที่เกิดจากการกลายพันธุ์แบบไร้ความหมาย (NMD) อาจทำลาย mRNA ดังนั้นการเลื่อนเฟรมจึงทำหน้าที่เป็นวิธีการควบคุมระดับการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้อง^{[ 6 ]}

หากมีการผลิตโปรตีนใหม่หรือโปรตีนนอกเป้าหมาย อาจทำให้เกิดผลที่ตามมาที่ไม่ทราบสาเหตุอื่นๆ^{[ 4 ]}

ในไวรัส ปรากฏการณ์นี้อาจถูกตั้งโปรแกรมให้เกิดขึ้นที่ไซต์เฉพาะ และช่วยให้ไวรัสสามารถเข้ารหัสโปรตีนหลายประเภทจาก mRNA เดียวกัน ตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่HIV-1 (ไวรัสภูมิคุ้มกันบกพร่องในมนุษย์) ^{[ 7 ]} RSV ( ไวรัสซาร์โคมาของรูส ) ^{[ 8 ]}และไวรัสไข้หวัดใหญ่[ ^{9 ] ซึ่ง}ทั้งหมดนี้อาศัยการเลื่อนเฟรมเพื่อสร้างอัตราส่วนที่เหมาะสมของโปรตีนเฟรม 0 (การแปลปกติ) และโปรตีน "ทรานส์เฟรม" (เข้ารหัสโดยลำดับที่เลื่อนเฟรม) การใช้งานในไวรัสส่วนใหญ่มีไว้เพื่อบีบอัดข้อมูลทางพันธุกรรมให้มากขึ้นในปริมาณวัสดุทางพันธุกรรมที่สั้นลง

ในยูคาริโอต ดูเหมือนว่าจะมีบทบาทในการควบคุมระดับการแสดงออกของยีนโดยการสร้างการหยุดก่อนกำหนดและสร้างทรานสคริปต์ที่ไม่ทำงาน^{[ 3 ] [ 10 ]}

การเลื่อนเฟรมแบบที่พบได้บ่อยที่สุดคือการเลื่อนเฟรม −1หรือการเลื่อนเฟรมไรโบโซมแบบโปรแกรม −1 (−1 PRF)การเลื่อนเฟรมประเภทอื่นที่พบได้ยากกว่า ได้แก่ การเลื่อนเฟรม +1 และ −2 ^{[ 2 ]}เชื่อกันว่าการเลื่อนเฟรม −1 และ +1 ถูกควบคุมโดยกลไกที่แตกต่างกัน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป กลไกทั้งสองขับเคลื่อนด้วยจลนศาสตร์

ในการเลื่อนเฟรม −1 นั้น ไรโบโซมจะเลื่อนกลับไปหนึ่งนิวคลีโอไทด์และดำเนินการแปลต่อไปในเฟรม −1 โดยทั่วไปแล้ว สัญญาณการเลื่อนเฟรม −1 จะประกอบด้วยองค์ประกอบสามอย่าง ได้แก่ลำดับลื่น (slippery sequence)บริเวณเว้นวรรค (spacer region) และโครงสร้างทุติยภูมิของ RNAลำดับลื่นจะเข้ากับโมทีฟ X_XXY_YYH โดยที่ XXX คือนิวคลีโอไทด์ที่เหมือนกันสามตัวใดๆ (แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นบ้าง) YYY โดยทั่วไปจะแทน UUU หรือ AAA และ H คือ A, C หรือ U เนื่องจากโครงสร้างของโมทีฟนี้ประกอบด้วยการทำซ้ำ 3 นิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกัน 2 ชุด จึงเชื่อว่าการเลื่อนเฟรม −1 นั้นอธิบายได้ด้วยแบบจำลองการลื่นแบบคู่ขนาน (tandem slippage model) ซึ่งแอนติโคดอนของ tRNA ที่ตำแหน่ง P ของไรโบโซมจะจับคู่ใหม่จาก XXY เป็น XXX และแอนติโคดอนที่ตำแหน่ง A จะจับคู่ใหม่จาก YYH เป็น YYY พร้อมกัน การจับคู่ใหม่เหล่านี้เหมือนกับการจับคู่ในเฟรม 0 ยกเว้นที่ตำแหน่งที่สาม ความแตกต่างนี้ไม่ได้ทำให้การจับแอนติโคดอนไม่เอื้ออำนวยอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากนิวคลีโอไทด์ตัวที่สามในโคดอน ซึ่งเรียกว่าตำแหน่งวอบเบิลมีความจำเพาะในการจับแอนติโคดอนของ tRNA น้อยกว่านิวคลีโอไทด์ตัวแรกและตัวที่สอง^{[ 2 ] [ 11 ]}ในแบบจำลองนี้ โครงสร้างของโมทีฟได้รับการอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าตำแหน่งแรกและตำแหน่งที่สองของแอนติโคดอนจะต้องสามารถจับคู่กันได้อย่างสมบูรณ์แบบทั้งในเฟรม 0 และ −1 ดังนั้น นิวคลีโอไทด์ 2 และ 1 จะต้องเหมือนกัน และนิวคลีโอไทด์ 3 และ 2 ก็ต้องเหมือนกันด้วย ทำให้เกิดลำดับนิวคลีโอไทด์ที่เหมือนกัน 3 ตัวที่จำเป็นสำหรับ tRNA แต่ละตัวที่เลื่อน^{[ 12 ]}

ลำดับที่ลื่นไหลสำหรับสัญญาณเฟรมชิฟต์ +1 ไม่มีลวดลายเดียวกัน และดูเหมือนว่าจะทำงานโดยการหยุดไรโบโซมที่ลำดับที่เข้ารหัสกรดอะมิโนที่หายาก^{[ 13 ]}ไรโบโซมไม่ได้แปลโปรตีนในอัตราคงที่ ไม่ว่าลำดับจะเป็นอย่างไร โคดอนบางตัวใช้เวลานานกว่าในการแปล เนื่องจากมีtRNAของโคดอนนั้นไม่เท่ากันในไซโตซอล [ ^{14 ] เนื่องจาก}ความล่าช้านี้ จึงมีลำดับโคดอนในส่วนเล็ก ๆ ที่ควบคุมอัตราการเปลี่ยนเฟรมของไรโบโซม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไรโบโซมต้องหยุดเพื่อรอการมาถึงของ tRNA ที่หายาก และสิ่งนี้จะเพิ่มความเหมาะสมทางจลนศาสตร์ของไรโบโซมและ tRNA ที่เกี่ยวข้องในการเลื่อนเข้าไปในเฟรมใหม่^{[ 13 ] [ 15 ]}ในแบบจำลองนี้ การเปลี่ยนแปลงในเฟรมการอ่านเกิดจากการเลื่อนของ tRNA เพียงครั้งเดียวแทนที่จะเป็นสองครั้ง

การเลื่อนเฟรมของไรโบโซมอาจถูกควบคุมโดยกลไกที่พบในลำดับ mRNA (cis-acting) โดยทั่วไปหมายถึงลำดับที่ลื่นไหล โครงสร้างทุติยภูมิของ RNA หรือทั้งสองอย่าง สัญญาณการเลื่อนเฟรม −1 ประกอบด้วยองค์ประกอบทั้งสองที่คั่นด้วยบริเวณสเปเซอร์ซึ่งโดยทั่วไปมีความยาว 5–9 นิวคลีโอไทด์^{[ 2 ]}การเลื่อนเฟรมอาจถูกเหนี่ยวนำโดยโมเลกุลอื่น ๆ ที่มีปฏิสัมพันธ์กับไรโบโซมหรือ mRNA (trans-acting)

ลำดับลื่นอาจทำให้ไรโบโซมที่กำลังอ่าน "ลื่น" และข้ามจำนวนนิวคลีโอไทด์ (โดยปกติเพียง 1 ตัว) และอ่านเฟรมที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงหลังจากนั้น ในการเลื่อนเฟรมไรโบโซมแบบโปรแกรม −1 ลำดับลื่นจะเข้ากับโมทีฟ X_XXY_YYH โดยที่ XXX คือนิวคลีโอไทด์ที่เหมือนกันสามตัวใดๆ (แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นบ้าง) YYY โดยทั่วไปจะแทน UUU หรือ AAA และ H คือ A, C หรือ U ในกรณีของการเลื่อนเฟรม +1 ลำดับลื่นจะมีโคดอนที่ tRNA ที่สอดคล้องกันนั้นหายากกว่า และการเลื่อนเฟรมเป็นที่นิยมเนื่องจากโคดอนในเฟรมใหม่มี tRNA ที่เกี่ยวข้องที่พบได้ทั่วไปมากกว่า^{[ 13 ]}ตัวอย่างหนึ่งของลำดับลื่นคือpolyAบน mRNA ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถกระตุ้นให้ไรโบโซมลื่นได้แม้ในกรณีที่ไม่มีองค์ประกอบอื่นๆ^{[ 16 ]}

โดยทั่วไปแล้ว การเลื่อนเฟรมของไรโบโซมอย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยโครงสร้างทุติยภูมิของ RNA เพื่อเพิ่มผลกระทบของลำดับที่ลื่น^{[ 12 ]} เชื่อกันว่า โครงสร้าง RNA (ซึ่งอาจเป็นก้านห่วงหรือปมเทียม ) จะหยุดไรโบโซมที่ไซต์ที่ลื่นในระหว่างการแปล บังคับให้ไรโบโซมย้ายตำแหน่งและดำเนินการจำลองแบบต่อไปจากตำแหน่ง −1 เชื่อกันว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างดังกล่าวขัดขวางการเคลื่อนที่ของไรโบโซมโดยการติดอยู่ในอุโมงค์ mRNA ของไรโบโซม^{[ 2 ]}แบบจำลองนี้ได้รับการสนับสนุนจากข้อเท็จจริงที่ว่าความแข็งแรงของปมเทียมมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับระดับการเลื่อนเฟรมสำหรับ mRNA ที่เกี่ยวข้อง^{[ 3 ] [ 17 ]}

ด้านล่างนี้คือตัวอย่างโครงสร้างทุติยภูมิที่คาดการณ์ไว้สำหรับองค์ประกอบเฟรมชิฟต์ที่แสดงให้เห็นว่ากระตุ้นเฟรมชิฟต์ในสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด โครงสร้างส่วนใหญ่ที่แสดงเป็นโครงสร้างก้านและห่วง (stem-loop) ยกเว้นโครงสร้างปมเทียม ALIL (apical loop-internal loop) ในภาพเหล่านี้ วงกลมขนาดใหญ่และไม่สมบูรณ์ของ mRNA แสดงถึงบริเวณเชิงเส้น โครงสร้างทุติยภูมิแบบ "ก้านและห่วง" ซึ่ง "ก้าน" เกิดจากบริเวณของ mRNA ที่จับคู่เบสกับอีกบริเวณหนึ่งบนสายเดียวกัน แสดงให้เห็นว่ายื่นออกมาจาก DNA เชิงเส้น บริเวณเชิงเส้นของสัญญาณเฟรมชิฟต์ของไรโบโซม HIV มีลำดับลื่น UUU UUU A ที่มีการอนุรักษ์สูง โครงสร้างที่คาดการณ์ไว้อื่นๆ อีกหลายโครงสร้างก็มีลำดับลื่นที่เป็นตัวเลือกเช่นกัน

ลำดับ mRNA ในภาพสามารถอ่านได้ตามชุดแนวทาง ในขณะที่ A, T, C และ G แทนนิวคลีโอไทด์เฉพาะที่ตำแหน่งหนึ่ง นอกจากนี้ยังมีตัวอักษรที่แสดงถึงความกำกวมซึ่งใช้เมื่อมีนิวคลีโอไทด์มากกว่าหนึ่งชนิดที่อาจเกิดขึ้นที่ตำแหน่งนั้น กฎของสหภาพเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศ ( IUPAC ) มีดังนี้: ^{[ 18 ]}

สัญลักษณ์เหล่านี้ใช้ได้กับ RNA เช่นกัน ยกเว้นว่า U (ยูราซิล) จะแทนที่ T (ไทมีน) ^{[ 18 ]}

พบว่าโมเลกุลขนาดเล็ก โปรตีน และกรดนิวคลีอิกสามารถกระตุ้นระดับการเลื่อนเฟรมได้ ตัวอย่างเช่น กลไกของ วงจรป้อนกลับเชิง ลบใน เส้นทางการสังเคราะห์ โพลีอะมีนนั้นขึ้นอยู่กับระดับโพลีอะมีนที่กระตุ้นให้เกิดการเพิ่มขึ้นของการเลื่อนเฟรม +1 ซึ่งส่งผลให้เกิดการผลิตเอนไซม์ ยับยั้ง โปรตีนบางชนิดที่จำเป็นสำหรับการจดจำโคดอนหรือที่จับกับลำดับ mRNA โดยตรงก็แสดงให้เห็นว่าสามารถปรับระดับการเลื่อนเฟรมได้เช่น กัน โมเลกุลไมโครอาร์เอ็นเอ (miRNA) อาจไฮบริดกับโครงสร้างทุติยภูมิของอาร์เอ็นเอและส่งผลต่อความแข็งแรงของมัน^{[ 6 ]}

• องค์ประกอบกระตุ้นการเลื่อนเฟรมของ RNA แอนติไซม์
• องค์ประกอบกระตุ้นการเลื่อนเฟรมของไวรัสโคโรนา
• องค์ประกอบการเลื่อนเฟรมของไรโบโซม DnaX
• การกลายพันธุ์แบบเฟรมชิฟต์
• สัญญาณเฟรมชิฟต์ของไรโบโซม HIV
• ลำดับแทรก IS1222 องค์ประกอบการเลื่อนเฟรมของไรโบโซม
• ฐานข้อมูลการเข้ารหัสใหม่
• การหยุดชั่วคราวของไรโบโซม
• ลำดับที่ลื่น

• Frameshifting,+Ribosomalที่ US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• Wise2 — จัดเรียงโปรตีนให้ตรงกับลำดับดีเอ็นเอ โดยยอมให้ มีการเลื่อนเฟรมและอินทรอน
• FastY — เปรียบเทียบ ลำดับ ดีเอ็นเอกับ ฐานข้อมูลลำดับ โปรตีนโดยอนุญาตให้มีช่องว่างและการเลื่อนเฟรมได้
• เส้นทางนี้ถูกเก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 19 กรกฎาคม 2011 ในWayback Machine — เครื่องมือที่ใช้เปรียบเทียบโปรตีนที่มีการเลื่อนเฟรม สองตัว ( หลักการ แปล ย้อนกลับ )
• Recode2 — ฐานข้อมูลยีนที่ได้รับการเข้ารหัสใหม่ รวมถึงยีนที่ต้องการการเลื่อนเฟรมการแปลแบบโปรแกรม