MUTAÇÕES Eduardo Dias Embora um dos mais importantes requisitos do material genético seja a sua estabilidade, a capacidade de mudança também é necessária. As mutações gênicas são importantes para a evolução biológica, pois elas produzem uma diversidade genética que pode ser expressa como uma variabilidade de características, as quais serão selecionadas ou não pelas condições do ambiente. Mas o que é, afinal, uma mutação? Mutação é uma alteração súbita, permanente e herdável no material genético de uma célula (que não sejam processos de recombinação), podendo conferir mudanças nas características do indivíduo. Estas modificações na estrutura do DNA também podem ser prejudiciais às células, uma vez que têm a capacidade de alterar processos vitais, como a duplicação do DNA e a transcrição gênica, além de contribuir para o desenvolvimento de processos tumorais e morte celular. Podem ser classificadas em três categorias: Genômicas: quando afetam o número de cromossomos na célula. Ex: aneuploidias Cromossômicas: alteram a estrutura de cromossomos individuais. Ex: duplicações, deleções, inversões, translocações. Gênicas: alteram genes individuais. Ex: mutações de ponto, deleções e inserções de base. Mesmo uma pequena mutação gênica pode ter grandes efeitos, dependendo local do genoma (se é um gene ou não), do gene que foi alterado e de que efeito a alteração tem na expressão do gene. Uma mutação gênica que consista na mudança de um único nucleotídeo na seqüência codificante de um determinado gene pode levar a uma perda completa de expressão do gene ou à formação de uma proteína variante com propriedades alteradas. Qualquer célula pode sofrer mutação, tanto as germinativas quanto as somáticas. Apenas as mutações da linhagem germinativa são transmitidas de uma geração para a seguinte e são responsáveis pelas doenças hereditárias. Mutações nas células somáticas, entretanto, são muito mais freqüentes e provocam alterações diretas no indivíduo portador da mutação, podendo ser transmitidas para as células filhas daquela que sofreu a mutação. Caso a função de um determinado gene seja afetada, este será responsável pelo desenvolvimento de doenças, sobretudo o câncer. Do contrário, a mutação na célula somática poderá ser uma fonte de variabilidade, o que chamamos de polimorfismos. TIPOS DE MUTAÇÃO GÊNICA Hoje se sabe que qualquer modificação no código genético de um organismo pode ser chamada de mutação. Tais modificações podem envolver alterações na seqüência codificante ou na forma em que o código genético é organizado. Mutações de Ponto
Simplificadamente, ocorre como resultado de substituições em pares de bases envolvendo apenas um ou alguns poucos nucleotídeos. Caracteriza-se transição quando há substituição de purina por purina (G A e A G) ou de pi ri mi di na por pirimidina (C T e T C). Transversão ocorre quando uma purina é substituída por pirimidina, e vice-versa. De acordo com o código genético, um certo aminoácido pode ser determinado por mais de um códon; algumas mutações, portanto, não alteram a seqüência de aminoácidos produzida pelo gene modificado e sua função permanece a mesma. Por exemplo: o aminoácido Prolina pode ser determinado pelos códons CCA, CCC, CCG e CCU. Portanto, uma mutação na terceira base desses códons não provocaria mudança na seqüência de aminoácidos da cadeia poliipeptídica. As mutações desse tipo são chamadas silenciosas e são bastante freqüentes; elas são responsáveis por uma variabilidade genética que é sempre maior do que a diversidade de características. Existem mutações que alteram a proteína, pois causam a substituição de um aminoácido na proteína em formação. As conseqüências podem ser graves, alterando completamente a forma espacial e a função da proteína. É o caso da substituição de um nucleotídeo no gene responsável pela produção da hemoglobina, em que o códon GAA passa a ser GUA. Com isso, há substituição de um aminoácido na cadeia polipeptídica (Glutamato Valina), que resul ta na pr odução de hemoglobina defeituosa, causando uma doença chamada anemia falciforme. Estas são mutações com sentido trocado. Há casos em que mutações na seqüência de nucleotídeos e de aminoácidos não resultam na perda ou alteração da função da proteína. Certas regiões de uma molécula podem não ser essenciais ao seu funcionamento. A insulina, por exemplo, é um hormônio presente em todos os vertebrados, mas a molécula não é idêntica em todas as espécies. Quando comparamos a seqüência de aminoácidos da insulina de duas ou mais espécies diferentes, observamos alterações na seqüência que, no entanto, não prejudicam a forma e a função dessa proteína. Dizemos então que ocorreram mutações funcionalmente neutras, conservadas no genoma dos indivíduos ao longo das gerações. Uma mutação que gera um dos três códons de parada (UAA, UAG, UGA) é chamada sem sentido. Se o RNAm for suficientemente estável para ser traduzido, o produto da tradução em geral será tão instável que sofrerá degradação dentro da célula. Esta situação poderá ser tão importante a ponto de levar o indivíduo a uma condição letal. Além das regiões codificadoras, outras porções do DNA que podem sofrer mutação são sítios de splicing, seqüências regulatórias, genes de fatores de transcrição ou regiões 5 e 3 não traduzidas. Apesar de não fazerem parte do RNAm, estão diretamente relacionadas aos éxons, podendo interferir na expressão gênica, reduzindo ou aumentando-a, além de conferir instabilidade ao RNAm quando mutadas. Mutações de ponto de um único nucleotídeo nos microssatélites mostraram haver, nestes segmentos de DNA repetivivo em tandem, o favorecimento de um tipo de mutação em vez de uma substituição espontânea ou aleatória de bases. O excesso de transições encontradas pode ser compreendido pelo mecanismo de metilação de citosinas (formando 5-metilcitosina), que ocorre especificamente quando uma citosina está situada ao lado de uma guanina. A desaminação espontânea da 5-metilcitosina formada em timina no par CG origina transições C T ou G A. Este tipo de mutação é 25 vezes mais freqüente que qualquer outra mutação de um único nucleotídeo. Assim, o par CG é chamado de hot spot, por representar um verdadeiro ponto quente para mutação no gemoma humano.
Inserções e Deleções Nem todas as mutações gênicas são substituições de bases. Às vezes um nucleotídeo pode ser inserido ou excluído da seqüência de bases do DNA. No processo de síntese protéica, cada trinca de bases corresponde a um determinado aminoácido; se uma ou duas bases são adicionadas ou excluídas, ocorre deslocamento do módulo de leitura (frameshift mutation), o que significa que toda a seqüência de códons será alterada; conseqüentemente, a seqüência de aminoácidos também não será mais a mesma. Inserções ou deleções de trincas de nucleotídeos podem apenas acrescentar ou excluir um aminoácido da cadeia polipeptídica. Isto significa que a proteína terá um determinado aminoácido a mais ou a menos, mas não terá toda a seqüência de aminoácidos alterada. Grandes inserções e deleções gênicas podem levar a aumentos ou perdas consideráveis de material genético. Ocorrendo em determinados locais como no DNA repetitivo em tandem elas levam a pareamentos errôneos tanto durante a mitose (após a replicação, quando as duas cromátides irmãs em geral trocam DNA) quanto durante a meiose (quando os cromossomos homólogos ficam pareados e fazem crossing over). O mecanismo de crossing over desigual é tido como o responsável pela deleção de um dos genes de α-globina na α-talassemia e de genes de pigmentos visuais verdes (provocando alterações na percepção e distinção das cores vermelha e verde). Uma classe importante descrita de mutações é a repetição de trinucleotídeos, vista em distúrbios como a doença de Huntington e a síndrome do X frágil. Nestas doenças, a expansão trinucleotídica situada na região codificante (doença de Huntington) ou na região transcrita mas não traduzida de um gene (síndrome do X frágil) pode ampliar e interferir na expressão gênica normal, por gerar um produto protéico anormal ou alterar a transcrição ou o processamento do RNAm. Outro mecanismo responsável por alterações no código genético é a mutagênese de inserção. A família L1 de seqüências intercalares repetitivas representa uma classe de DNA passível de ser transcrita em RNA que, quando reversamente transcrito, gera uma seqüência de DNA capaz de se inserir em pontos diferentes do genoma. Em alguns pacientes com hemofilia A, seqüências L1 com vários kb de tamanho foram encontradas inseridas em um éxon no gene do fator VIII da coagulação, interrompendo a seqüência codificante e inativando o gene. Este achado sugere que pelo menos algumas das 100.000 cópias da família L1 no genoma humano são capazes de causar doença por mutagênese insercional. ORIGEM DAS MUTAÇÕES: As mutações podem ser espontâneas (determinadas por fatores endógenos) ou induzidas (quando decorrem de agentes exógenos). Espontâneas: promovidas por modificações químicas das bases. Tautomerização: As purinas e pirimidinas no DNA e RNA podem existir sob várias formas alternativa, ou tautômeros. A tautomerização ocorre pelo rearranjo de elétrons e prótons na molécula. Tautômeros incomuns de adenina, citosina, guanina e
timina diferem das formas comuns na posição em que se liga um átomo de H. Como resultado, algumas. ligações simples tornam-se duplas, e vice-versa. A figura abaixo mostra um exemplo de tautômeros de Timina. O grande problema deste tipo de alteração é que, nas formas raras, as bases fazem pareamentos não usuais (ex: T-G).. Desaminação: alterações nas bases do DNA por substituir um grupamento amina (- NH 2 ) por uma hidroxila (-OH). Da mesma forma que na tautomerização, as bases desaminadas comportam-se como bases não usuais e fazem pareamentos errôneos (ex: H C). Grupo amina Hidroxila Depurinação: erro na replicação do DNA forma sítios sem a presença purinas. Induzidas: promovidas pela ação de agentes físicos e químicos Radiações ionizantes: raios X, α, β, gama. Induzem a formação de íons reativos e radicais livres, bem como provocam alterações nas bases e quebras na cadeia do DNA (de uma ou ambas as fitas) Radiações não-ionizantes: raios ultravioleta. Embora não possuam energia suficiente para ionizar o DNA, carregam energia suficiente para alterar a molécula. A mais conhecida ação da radiação UV no DNA é a indução de dímeros de pirimidina. Trata-se da indução de ligações carbono-carbono entre pirimidinas adjacentes, sendo mais comum com a timina. Isto resulta na distorção da molécula ou ligações entre moléculas adjacentes, o que temporariamente pára a replicação do DNA.
Análogos de bases: Algumas substâncias têm estruturas moleculares tão similares a bases comuns que tais análogos podem ser incorporados caso estejam presentes no filamento de DNA em replicação. Ex: o 5-bromouracil em sua forma comum irá substituir a timina, com quem se assemelha estruturalmente. Outro análogo é a 2-aminopurina, que se assemelha à adenina. Agentes desaminantes: ácido nitroso e bissulfito sódico. Substituem grupamento amina (-NH 2 ) por hidroxila (-OH), provocando as mesmas alterações que ocorrem na desaminação espontânea. Agentes alquilantes: nitrosaminas e metil-nitrosoguanidina. Reagem com o DNA adicionando grupamentos etil ou metil às bases. Isto resulta no mau pareamento da base afetada ou em sua total perda, criando uma falha. A base primariamente afetada pelos agentes alquilantes é a guanina, embora outras bases também possam ser alquiladas. As mostardas e enxofre nitrogenados, identificados como mutágenos por Auerbach, são agentes alquilantes. Agentes intercalantes: corantes de acridina e proflaminas. Os corantes acridínicos são uma classe de substâncias químicas que se intercalam entre as bases do DNA, distorcendo a molécula e rompendo o alinhamento e pareamento das bases. Tal distorção resulta em deleção ou adição de pares de bases durante a replicação. REFERÊNCIAS BURNS GW, BOTTINO PJ. Genética. 6 a. edição, Editora Guanabara Koogan S.A. 1991. HARTL DL. Essential genetics. Jones and Bartlett Publishers Inc.1996. SNUSTAD DP, SIMMONS MJ, JENKINS JB. Principles of genetics. John Wiley & Sons Inc.1997. SUZUKI. DT, GRIFFITHS AJF, MILLER JH, LEWONTIN RC. Introdução à Genética. 4 a. edição. Editora Guanabara Koogan S.A. 1991. WEAVER RS, HEDRICK PW. Genetics. 3 th edition. The McGraw-Hill Companies Inc. 1997. NUSSBAUM RL, McINNES RR, WILLARD HF. Thompson & Thompson: Genética Médica. 6ª edição. Guanabara Koogan S.ª 2002