Mutação e Reparação Mutação e Reparação do DNA do DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc. Prof. Antonio Márcio Teodoro Cordeiro Silva, M.Sc.
Mutação Mutações modificação súbita e hereditária no conjunto gênico de um organismo não explicável pela recombinação da variabilidade genética pré-existente. Mutante organismo possuidor de uma forma alterada como resultado da presença de uma mutação. # Tipos aneuploidias mudanças no número cromossômico. aberrações cromossômicas mudanças grosseiras na estrutura dos cromossomos. mudanças dos genes individuais. 1. Atualmente, o termo mutação tem sido utilizado quando da presença de alterações detectadas em nível de genes individuais.
Mutação
Mutação # Geralmente, organismos portadores de uma mutação num determinado gene apresentam problemas em sua sobrevivência (sendo, assim, eliminados por seleção natural). # Contudo, nem toda mutação resulta numa conseqüências deletéria para seu portador. # mutação fonte básica de toda variabilidade genética (matéria-prima para a evolução) Sem a mutação, todos genes existiriam apenas em uma forma. mutações espontâneas resultam de funções celulares normais ou interações aleatórias com o ambiente. podem ser aumentadas pelo tratamento com determinados compostos (agentes mutagênicos mutações induzidas) atuam diretamente no DNA.
Mutação Síntese de Proteína Mutação pode alterar a síntese protéica
Mutações Classificação Geral Mutação Cromossômica: Número ou Estrutura Mutações Gênicas: Genes individuais
Mutação: Bom ou Ruim? A mutação é a fonte básica de toda variabilidade genética, fornecendo a matéria-prima para a evolução
Processo Evolutivo Mutação como fonte de variabilidade 1. Recombinação: Rearranjos Novas combinações 2. Seleção Natural Preserva as combinações mais adaptadas 3. Ausência de Mutação Genes com apenas uma forma 1 2 3
Classificação das Mutações Quanto à Natureza 1. Mutação espontânea 2. Mutação induzida Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x Carcinogênese
Mutações Cromossômicas Euploidia Conjunto de cromossomo de uma espécie 1. Monoploidia: n cromossomos 2. Diploidia: 2n cromossomos 3. Triploidia: 3n cromossomos 4. Poliploidia: mais de dois conjuntos Aneuploidia Número de cromossomos difere da espécie 1. Monossomia: 2n 1 2. Trissomia: 2n + 1 3. Nulissomia: 2n 2
Mutação # Mutação de ponto modificação num único par de base (substituição, adição ou deleção) mau funcionamento do sistema replicativo mau funcionamento do sistema de reparo interferência química direta sobre uma das bases do DNA # Mutação letal condicional letal num determinado ambiente (condições restritivas) Classes Mutantes auxotróficos incapazes de sintetizar um metabólito essencial (aminoácido, purina, pirimidina, etc.) crescem e se reproduzem quando o metabólito é fornecido pelo meio (condição permissiva) não crescem quando o metabólito está ausente (condição restritiva)
Mutação mutantes sensíveis à temperatura crescerão numa determinada temperatura aumento da labilidade ao calor ou ao frio do produto gênico mutado. mutantes sensíveis ao supressor viáveis quando um segundo fator genético (supressor) está presente - mas inviáveis na ausência deste. # Mutações transmitidas à descendência células germinativas # Mutações perpetuadas em células que descenderam da célula original na qual a mutação ocorreu (podendo não afetar o organismo inteiro) células somáticas
Rearranjos Cromossômicos 1. Inversões: Paracêntricas ou Pericêntricas
Rearranjos Cromossômicos 2. Deleção: Terminal ou Intersticial
Rearranjos Cromossômicos 3. Translocação: Recíproca ou Robertisoniana
Rearranjos Cromossômicos 4. Duplicação x Replicação
Mutantes em nível molecular modificações tautoméricas flutuações químicas decorrentes de mudanças nas posições dos átomos (purinas, pirimidinas, grupamento amino, anel nitrogenado, etc.) alteram o pareamento de bases normal. # Envolvem a substituição de um par de bases por outro tipo mais comum de mutação # Transição substituição de uma purina por outra purina, ou de uma pirimidina por outra pirimidina. # Transversão substituição de uma purina por uma pirimidina ou vice-versa. mutações que modificam a estrutura da leitura envolve a adição ou deleção de um ou alguns pares de bases. alteram a estrutura de leitura de todas as trincas de pares de bases no gene depois da mutação.
Mutação Molecular Modificações Tautoméricas
Mutação em Nível Molecular Transição Transversão A T T A A T T A C G G C C G G C
Taxas de Mutações procariotos 10-5 a 10-6 evento/locus/geração (mutação espontânea) eucariotos estimativa semelhante à encontrada nos procariotos. # mutações silenciosas sem efeito aparente # Hotspots sítios de pares de bases mais susceptíveis à mutação. Envolvem a troca de bases do DNA mas não causam a troca do aminoácido presente na proteína correspondente. Levam à troca do aminoácido, mas a substituição não afeta a atividade da proteína (mutações neutras).
Mutação em Nível Molecular
Mutação em Nível Molecular Alteração do Quadro de Leitura (Frameshift)
Mutação em Nível Molecular Deleção
Mutação em Nível Molecular Inserção
Mutação em Nível Molecular Sentido Trocado (Missense)
Mutação em Nível Molecular Sem Sentido (Nonsense)
Mutação em Nível Molecular Expansão de Repetição
Radiação porção do espectro eletromagnético que contém comprimentos de onda menores e de maior energia que a luz visível (0,1µm). Tipos ionizante raios X, raios gama e raios cósmicos (úteis no diagnóstico médico pelo fato de poderem penetrar nos tecidos vivos). não-ionizante luz ultravioleta. No processo de penetração, a radiação ionizante colide com átomos da matéria causando a liberação de elétrons (formando radicais livres positivamente carregados íons). Quimicamente mais reativos quando comparados à átomos em seu estado estável normal. # a reatividade aumentada dos átomos presentes nas moléculas de DNA é a base dos efeitos mutagênicos da luz ultravioleta e da radiação ionizante.
Mutação por Radiação Radiação ionizante não envolve uma extensão de tempo. # a mesma dosagem de irradiação pode ser obtida por um longo período de tempo, ou uma alta intensidade num curto período. # mutações de ponto diretamente proporcionais à dose de irradiação. # Teoria da cinética de colisão única toda ionização tem uma probabilidade de induzir uma mutação.
Mutação por Radiação Radiação ionizante Efeito direto Radiação não ionizante H 2 O Efeito indireto H + OH
Acidentes Radioativos
Aberrações Estruturais Cariótipo - Metáfase
Mutação por Radiação Radiação não-ionizante (luz ultravioleta) não possui energia suficiente para induzir ionizações. # são absorvidos por purinas e pirimidinas (tornando-se mais reativas). multicelulares atingem apenas camadas de células superficiais. unicelulares potente agente mutagênico Formação de hidratos de pirimidina e dímeros de pirimidinas. # a relação entre a taxa de mutação e a dose de UV é muito variável, dependendo do tipo de mutação do organismo e das condições empregadas.
Mutação por Radiação
Mecanismos de reparo do DNA Um mutante sobrevive quando sua troca genética não é prejudicial ou, mais raramente, é benéfica. A maioria das mutações, contudo, são desvantajosas impedindo a sobrevida celular. mecanismos de reparo revertem os efeitos de processos mutagênicos artificiais ou naturais sob o DNA. muitos dos danos sofridos pelo DNA podem ser reparados porque a informação genética é preservada em ambas as fitas da dupla-hélice. a informação perdida em uma fita pode ser recuperada através da fita complementar
APLICAÇÕES PRÁTICAS DAS MUTAÇÕES Apesar da maioria das mutações tornarem o organismo menos adaptado e serem, portanto, desvantajosas, há a possibilidade das mesmas desenvolverem novas características desejáveis. Mutantes induzidos de cevada, trigo, aveia, soja, tomate podem melhorar as linhagens cultivadas. resistência à ferrugem, maior produção, maior quantidade de proteína, sementes sem casca, ente outro. elucidam as vias pelas quais os processos biológicos ocorrem (isolamento e estudo das mutações nos genes que codificam enzimas envolvidas nas mais diversas atividades metabólicas) dissecção de processos biológicos
Reparação do DNA Tipos de Reparação do DNA 1. Reparação por fotorreatividade enzimática 2. Reparação de bases alteradas 3. Reparação por excisão de base 4. Reparação por excisão de nucleotídeos 5. Reparação de bases malpareadas 6. Sistema de reparação por resgate
Reparação do DNA Reparação por Fotorreatividade Enzimática # dímeros de pirimidina impedem a replicação e a expressão gênica Fotoliase catalisa uma 2ª reação fotoquímica, na presença de luz visível, desfazendo a mutação e refazendo as bases pirimídicas individuais. ETAPAS 1ª reconhecimento da enzima ao dímero na ausência de luz. 2ª após a absorção de luz, energia é fornecida para a conversão do dímero em monômeros de pirimidina. 3ª dissociação da enzima do DNA.
Reparação do DNA Reparação por Fotorreatividade Enzimática Fotorreativação 1. Fotoliase reconhece e se liga ao dímero 2. Absorção de luz Conversão em monômeros
Reparação do DNA Reparação de Bases Alquiladas Ação de enzimas específicas: O 6 -Metilguanina-metiltransferase CH 3 -Cys-Enzima Não há meios de recuperar a enzima metilada (necessidade de novas enzimas para cada grupamento metil removido).
Reparação do DNA Reparo por excisão # A remoção de uma base defeituosa (ou não habitual) pode ocorrer a partir da: clivagem da ligação base-açúcar (excisão de base) incisão endonucleolítica nos dois lados da lesão liberação de nucleotídeos preenchimento da região pela ação da DNA-polimerase I e posterior ligação
Reparação do DNA Reparação por excisão de base # A citosina do DNA é desaminada espontaneamente sendo, portanto, percebida pela uracil. evento mutagênico potencial formação de filamento apresentando pares de bases errôneos (AU no lugar de GC) Etapas de reparo 1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e a molécula de desoxirribose pela enzima uracil-dna-glicosilase 2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP) 3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease
Reparação do DNA Reparação por excisão de base Etapas de reparo 1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima uracil-dna-glicosilase 2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP) 3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease 4. Inserção de citosina no local mutado pela enzima DNA-polimerase I 5. Ligação da fita corrigida pela enzima DNA-ligase
Reparação do DNA
Reparação do DNA Reparação por Excisão de Base
Reparação do DNA Reparo por excisão de nucleotídeos Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN) ETAPAS 1. Reconhecimento da lesão 2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta 3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão 4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde 5. Ligação # reação, a princípio, livre de erro
Reparação do DNA Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN) 1. Reconhecimento da lesão 2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão 3. Excisão do seguimento contendo a lesão 4. Síntese do novo seguimento de DNA e Ligação
Reparação do DNA REN: Sistema Uvr (E. coli) ATP Helicase 5 3 5 (8nt) 3 (4 a 5nt) Excisão de 12 a 13nt UvrD
Enzimas de correção de erro Algumas bases incorretamente pareadas escapam da correção realizada pela DNApolimerase # Remoção de bases mal pareadas Qual das fitas contém o erro? Qual das bases é a errada? Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN) enzima de correção de erro ETAPAS 1. Reconhecimento da lesão 2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta 3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão 4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde 5. Ligação # sinal que direciona o sistema de excisão do erro exclusivamente para a fita recém-sintetizada seqüências GATC próximas ao erro
Reparação do DNA Sinalização por metilação de sítios específicos
Reparação do DNA 1. Enzima de correção de erro liga-se à seqüência GATC não modificada e ao par de bases mal pareadas da mesma fita de DNA. 2. Enzima de correção de erro remove o segmento de DNA que inclui o erro da fita que contém a seqüência GATC não metilada. 3. DNA-polimerase preenche a fenda, substituindo a base mal pareada pela correta. # Modificações na adenina da seqüência GATC por metilases farão com que a enzima de correção não mais atue (não ocorrendo a excisão).
Reparo sujeito ao erro Existem ocasiões em que o dano no DNA é tão extremo que não há maneira de os mecanismos celulares de reparo corrigirem de forma precisa o erro perda completa de um par de bases # Qual base deve ser inserida no local lesado? Sistema de Reparo Sujeito ao Erro qualquer uma das bases é inserida no local lesado a fim de garantir a continuidade do processo replicativo # possível indutor mutagênico (3/4 75%) Ainda assim, é mais vantajoso para a célula a incorporação de uma base errada do que não replicar mais.
Reparação do DNA Reparação de Bases Malpareadas N 6 -Metiladenina (GATC) Padrão de metilação Replicação Divisão Celular Metiltransferase de Manutenção Metilação
Reparação do DNA Reparação de Bases Malpareadas: Sistema Mut 1. MutS pb malpareado 2. Reconhece sítio do erro 3. MutL se liga a MutS 4. Deslizamento até GATC (ATP) 5. MutH Reconhece GATC 6. Cliva: GATC até o malpareamento 7. Remoção da fita clivada (SSB) 8. Síntese e ligação da nova fita
Reparação do DNA Sistema de Reparação por Resgate 1. Dano impede a replicação 2. Cópias com lacuna no sítio lesado 3. Resgata-se a seqüência da fita normal 4. A lacuna da fita lesada é preenchida 5. A lacuna da fita normal é repolimerizada
Conclusão Mutação: Alteração do código genético Efeito benéfico x Efeito maléfico Mutações cromossômicas numéricas/estruturais Mutações gênicas (Nível molecular) Mecanismos de reparação de erros Sistemas enzimáticos complexos que removem vários tipos de erros Manutenção da integridade do DNA