Mutação e Reparação do DNA

1. Mutação e Reparaçãodo DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Mutação e Reparaçãodo DNA Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc. Prof. Antonio Márcio Teodoro Cordeiro Silva, M.Sc.

2. 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. • Atualmente, o termo mutação tem sido utilizado quando da presença de alterações detectadas em nível de genes individuais.

3. Mutação

4. 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.

5. Mutação Síntese de Proteína Mutação pode alterar a síntese protéica

6. Mutações Classificação Geral • Mutação Cromossômica: Número ou Estrutura • Mutações Gênicas: Genes individuais

7. Mutação: Bom ou Ruim? A mutação é a fonte básica de toda variabilidade genética, fornecendo a matéria-prima para a evolução

8. Processo Evolutivo Mutação como fonte de variabilidade Recombinação: Rearranjos  Novas combinações Seleção Natural  Preserva as combinações mais adaptadas Ausência de Mutação  Genes com apenas uma forma 1 2 3

9. Classificação das Mutações Quanto à Natureza Mutação espontânea Mutação induzida Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x Carcinogênese

10. Aneuploidia Número de cromossomos difere da espécie 1. Monossomia: 2n – 1 2. Trissomia: 2n + 1 3. Nulissomia: 2n – 2 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

11. 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)

12. 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

13. Rearranjos Cromossômicos 1. Inversões: Paracêntricas ou Pericêntricas

14. Rearranjos Cromossômicos 2. Deleção: Terminal ou Intersticial

15. Rearranjos Cromossômicos 3. Translocação: Recíproca ou Robertisoniana

16. Rearranjos Cromossômicos 4. Duplicação x Replicação

17. 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.

18. Mutação Molecular Modificações Tautoméricas

19. A – TT – A C – GG – C A – T T – A C – G G – C Mutação em Nível Molecular Transversão Transição

20. 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).

21. Mutação em Nível Molecular

22. Mutação em Nível Molecular Alteração do Quadro de Leitura (Frameshift)

23. Mutação em Nível Molecular Deleção

24. Mutação em Nível Molecular Inserção

25. Mutação em Nível Molecular Sentido Trocado (Missense)

26. Mutação em Nível Molecular Sem Sentido (Nonsense)

27. Mutação em Nível Molecular Expansão de Repetição

28. 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.

29. 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.

30. Radiação ionizante  Efeito direto Efeito indireto Radiação ionizante H2O H + OH Mutação por Radiação

31. Acidentes Radioativos

32. Cariótipo - Metáfase Aberrações Estruturais

33. 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.

34. Mutação por Radiação

35. 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

36. 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

37. Reparação do DNA Tipos de Reparação do DNA Reparação por fotorreatividade enzimática Reparação de bases alteradas Reparação por excisão de base Reparação por excisão de nucleotídeos Reparação de bases malpareadas Sistema de reparação por resgate

38. 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.

39. Reparação do DNA Reparação por Fotorreatividade Enzimática • Fotorreativação Fotoliase reconhece e se liga ao dímero Absorção de luz  Conversão em monômeros

40. Reparação do DNA Reparação de Bases Alquiladas • Ação de enzimas específicas: O6-Metilguanina-metiltransferase CH3-Cys-Enzima • Não há meios de recuperar a enzima metilada (necessidade de novas enzimas para cada grupamento metil removido).

41. 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

42. 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 • Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima uracil-DNA-glicosilase • Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP) • Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease

43. Reparação do DNA • Reparação por excisão de base • ■ Etapas de reparo • Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima uracil-DNA-glicosilase • Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP) • Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease • Inserção de citosina no local mutado pela enzima DNA-polimerase I • Ligação da fita corrigida pela enzima DNA-ligase

44. Reparação do DNA

45. Reparação do DNA Reparação por Excisão de Base

46. Reparação do DNA • Reparo por excisão de nucleotídeos • ■ Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN) • ETAPAS • Reconhecimento da lesão • Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta • Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão • Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde • Ligação • # reação, a princípio, livre de erro

47. 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 Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN)

48. ATP Helicase 5’  3’ 3’ (4 a 5nt) 5’ (8nt) Excisão de 12 a 13nt UvrD Reparação do DNA REN: Sistema Uvr (E. coli)

49. Enzimas de correção de erro • Algumas bases incorretamente pareadas escapam da correção realizada pela DNA-polimerase • # 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 • Reconhecimento da lesão • Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta • Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão • Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde • Ligação • # sinal que direciona o sistema de excisão do erro exclusivamente para a fita recém-sintetizada → seqüências GATC próximas ao erro

50. Reparação do DNA Sinalização por metilação de sítios específicos