mutacion genica y reparación del dna
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Mutaciones según la casusa y la línea celularTRANSCRIPT
1ºBiotecnología (2014/15) – Genética Ángela Sánchez
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Tema 6: Mutació n ge nica y reparació n
Mutación en el DNA Reparación en el DNA
Espontánea/Inducida Directa Somática/Germinal Por escisión Aleatoria/Dirigida (test fluctuación) Postreplicativa Tasas y frecuencias de mutación Reparación homóloga Base molecular mutaciones espontáneas Reparación no homóloga Mutagénesis química y física
MUTACIÓN EN EL DNA
Mutaciones según la causa
A) Espontánea: por azar
B) Inducida: debida a agentes
Mutaciones según la línea celular afectada
- Somáticas: sin transcendencia evolutiva, mosaicos
- Germinales: trascendencia evolutiva
Aleatoria / Dirigida --> Test de fluctuación
Se demuestra que las mutaciones son preadaptativas (no adaptativas). En primer lugar se hace
crecer E. Coli en presencia de un fago, aparecerán algunas células resistentes al fago porque
habían sufrido mutaciones previas a la exposición al este. A continuación se cultivan muestras
de forma masiva y en 20 recipientes individuales que tras incubarse durante 17 generaciones
en ausencia del fago se siembran 10 placas con cada método. Los resultados eran dispares,
muchos cultivos sin bacterias resistentes y otros con muchas. Si la mutación fuese provocada
por el medio, las tasas de mutación por placa serían similares en ambas técnicas.
Tasas y frecuencias de mutación espontáneas
La frecuencia con la que un alelo salvaje presente en un locus cambia a un alelo mutante se
conoce como tasa de mutación. Puede ser que se hable de frecuencia por gen (gameto o
replicación) o por nucleótido (mucha menos transcendencia biológica). A nivel de gen la tasa
de mutación ronda los 10-4 – 10-8 mientras que a nivel de
nucleótido es más baja (10-8-10-9).
Cuando una célula muta, todas las que provienen de ella
son mutantes a menos que la mutación sea letal, se crea
así una línea de clones de la célula mutante.
𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑢𝑡𝑎𝑑𝑎𝑠
𝑑𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=
2
8
𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠=
𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 − 1=
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Mutaciones puntuales
Cuando no hay mutación, hablamos de DNA salvaje en el que los codones son para proteínas
wil-type. Las mutaciones transicionales o transversionales pueden resultar silenciosas (mismo
aa), con cambio de sentido (conservativa, degenerativa o sin sentido) o que supongan un
desplazamiento del marco de lectura (inserciones o delecciones de bases).
Las mutaciones transicionales o transversionales se producen por un cambio de base que no
afecta al número total de bases.
- Transición: cambio de una base por una del mismo tipo (A↔G, T↔C)
- Transversión: cambio de una base por una de otra categoría (A/G↔C/T)
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A) Base molecular de la mutación espontánea
1. Errores espontáneos durante la replicación
1.1 Tautomerizacion --> Transiciones (A↔G, T↔C)
1.2 Indel --> Alineamiento incorrecto
2. Lesiones espontáneas del DNA
2.1 Despurinización
2.2 Desaminación
2.3 Daño por oxidación
1. Errores espontáneos
1.1 Tautomería
Apareamiento de las bases de manera incorrecta cuando se encuentran en la transición del
isómero inestable. Las bases estables de Timina y Guanina son Ceto (Enol es la inestable), las
de Adenina y Citosina son Amino (la inestable es la Imino).
La forma mayoritaria es la estable y se
encuentra apareada con los
complementarios normales pero
puntualmente pueden encontrarse estas
formas tautoméricas (en la replicación)
tanto en el molde como en las bases que se incorporan de novo.
El papel de las formas tautoméricas es importante porque los cambios en el apareamiento de
bases tienen una transcendecia a largo plazo si se fijan como mutaciones al suceder durante la
replicación.
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1.2 Alineamiento incorrecto
Las mutaciones inserción-delección producen un desplazamiento en la pauta de lectura,
cuando se alinea incorrectamente la cadena y se produce un pequeño bucle o repliegue tienen
lugar cambios que se perpetuarán en las siguientes rondas de replicación extendiendo la
mutación. El error si está en la cadena nueva será una inserción mientras que tendrá lugar una
delección si se pierde una base de la cadena molde.
2. Lesiones espontáneas
2.1 Despurinización
Si se rompe un enlace entre el primer carbono de la
desoxiribosa y la BON queda un hueco apurínico (AP
site) que no puede hacer de molde durante la
replicación porque se introducen nucleótidos
incorrectos (normalmente Adenina), si no se repara
supone una mutación. Hay una tasa importante de
reparación en la que se reincorpora la base adecuada.
La pérdida de pirimidinas es menos frecuente pero también puede darse (lugares abásicos).
2.2 Desaminación
Una desaminación es un cambio químico producido en las BON que consiste en la pérdida de
un grupo amino, puede ser un cambio espontáneo o inducido por mutágenos.
Si encontramos un uracilo por la desaminación de una citosina se detecta por las glicosilasas y
se repara pero si no es detectado quedan alteradas las
propiedades de apareamiento y se junta con una
Adenina que en la siguiente replicación se unirá a una
Guanina. U-A->A-T en lugar del C-G inicial. Transición
(pirimidina por pirimidina).
En el propio metabolismo hay reacciones de metilación que pueden dar lugar a citosinas
metiladas (5-metilcitosina) que si sufren una
desaminación son una Timina. Esta base no será
detectada como error porque es químicamente válida
en el DNA y las consecuencias del cambio serán más
peligrosas. La desaminación original de la citosina
metilada cambia un par original C-G->T-A. Transición.
2.3 Daño por oxidación
Mutaciones por radicales libres de oxígeno o especies
reactivas de oxígeno (ROS). La Guanina se ve afectada
resultando una base que se aparea incorrectamente con
la Adenina. La timidina se convierte en glicol de timidina.
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B) Mutación inducida
Los mutagenos son aquellos agentes ambientales pueden dañar el DNA, si no se reparan los
daños son fijados y estas sustancias químicas o físicas causan mutaciones. Los mutagenos
elevan significativamente la tasa de mutación por encima de la espontánea.
- Análogo de bases
o 5-BU
o 2-AP
- Agentes químicos
o Desaminación por óxido nitroso
o Agentes alquilantes
Metansulfonato de etilo
o Agentes intercalantes
Bromuro de etidio
Naranja de acridina
Dioxina
- Agentes físicos
o Radiación no ionizante
UV
o Radiación ionizante
Rayos X, β…
Roturas cromosómicas
Apareamientos incorrectos por rotura del enlace n-glucosidico
- Análogo de bases
Los análogos de base son mutágenos que tienen una estructura similar a las bases estándar del
DNA y que también poseen la capacidad de tautomerizar. Las DNA polimerasas no son capaces
de distinguirlos y si están en la molécula que se está replicando pueden ser incorporados a la
nueva síntesis dando un apareamiento diferente.
Los más conocidos son el 5-
Bromouracilo (5-BU) y la 2-
Aminopurina (2-AP). El primero, 5-BU
es análogo de la Timina y se apareará
con Guanina/Adenina. Mutación de
transición (mismo tipo A↔G, T↔C).
La 2-AP es un análogo de la
Adenina que se aparea con
Timina o Citosina.
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- Agentes químicos
o Desaminación por óxido nitroso --> Mutaciones de transición
Las mutaciones producidas por mutágenos químicos se producen
espontáneamente y pueden causar pérdidas de grupos aminos. El óxido
nitroso puede inducir la desaminación de las bases y por tanto tras la
incorporación de bases erróneas, provocaría una mutación de transición.
o Agentes alquilantes --> Mutaciones de transición
Los agentes alquilantes son mutagenos que dan grupos alquil a las BON,
existen muchos compuestos pero en la práctica se reconocen etilantes y
metilantes. Si sucede que se replica mientras en el DNA hay una base alquilada,
el apareamiento será anormal.
EMS
El metanosulfato de etilo es capaz de
añadir un grupo etil a la Guanina y la
Timina, provocando transiciones:
G-C -->A-T
T-A-->C-G
Las células disponen de unas enzimas,
las alquil transferasas que reconocen
de manera específica estas bases
modificadas químicamente y realizan
la corrección sin cortar el DNA (esto
solo se hará en caso de haber
demasiadas alquilaciones).
o Agentes intercalantes --> Mutaciones indel y cambio de patrón de lectura
Naranja de acridina
Bromuro de etidio
Dioxina
Los agentes alquilantes son moléculas planas con dobles
enlaces conjugados que no modifican químicamente el
DNA sino que se intercalan entre bases nitrogenadas
adyacentes gracias a su estructura, esta intercalación
implica una distorsión de la doble hélice y bucles que
provocan inserciones o delecciones de algún nucleótido
de las que resulta una mutación de alineación incorrecta y patrón de lectura
cambiado. Como pueden inducir tanto delecciones como inserciones, puede
revertir su efecto reestableciendo el patrón de lectura.
- Agentes físicos
o Radiaciones no ionizantes
Rayos UV --> Dímeros de Timina
Al incidir en el DNA provocan la formación de uniones químicas entre
las bases pirimidínicas contiguas creando dímeros de pirimidina. No se
consideran mutaciones sino distorsiones de la configuración del DNA y
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pueden bloquear la replicación inhibiendo la división celular y por
tanto pueden tener consecuencias letales si inducen la muerte celular.
Para evitar que se desencadenen consecuencias letales, los dimeros
deben ser corregidos, uno de los mecanismos que se emplean son las
fotoliasas que pueden deshacer los dímeros captando un fotón. Sin
luz o en caso de las eucariotas la reparación puede realizarse por
escisión.
o Radiaciones ionizantes
Rayos X
Radiaciones α, β, γ…
Las radiaciones ionizantes tienen capacidad de penetración e ionización del
material genético, desplazan electrones de los átomos y transforman las
moléculas estables en radicales libres (ROS) + iones reactivos que alteran la
estructura de las bases (oxidándola) y rompen los enlaces fosfodiéster del
DNA.
Roturas cromosómicas: roturas de la doble cadena de DNA
El intento de reparación de estas lesiones puede producir
mutaciones cromosómicas. La rotura no viene determinada
por la cantidad de agua pero respecto a la ionización, cuanta
más agua, más generación de ROS.
Apareamientos incorrectos - Rotura del enlace n-glucosídico
Efectos tanto físicos como químicos: ionización + rotura.
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REPARACIÓN DEL DNA
Mecanismos de reparación
- Directa/Reversión
o Fotoliasa --fotoreversión--> Dímeros de pirimidina
o Alquil transferasa –elimina--> Alquilaciones (EMS, nitrosoguanidina)
- Por escisión
o BER (dependientes de homología)
Son sistemas de reparación por
escisión de bases que se encargan
de arreglar daños provocados por
metilación, desaminación,
oxidación o pérdida espontánea de
bases. En estas reparaciones es
imprescinsible la actuación de: DNA
Glicosilasas, AP Endonucleasas,
Desoxirribofosfodiesterasa,
Polimerasa y Ligasas.
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o BER (lesiones voluminosas, bloqueo de la replicación)
La reparación por escisión de nucleótidos corrige las lesiones más voluminosas
que la escisión de bases no reconoce, es el caso de las lesiones que afectan a la
doble hélice, es un ejemplo si un radical queda enganchado a una base y se
origina un bucle.
- Postreplicativa --> Reparación de emparejamientos erróneos
Este sistema de reparación de emparejamientos debería ser capaz de hacer al menos
tres cosas:
1. Reconocer pares de bases mal emparejadas
2. Determinar cuál de las dos bases del emparejamiento erróneo es la incorrecta
3. Escindir la base incorrecta y realizar la síntesis de la reparación
La nueva cadena sintetizada tiene un emparejamiento incorrecto G-T.
MutH, MutS y MutL unen el error con el sitio metilado más cercano que identificará la cadena azul como la parental (correcta)
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Una exonucleasa quita el DNA de la cadena roja entre las proteínas.
La DNA polimerasa ocupa la secuencia de DNA eliminada con la secuencia correcta.
- Homóloga/No homóloga
Los mecanismos de reparación homóloga y no homóloga se dan cuando se produce
una rotura accidental de ambas cadenas del DNA.