Pós-Graduação em Genética
Mutagênese e Mutagênese e Instabilidade GenéticaInstabilidade Genética
Disciplina: Genética Humana MolecularDocente responsável: Profa. Dra. Ana Elizabete Silva
Dra. Fernanda da Silva Manoel CaetanoPós-doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Genética
Dra. Fernanda da Silva Manoel CaetanoPós-doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Genética
Células germinativas: Mutação herdável
Células somáticas: Mutação somática
Espontâneas: Ocorrência natural Erros na replicação: pareamento errôneo durante a síntese do DNA levando à substituição de bases - mudança tautomérica, transições, transversões, mudança de matriz de leitura, deleções e duplicações Lesões espontâneas - desaminação; depurinação; dano oxidativo
Induzidas: Agentes mutagênicosAgentes físicosAgentes químicosAgentes biológicos
• Erros na replicação do DNA: – Cada uma das bases no DNA pode se apresentar
como tautômeros (isômeros que diferem nas posições e nas ligações entre seus átomos
– forma ceto de cada base está normalmente presente no DNA
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Erros na replicação do DNA: – Formas imino e enol das bases são raras– Mudança tautomérica: pareamentos errados que
resultam da mudança de um tautômero para outro
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Erros na replicação do DNA: – Mutação por mudança tautomérica
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Erros na replicação do DNA
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Erros na replicação do DNA Mutação frameshiftMutação frameshift
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Erros na replicação do DNA– Deleções e duplicações
ocorrem geralmente em sequências repetidas
– Grandes duplicações geram múltiplas cópias de genes
– Grandes deleções removem genes do genoma
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
• Lesões espontâneas
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
Interrupção da ligação glicosídica entre a base e o açúcar e perda de uma G ou A
• Lesões espontâneas– Dano oxidativo
Transversão G T
Mutações espontâneas
Mutações espontâneas
Mutações induzidasMutações induzidas
Agentes Mutagênicos
Agentes Mutagênicos
MUTÁGENOS FISICOSMUTÁGENOS FISICOS
Radiações ionizantes: raios X, radiações alfa, beta e gamaMutações cromossômicas (deleções e translocações)
Radiações não-ionizantes: luz UVFormação de dímeros de pirimidina
Agentes MutagênicosMUTÁGENOS QUÍMICOSMUTÁGENOS QUÍMICOS
Ácido nitroso: desaminação de A e CIncorporação de bases errôneas durante a replicação
Agentes intercalantes : acridina orange, brometo de etídio...Intercalam entre 2 pb dando origem à inserções ou deleções de 1 pb
Análogos de base: 5-BU, 2-APSubstituição de bases provocando transições
Agentes alquilantes: EMS, NGAdição de grupos etil ou metil às bases
Agentes Mutagênicos
MUTÁGENOS BIOLÓGICOSMUTÁGENOS BIOLÓGICOS
Vírus: HPV, Hep. B
TransposonsAlteram as sequências do material genético do hospedeiro
HPV
HBV
AGENTES MUTAGÊNICOS
AGENTES MUTAGÊNICOS
CARCINÓGENOSCARCINÓGENOS CÂNCER
Divisão celular controlada
Divisão celular controlada
Genes de controle do ciclo celular
Divisão celular descontroladaDivisão celular descontrolada
Novas substâncias químicas são produzidas a cada ano
Sociedade moderna depende do uso extensivo de químicos
Indústria e agricultura
Mutagenicidade e carcinogenicidade devem ser testadas
Teste de Ames para mutagenicidade• 1970: Bruce Ames forte correlação entre a
habilidade de compostos causar câncer e sua habilidade para causar mutações
– medida das taxas de mutação em sistemas bacterianos seria eficiente para avaliar a mutagenicidade de compostos
– nem todos os carcinógenos sozinhos são mutagênicos, porém alguns metabólitos de carcinógenos produzidos no corpo por reações enzimáticas no fígado são agentes mutagênicos: tais reações enzimáticas não aconteceriam em bactérias
Teste de Ames para mutagenicidade
http://mbioscience.com/ames-test.html
• método rápido, sensível e barato• utilizado para identificar químicos que possam ser carcinogênicos
Fontes de danos no DNAFontes de danos no DNA
Falhas em algumas destas vias
INSTABILIDADE GENÔMICAINSTABILIDADE GENÔMICA
Sancar et al., 2004
LESÕES NO DNA E MECANISMOS DE REPAROLESÕES NO DNA E MECANISMOS DE REPARO
Reparo por Excisão de Base – Base Excision Repair (BER)Reparo por Excisão de Base – Base Excision Repair (BER)
• Depois da leitura de prova (DNA proofreading) pela DNA polimerase, é o mecanismo de reparo mais importante para a remoção de bases danificadas ou incorretas.
• Sistema de reparo que depende da complementariedade da fita molde.
Base Excision Repair (BER)Base Excision Repair (BER)
http://www.nature.com/emm/journal/v46/n7/fig_tab/emm201442f3.html
Reparo por Excisão de Nucleotídeo – Nucleotide Excision Repair (NER)Reparo por Excisão de Nucleotídeo – Nucleotide Excision Repair (NER)
• Principal sistema de reparo para a remoção de lesões volumosas no DNA formadas pela exposição à radiação ou químicos
• Reparo por excisão de nucleotídeo acoplado à transcrição (TC-NER): repara regiões transcritas de DNA e é ativado por complexos de transcrição paralisados
• Reparo genômico global (GGR): corrige lesões em qualquer lugar do genoma e é ativado por forquilhas de replicação paralisadas
Nucleotide Excision Repair (NER)Nucleotide Excision Repair (NER)La
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Chr
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n 20
12 5
:4
doi:1
0.11
86/1
756-
8935
-5-4
Reparo de mal pareamento – Mismatch repair )MMR)Reparo de mal pareamento – Mismatch repair )MMR)
• Principal via que corrige erros remanescentes da replicação
• Reduz a taxa de erro para 10-9 : reconhece e repara bases mal pareadas e pequenos loops causados por inserção e deleção de nucleotídeos durante a replicação
• 3 passos:– reconhecimento dos pares de base mal pareados– determinação de qual base do par está errada– excisão da base incorreta e síntese de nova base
E. coli
http://gizmodo.com/dna-repair-earned-the-nobel-prize-in-chemistry-and-her-1735347676
Junção de extremidades não-homólogas – Nonhomologous end joining (NHEJ)
Junção de extremidades não-homólogas – Nonhomologous end joining (NHEJ)
Gent and Burg, 2007
• Sistema de reparo propenso a erro
• Ativado quando fitas não danificadas ou cromátides-irmãs não estão presentes
Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR)Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR)
http://mpmp.huji.ac.il/maps/dsbRecomb.html
Mecanismo livre de erro
Ativado quando DSBs ocorrem após a replicação de uma região cromossômica de uma célula em divisão
DOENÇAS HUMANAS HEREDITÁRIAS COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA
DOENÇAS HUMANAS HEREDITÁRIAS COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA
XERODERMA PIGMENTOSUM (XP)
• indivíduos extremamente sensíveis à luz do sol• risco elevado de desenvolver câncer de pele• deficiência de reparo de dano no DNA induzidopor UV (dímeros de T) - NER• resulta de defeitos de qualquer um de 8 genes diferentes (XPA, XPB, XPC, XPD XPE, XPF, XPG e XPV)• ~30% dos indivíduos XP desenvolvem anormalidades
neurológicas progressivas
SÍNDROME DE COCKAYNE (CS)
• defeitos nos genes CSA e CSB (TCR-NER)• indivíduos com CS exibem sensibilidade à luz UV (sem risco
para câncer de pele), retardo do crescimento e das habilidades mentais e envelhecimento precoce
TRICOTIODISTROFIA
• defeitos nos genes TTDA, XPB, XPD (TCR-NER)• indivíduos exibem baixa estatura, cabelos frágeis e pele
escamosa, sensibilidade à luz UV, distúrbios neurológicos e retardo mental
ANEMIA DE FANCONI (FA)
• células dos indivíduos com FA exibem defeitos na remoção de ligações cruzadas inter-cadeia no DNA (inter-stand cross-links) formadas pelo antibiótico mitomicina C, por ex.
• envolve 8 genes (FANCA-FANCH) em 5 cromossomos diferentes
• início dos sintomas: 5-10 anos• mais frequente em homens (2:1)• baixa estatura• hiperpigmentação da pele (manchas “café com leite”• ausência do polegar ou do rádio, hipogonadismo, distúrbios
renais, anomalias oculares, microcefalia, deficiência mental
• células de pacientes com AT exibem sensibilidade anormal à radiação ionizante
• ataxia cerebelar (12-14 meses); disfunção neuromotora
• telangiectasia olhos e pele (3 e 5 anos)
• retardo de crescimento (70%)
• incidência neoplasias (linfoma e leucemia linfóide) e imunodeficiências
• incidência: 1/40.000
• risco câncer de mama (heterozigotos AT)
• células AT: rearranjos espontâneos dos cromossomos 7 e 14
ATAXIA TELANGECTASIA (AT)
ATAXIA TELANGECTASIA (AT)
• mutações no gene ATM (11q22-23)
http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n3/fig_tab/nrg0301_196a_F2.html
• peso ao nascimento
•retardo de crescimento pré e pós-natal
•telangiectasias e fotossensibilidade (borboleta)
•cabeça alongada, microcefalia, inteligência normal
•imunodeficiência: infecções (respiratórias e gastrointestinais)
SÍNDROME DE BLOOM (SB)
• Incidência: 1/58.000 judeus
(Ashkenazi)
• Cromossomos em
figuras quadrirradiais
• mutações no gene BLM (15q26.1) • DNA helicase ( RecQ) papel na replicação e reparo do DNA
Risco maior de câncer: carcinomas, Leucemias e linfomas
SÍNDROME DE BLOOM (SB)
Por quê indivíduos com algumas destas doenças hereditárias com defeitos
no reparo do DNA apresentam risco elevado de desenvolver alguns tipos
de câncer
Por quê indivíduos com algumas destas doenças hereditárias com defeitos
no reparo do DNA apresentam risco elevado de desenvolver alguns tipos
de câncer
Instabilidade Genética – uma característica evolutiva do câncer
Instabilidade Genética – uma característica evolutiva do câncer
• Formas de instabilidade genética em câncer– instabilidade cromossômica (aberrações
numéricas e estruturais)– instabilidade de microssatélite (expansão ou
contração de repetições de oligonucleotídeos em sequências de microssatélite)
– frequência aumentada de mutações de pares de base
Formas de instabilidade genética em cânceres
hereditários
Mutações em genes de reparo do DNA
Fornece suporte para a “hipótese do mutador”
A instabilidade genética está presente em lesões pré-cancerosas e direciona o
desenvolvimento do tumorPor aumentar a taxa de mutação
espontânea
A instabilidade genética está presente em lesões pré-cancerosas e direciona o
desenvolvimento do tumorPor aumentar a taxa de mutação
espontânea
Instabilidade genética em leões pré-
cancerosas
Instabilidade genética em leões pré-
cancerosas
Mutações em genes “guardiões” (caretaker genes)
Genes que funcionam primariamente para manter a
estabilidade genômica (TP53, ATM)
Genes que funcionam primariamente para manter a
estabilidade genômica (TP53, ATM)
TP53 e ATM - Resposta aos danos no DNATP53 e ATM - Resposta aos danos no DNA
http://clincancerres.aacrjournals.org/content/14/13/4032/F1.expansion.html
CÂNCERES HEREDITÁRIOS
Mutações na linhagem germinativa tendo como alvo genes de reparo estão presentes em todas células do corpo do paciente
Um único evento (perda do alelo selvagem remanescente) levaria à instabilidade genômica e direcionaria o desenvolvimento do tumor (hipótese do mutador)
http://sphweb.bumc.bu.edu/otlt/MPH-Modules/PH/PH709_Cancer/PH709_Cancer4.html
DNA DAMAGE RESPONSE - DDR
• DDR pode sofrer regulação pós-transcricional por miRNAs• miRNAs podem reduzir direta ou indiretamente a expressão
de genes de resposta aos danos no DNA
http:
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full/
ncb0
309-
228.
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lBiogênese de miRNABiogênese de miRNA
Liu and Lu, 2012
miRNAs na DDRmiRNAs na DDR
• Defeitos na DDR e repressão global de miRNA são atualmente
consideradas características de muitos tipos de câncer humano
• Várias proteínas cruciais da via DDR são reguladas por miRNAs
• miRNA regulados pela DDR e miRNAs que regulam os genes da DDR
estão envolvidos na iniciação e progressão da tumorigênese
• podem fornecer uma nova visão para a sensibilidade ou resistência
das células cancerosas às drogas genotóxicas e possivelmente levar
ao desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas
Han et al., 2012
2015 Nobel Prize in Chemistry for Understanding DNA RepairTomas Lindahl Francis Crick Institute and Clare Hall Laboratory, Hertfordshire, UK (via BER)
Paul ModrichHoward Hughes Medical Institute and Duke University School of Medicine, Durham, NC, USA (via MMR)
Aziz SancarUniversity of North Carolina, Chapel Hill, NC, USA (via NER)
“for mechanistic studies of DNA repair"