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“A exata determinação das leis dahereditariedade provavelmente
trabalhe mais mudança naperspectiva do homem no mundo, eno poder dele em cima de natureza,
que qualquer outro avanço emconhecimento natural que pode ser
previsto claramente.”(William Bateson, 1900)
TodaToda ee qualquerqualquer alteraçãoalteração qualitativaqualitativaouou quantitativaquantitativa nono materialmaterial genéticogenético
MutaçãoMutação
Fonte primária da variação genéticaFonte primária da variação genética
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GenéticaGenética
Morgan (1909) e Muller (1927)Morgan (1909) e Muller (1927)
Modelos biológicosModelos biológicos
Genética ToxicológicaGenética Toxicológica
Tipos de MutaçõesTipos de MutaçõesGerminal– Ocorre durante a meiose– Afeta todas as células no embrião feito a partir
de um gameta com mutação
Somática– Ocorre durante as mitoses– Só afeta as células filhas da célula somática– Câncer
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MutaçãoMutaçãoSomatica x GerminativaSomatica x Germinativa
Fig. 15-3
Mutações podem ocorrer tanto em tecidos somáticosquanto em tecido germinal, mas somente as mutações
germinativas podem passar para a descendência
Qual outro mecanismoalém da mutação podemodificar a “aparência”de um tecido somático?
MutaçãoMutaçãoSomatica x germinativaSomatica x germinativa
O alelo mutante surgiu na parede do ovário de uma flor; assementes não seriam mutantes
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É difícil distinguir mutações somaticasÉ difícil distinguir mutações somaticasde eventos dede eventos de recombinação mitóticarecombinação mitótica
A mutação somática é a principal explicação se oorganismo for altamente endogâmico
O tamanho de uma mutaçãoO tamanho de uma mutaçãosomática depende de quando osomática depende de quando oevento mutacional ocorreuevento mutacional ocorreu
Normalmente nós só podemos ver os efeitos de mutaçõessomáticas que ocorreram no estágio embrionário.
Exceção: qualquer mutação somática que faça um grupo decélulas crescer mais rápido ou mais extensamente do que oselvagem.
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Características das MutaçõesCaracterísticas das Mutações
RarasRaras
CasuaisCasuais
Deletérias (a maioria)Deletérias (a maioria)
Recessivas (a maioria)Recessivas (a maioria)
Origem das mutaçõesOrigem das mutações
Espontânea – ocorre naturalmente (e.x.erros na replicação do DNA, lesõesespontâneas e elementos transponíveis)
Induzida – criada por mutágeno
Mutações ocorrem numa taxa alta se elassão induzidas por mutágeno.
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O que causa as mutações espontâneas ?O que causa as mutações espontâneas ?
São elas produzidas emresposta às necessidades
fisiológicas criadas por umamudança no ambiente ?
OU
Elas ocorrem aleatoriamente ?
Expected outcomes to answer this question:
Fig. 15-21
TesteTeste dada FlutuaçãoFlutuação (Luria and(Luria andDelbruck, 1943)Delbruck, 1943)
Esses modelos possuem diferentes predições a cerca das culturasindivíduais vs. culturas massais
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Mecanismos de mutaçõesMecanismos de mutaçõesespontâneasespontâneas
Erros na replicação do DNA- substituição espontânea de bases- mudanças na matriz de leitura
Lesões espontâneas- depurinação, desaminação
(desaminação de C gera U), basesdanificadas oxidativamente
Taxas de mutaçãoTaxas de mutação
Variam grandemente entre:– Espécies– Genes– Locos– Ambientes
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Medidas pelos efeitos fenotípicos emhumanos:– Taxa de 10-6 a 10-5 / gameta / geração
Número Total de genes ?– Cerca de 30.000 a 40.000– Pelo menos um é mutante
Taxas de mutaçãoTaxas de mutação
Taxa do vírus do HIV–AIDS :– 1 erro a cada 104 a 105 pb
Tamanho do genoma do vírus:– Cerca de 104 to 105 pb
1 mutação / replicação
Taxas de mutaçãoTaxas de mutação
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TaxasTaxas dede mutaçãomutação altasaltas
LevaLeva aa umauma altaalta cargacarga genéticagenética
SexoSexo podepode ser umser um meiomeio dede eliminareliminarouou reduzirreduzir aa cargacarga genéticagenética
Taxas de mutaçãoTaxas de mutação
Nível de mutaçãoNível de mutação
Molecular– Substituição de bases– Adição de bases– Deleção de bases
Cromossômico– Mudanças estruturais– Mudanças numéricas
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Mutação gênicaMutação gênica
1. Substituição de basesA. TransiçãoB. Transversão
2. Análogos de bases
3. Adição e Deleção de bases
Mudança Tautomérica nas bases durante a replicaçãoMudança Tautomérica nas bases durante a replicação
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Mutação ao nível molecularMutação ao nível molecular
GCTATGCTCGATACGA
Mutação (espontânea ou induzida) pode ser considerada umprocesso de dois passos:
GCTATGCTCGATCCGA1
Primeiro, um erro é introduzido em uma das fitas do DNA.
GCTAGGCTCGATCCGA
GCTATGCTCGATACGA
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Segundo, o erro é “ratificado” durante a síntese do DNA.
THE ONE BIG FLY HAD ONE RED EYENormalExemploTipo de mutação
THE ONE BIG FLY FLY FLY HAD ONE RED EYEgeração 3
THE ONE BIG FLY FLY HAD ONE RED EYEgeração 2
THE ONE BIG FLY HAD ONE RED EYEgeração 1
Expansão
THE ONE BIG FLY FLY HAD ONE RED EYEDuplicação
THE ONE BIG WET FLY HAD ONE RED EYEInserção
THE ONE BIG HAD ONE RED EYEDeleção
THE ONE QBI GFL YHA DON ERE DEYMud. Leitura
THE ONE BIGSem sentido
THQ ONE BIG FLY HAD ONE RED EYECom sentido
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Substituição de BasesSubstituição de Bases
Transições são mais comuns do que as transversões,pois causam menos instabilidade na hélice do DNA
Adição ou Perda de BasesAdição ou Perda de Bases
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MutaçãoMutação silenciosasilenciosaSubstitue-se a base mas não altera a seqüência de
a.a. da proteína codificada por um gene
AX
UX
3’ - …TAC GAG ACC… - 5’DNA
mRNA 5’ - …AUG CUC UGG… - 3’
Seq a.a. met - leu - trp
Permanece o mesmo
Mutação de ponto com sentidoMutação de ponto com sentido
um a.a. muda como um resultado de uma mudança nocódonAnemia falciforme resulta de uma simples substituição deum a.a. na hemoglobina
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Mutações de Ponto podem alterar aMutações de Ponto podem alterar aExpressão GênicaExpressão Gênica
Mutações no Promotor: podem bloquear atranscrição
3’-…ACCGCCACTATTACCAACGTACATACAAAGAAGAGTC…-5’
promoter region
(upstream) (downstream)site 1 +9-10
gene (coding region)
templatestrand
GX
Mutações em sítios splicing: podem bloquear ou criar um novosinal de splicing
exon1 intron exon2 intron exon3DNA
(mature) mRNA
splice splice
exon1 exon2 exon3
exon1 intron1 exon2 intron2 exon31º transcript
DNA mutations can cause:
exon1 intron1 exon2 exon3mRNAor
exon1 exon2 exon3
deletion
mRNA
Mutações de Ponto podem alterar aMutações de Ponto podem alterar aExpressão GênicaExpressão Gênica
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Elementos Transponíveis (Transposons)Elementos Transponíveis (Transposons)Encontrado em Pro e EucariotoMantêm-se por si mesmo através de replicação e transposiçãoDireciona formas repetidas no DNA
transposição:movimento
de umcromossomopara outro
transposase:Cataliza omovimentode entradae sáida do
cromossomo
transposon quebra a seqüência gênica
Ac / Ds Transposons em Milho
Dissociação de transposongene de cor púrpura Ativador de transposon
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Transposons em Humanos
• 45% do genoma humano consiste de transposons
• diferenças em grandes seqüências entre cópias sugere baixataxa de transposição
• Elements Alu: rica em G+C, pode ter algum papel benéfico
•Elementos SINE: transcrito quando sob stress
& ajuda a promover a tradução
Hot spot em no geneHot spot em no gene lacI da E. colilacI da E. coli
Repetição de CTGG éaltamente suscetível ase expandir e secontrair.
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Efeitos das MutaçõesEfeitos das Mutações
Morfológicos
Bioquímicos
Letais
Silenciosos
Como as mutações podem levar a grandesComo as mutações podem levar a grandesmudanças ?mudanças ?
Acúmulo de várias pequenas mutações,cada uma com pequenos efeitos
Acúmulo de várias pequenas mutações,cada uma com grandes efeitos
Uma mutação com um largo efeito
Mutações numa sequência regulatória (afeta
regulação do desenvolvimento)
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Alelo selvagem Alelo nulo (perda de função)
Alelo fraco Alelo de ganho de função
Mutações gênicas (mundança funcional)
Mudanças nas proteínasMudanças nas proteínas1. Mutação silenciosa GCA (Ala) GCG (Ala)2. Mutação com sentido
A. ConservativaGCA (Ala) GGA (Gly)
B. Não conservativa )GGT (Gly) TGT (Cys)
3. Mutação sem sentidoTAC (Tyr) TAA (STOP)
4. Mudança na leitura (frequentemente leva aterminação prematura)GCA TGT (Ala, Cys,…) GCA TTG T (Ala, Leu,…)
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Direção da mudança mutacionalDireção da mudança mutacional
Nós podemos distinguir mutações para frente ereversa comparando com o tipo selvagem:
Mutações ReversasMutações Reversas
Exata:AAA (Lys) GAA (Glu) AAA (Lys)
Equivalente:UCC (Ser) UGC (Cys) AGC (Ser)CGC (Arg, básica) CCC (Pro) CAC (His,
básica)
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MutágenoMutágeno
Mutágenos são agentes queaumentam a taxa de mutação(normalmente baixa)
Podem ser descobertos por técnicasde screening em diplóides ehaplóides
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MutágenosMutágenos
Mutágenos podem causar mutações por substituição de base,adição ou deleção de base ou dano nas bases
Bases análogas (e.x. 5-BU) – podem parear com diferentes basesdependendo do estado químico
Agentes alquilantes (e.x. EMS, NG) – adicionam grupos alquila embases causando erro no pareamento
Agentes intercalantes (e.x. proflavina, acridina laranja, compostoICR) – inserem-se no DNA causando adições e deleções
Dano na base (e.x. luz UV, aflatoxina B1) – bloqueia a replicaçãointerferindo com o pareamento de bases
Just as each type of spontaneous mutation causes a specificchange to the DNA, so each mutagen-induced mutation causes aspecific type of change.
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Experimento de Seleção com MicroorganismoExperimento de Seleção com Microorganismo
Reversão de auxotrofia
Resistência à agentes tóxicos (e.x. antibióticos, fagos)
Descobrindo mutágenos com umDescobrindo mutágenos com umteste de reversãoteste de reversão
Uso de linhagensauxotróficas commutações conhecidas(TA100 é sensível àreversão porsubstituição de bases;TA1535 e TA1538 sãosensíveis à reversãopor mutação demudança de leitura).
Como somente a TA100 é revertida pela aflatoxina B, AFBdeve causar somente susbtituição de bases, e nãomudança de leitura.
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Análise Sistemática de mutaçõesAnálise Sistemática de mutações
Teste de loco específico de Stadler(1920)
– Grão de milho são triplóides - doisalelos da fêmea, um do macho.
– Cruzando milho macho colorido (C/C)com milho fêmea branco (c/c):normalmente, todos grãos serãocoloridos (C/c/c)
– Mutantes raros no macho (C c)resultará em grãos brancos (c/c/c)
– análogo a um cruzamento-teste
Ensaio em diplóideEnsaio em diplóide
A freqüência de letal ligado ao X aumentatratando com mutágeno ?
C+ + B+ / Y macho X C B / C+ + B+ fêmea
F1 Filhas com olhos em barra (B)
C B / C+ + B+ fêmeas (maioria)cruzadas individualmente
com macho normal
C B / m fêmea (rara)Cruzadas individualmente
com macho normal
C B / Y machos(todos mortos)
C+ + B+ / Y males(vive)
C B / Y males(todos mortos)
m / Y males(todos mortos)
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Letal recessivoLetal recessivo
Mutagênese induzida por radiaçãoMutagênese induzida por radiação
Tipo de radiação
Percentagem de macho contendoletais recessivo no cromossomo Xapós uma dose de 1000 roentgens
Luz visível (espontânea) 0.15
Raio X (25 Mev) 1.70
Raios , , X duro 2.90
Raio X leve 2.50
Neutrons 1.90
Raio 0.84
(Mueller, 1928)
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Mutagenicidade e carcinogenicidadeMutagenicidade e carcinogenicidadeMutágenos são compostos que causam mutações
Carcinógenos são compostos que causam câncer
90% dos carcinógenos são também mutágenos
Testes de mutagenicidade são mais fáceis do que osde carcinogenicidade por isso a maioria doscompostos são somente testados paramutagenicidade (e.x. Teste de Ames)
CarcinogênicidadeCarcinogênicidade
Câncer multifatorialCâncer multifatoriala) protoa) proto--oncogenes entrada em G1oncogenes entrada em G1b) supressão tumoral crescimentob) supressão tumoral crescimento
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Mutagênicos químicos na comidacontribuem para 35% dos
cânceres!
aditivos e conservantesaditivos e conservantesfertilizantes e pesticidasfertilizantes e pesticidascosméticoscosméticosremédios, chás, etcremédios, chás, etc
Mutágeno SourceAflatoxina B Fungo de amendoim e
outras comidas2-amino 5-nitrofenol Tintura de cabelo2,4-diaminotolueno Tintura de cabeloFurylfuramida Aditivo de comidaNitrosaminas Cigarros, pesticidasProflavina Anti-séptico VeterinárioNitrato de Sódio Carnes defumadasTris (2,3-dibromopropylphosphate)
Flame retardant inchildren’s sleepwear
Radiação UV Luz solar, bronzeador artif.Raios X Radiologia
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Câncer podeaparecer a partirde mutaçõessomáticas
(Cancer Genetics de 28 Abril)
Permite descoberta de umcomposto(X) que émutagênico – carcinógenopotencial
Teste de AmesTeste de Ames
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Mecanismos de reparo biológico
•Prevenção de erros – superóxidodismutase e catalase•Reversão direta do dano – fotoliase + luzbranca (bactérias e eucariotos inferiores),aciltransferases, metiltransferases•Vias de excisão por reparo – DNAglicosilases, endonucleases, exonucleases•Reparo de pós-replicação
Reparo por excisãoReparo por excisãoDNA danificado éremovido pela retirada debases e trocado por umaDNA polymerase.
Reparo de excisãonucleotídica:• Substitui até 30 bases• usado no reparo de UVB ealguns carcinógenos
Reparo por excisão de Base:• troca de 1-5 bases• repara danos oxidativos
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Distúrbios de reparoDistúrbios de reparoDistúrbio Freqüência DefeitoAtaxia telangiectasia 1/40,000 Quinase Deficiente controla
o ciclo celularSíndrome de Bloom 100 casos
desde 1950DNA ligase inativa/ sensívelao calorReplicação lenta
Anemia de Fanconi 1/22.000 emalgumas pops.
Reparo de excisão deficiente
Cancer de cólonHerediário
1/200 Reparo mismatch deficiente
Síndrome de Werner 3/1,000,000 Helicase deficiente
Xeroderma pigmentosa 1/250,000 Reparo de excisão deficiente
Distrofia Trichothi < 100 cases Reparo de excisão deficiente
Xeroderma pigmentosaXeroderma pigmentosa
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Mutações nas genesde reparo e nos seusreguladores sãocomuns em tumores,sublinhando aimportância delas naprevenção daprogressão docâncer.
Reparo do DNA e câncerReparo do DNA e câncer
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Base da EvoluçãoBase da Evolução
Seqüência do genes (novo alelo)Organização– Nova ordem gênica– Nova combinação gênica– Novo número de cópias
Mudança na quantidade de DNA (ploidia),organização do DNA (aberraçõesnuméricas e estruturais)
Mutações e PolimorfismoMutações e PolimorfismoUma mutação é uma seqüência de DNA que
difere do tipo selvagem.
Polimorfismo indica a existência de duas oumais formas de um gene no qual nenhumaforma representa mais do que 99% dapopulação.
No geral, usa-se o termo mutação pata indicaruma mudança genética que tem um efeitodeletério e o termo polimorfismo para indicarum variante “normal” de um gene. Entretanto,alguns alelos pode inicialmente seremvariantes normais, e mais tarde contribuirpara uma doença numa outra via.
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Mutações e Variantes NormaisMutações e Variantes Normais
Gene AAlelo 1 (Normal) 99.5%Alelo 2 (Mutante) 0.5%
Gene B (Polimórfico)Alelo 1 (Nl Variante) 50%Alelo 2 (Nl Variante) 30%Alelo 3 (Nl Variante) 20%
Gene C (Polimórfico)Alelo 1 (Nl Variante) 45.5%Alelo 2 (Nl Variante) 30%Alelo 3 (Nl Variante) 15%Alelo 4 (Mutante) 0.2%Alelo 5 (Mutante) 0.3%
Mudanças Tautoméricas ocorre durante a replicação
Transições causadas por mudanças tautoméricas
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HemoglobinaHemoglobinaLinus Pauling, 1949
4 proteínas globosas emtorno de um grupo hemecom átomo de ferro: 2cadeias (141 aa) e duascadeias (146 aa)
Função é carregar o O2nas hemácias do pulmãopara todo o corpo e o CO2das células para ospulmões
CadeiaCadeia Normal da HemoglobinaNormal da Hemoglobinaseis primeiros aminoácidosseis primeiros aminoácidos
CTC
Valine Histidine Thre..
Leucine Glutamic acidProline
CAC
Valine Histidine Thre..
Leucine ValineProline
um nucleotídeo foi mudado
CadeiaCadeia da Hemoglobina Sda Hemoglobina Sseis primeiros aminoácidosseis primeiros aminoácidos
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Anemia falciformeAnemia falciforme
Aleloselvagem
Alelomutante
Fenótiposelvagem
Fenótipomutante
Por que o alelo s é mais comumPor que o alelo s é mais comumem negros do que em brancos?em negros do que em brancos?
Ancestrais dos negros viviam emáreas onde há malária
O parasita da malária não sobrevivena hemoglobina S– Sempre os Ss são imune a malária
O alelo s é benéfico num ambienteonde a malária está presente
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Síndrome do XSíndrome do X--frágilfrágil ––citologicamente= sítio frágil que resulta emcitologicamente= sítio frágil que resulta emquebrasquebras
Forma mais comum de retardo mentalherdado (1/1500 homens e 1/2500mulheres)Repetição de 3 bases, CGG – normal de6 a 54 repetições, o alelo mais freq = 29repetições
Genitores e avós = 50 a 200 repetiçõesPessoas com a doença = 200 a 1300
repetições
Variação populacionalVariação populacional