Muta

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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.
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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.

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Mutação
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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.

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Mutação
Síntese de Proteína
Mutação pode alterar a síntese protéica
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Mutações
Classificação Geral

• Mutação Cromossômica Número ou Estrutura
• Mutações Gênicas Genes individuais

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

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2
3
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Classificação das Mutações
Quanto à Natureza

1. Mutação espontânea
2. Mutação induzida

Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x
Carcinogênese
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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
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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)

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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

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Rearranjos Cromossômicos
1. Inversões Paracêntricas ou Pericêntricas
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Rearranjos Cromossômicos
2. Deleção Terminal ou Intersticial
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Rearranjos Cromossômicos
3. Translocação Recíproca ou Robertisoniana
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Rearranjos Cromossômicos
4. Duplicação x Replicação
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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.

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Mutação Molecular
Modificações Tautoméricas
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Mutação em Nível Molecular
Transversão
Transição
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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).

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Mutação em Nível Molecular
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Mutação em Nível Molecular
Alteração do Quadro de Leitura (Frameshift)
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Mutação em Nível Molecular
Deleção
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Mutação em Nível Molecular
Inserção
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Mutação em Nível Molecular
Sentido Trocado (Missense)
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Mutação em Nível Molecular
Sem Sentido (Nonsense)
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Mutação em Nível Molecular
Expansão de Repetição
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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.

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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.

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Mutação por Radiação
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Acidentes Radioativos
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Aberrações Estruturais
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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.

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Mutação por Radiação
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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

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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

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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

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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.

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Reparação do DNA
Reparação por Fotorreatividade Enzimática

• Fotorreativação

1. Fotoliase reconhece e se liga ao dímero
2. Absorção de luz ? Conversão em monômeros

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Reparação do DNA
Reparação de Bases Alquiladas

• Ação de enzimas específicas O6-Metilguanina-metil
  transferase

CH3-Cys-Enzima

• Não há meios de recuperar a enzima metilada
  (necessidade de novas enzimas para cada
  grupamento metil removido).

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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

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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

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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

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Reparação do DNA
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Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Base
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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

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Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN)
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Reparação do DNA
REN Sistema Uvr (E. coli)
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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

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Reparação do DNA
Sinalização por metilação de sítios específicos
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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).
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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)

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Reparação do DNA
Reparação de Bases Malpareadas

• N6-Metiladenina (GATC)

Padrão de metilação
Divisão Celular
Metilação
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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

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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

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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