Prévia do material em texto
Pós-Graduação em Biociências Disciplina: Genética Humana Molecular Docente responsável: Profa. Dra. Ana Elizabete Silva Dra. Fernanda da Silva Manoel Caetano Pós-doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Biociências MUTAGÊNESE Processo que produz mutações Ambiente celular Moléculas de DNA não são absolutamente estáveis Cada par de base na dupla hélice do DNA Probabilidade de sofrer mutação • Intolerância alimentar • Suscetibilidade à infecção • Reação a medicamentos • Traços de personalidade (aptidão atlética, talento artístico Sequência de DNA nuclear é 99,5% idêntica entre dois seres humanos não aparentados. 0,5% Variabilidade geneticamente determinada Células germinativas: Mutação herdável Células somáticas: Mutação somática Mutação - Definição Mutação - Tipos ✓ Classificação das mutações gênicas 1. Mudanças na sequência do DNA - Substituições - Inserções e deleções (Indel) - Inversão 2. Mudanças Funcionais -Silenciosa -Sentido trocado -Sem sentido -Mudança de matriz de leitura 3. Mudanças Extragênicas -mudanças em regiões não- codificadoras (introns e região reguladora) ✓ Classificação das mutações gênicas 1. Mudanças na sequência de DNA Mutação de ponto 1.1. Substituições: TRANSIÇÕES TRANSVERSÕES Pirimidina para pirimidina Purina para purina Pirimidina para purina Purina para pirimidina 1.2. Inserção ou deleção: 1pb ou grandes trechos 1.3. Inversão: excisão de uma parte da dupla hélice seguida de reinserção na mesma posição, mas em orientação inversa. ✓ Classificação das mutações gênicas ✓ Classificação das mutações gênicas 2. Mudanças Funcionais: 2.1. Mutação Silenciosa – sem alteração do produto gênico ✓ Classificação das mutações gênicas 2.2. Mutação de sentido trocado (missense): O códon para um aminoácido é substituído por um códon para outro aminoácido ✓ Classificação das mutações gênicas Mutação missense – Origem mutacional da hemoglobina falciforme (hemoglobina S) ✓ Classificação das mutações gênicas 2.3. Mutação sem sentido (nonsense): O códon para um aminoácido é substituído por um códon de terminação. “proteína truncada” ✓ Classificação das mutações gênicas 2.4. Mudança da matriz de leitura: adição ou deleção de pb não múltiplos de 3 (perda completa da função da proteína normal) 3. Mutações extragênicas: 3.1. Processamento de RNA: destroem sítios de processamento de introns e de poliadenilação. 3.2. Mutações reguladoras: afetam a ligação do fator de transcrição. ✓ Classificação das mutações gênicas Mutação - Causas Replicação do DNA DNA polimerase: Fidelidade ✓ Bases moleculares das mutações gênicas NOVAS MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS INDUZIDAS 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 mutagênicos ❖ Agentes físicos ❖ Agentes químicos ❖ Agentes biológicos Mutação Espontânea Mutações espontâneas • Erros na replicação Cada uma das bases no DNA pode se apresentar como tautômeros (isômeros que diferem nas posições e nas ligações entre seus átomos • Erros na replicação do DNA: – mudanças tautoméricas: pareamentos errôneos Mutações espontâneas • Erros na replicação do DNA: – Mutação por mudança tautomérica 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 MUTAÇÃO ESPONTÂNEA LESÕES ESPONTÂNEAS MUTAÇÃO ESPONTÂNEA LESÕES ESPONTÂNEAS MUTAÇÃO ESPONTÂNEA LESÕES ESPONTÂNEAS • Lesões espontâneas – Dano oxidativo Mutações espontâneas Pareia erroneamente com A, resulta em transversão G → T PREVENÇÃO DE ERROS • Alguns sistemas enzimáticos neutralizam compostos potencialmente danosos, antes que reajam com o DNA • Exemplos: desintoxicação de radicais superóxido produzidos durante os danos oxidativos • a- Enzima superóxido dismutase catalisa a conversão dos radicais superóxido peróxido de hidrogênio • b- Enzima catalase converte peróxido de hidrogênio em água MUTAÇÕES INDUZIDAS – Agentes mutagênicos Agentes químicos: •Análogos de bases •Alquilantes (metilação) •Desaminantes •Intercalantes Agentes físicos: •Radiação UV •Radiação ionizante: raios X, gama Agentes biológicos: •Vírus mutação insercional MUTAÇÕES INDUZIDAS AGENTES FÍSICOS •Radiação ultravioleta •Radiação ionizante AGENTE FÍSICO RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA Absorção da luz UV (200-400nm) Estado excitado de uma base púrica ou pirimídica Ligação covalente entre duas pirimidinas adjacentes Anel ciclobutano: • dímeros de timina (TT) → mais estável • dímeros menos estáveis: CT, CC, TU e UU RADIAÇÃO IONIZANTE raios cósmicos, elementos radioativos naturais (rádio, plutônio, C14 e H3), raios X, gama e beta, etc Expulsão de um ou mais elétrons → íons ou radical livre instável Podem induzir lesões no DNA (quebras→ deleções, duplicações, inversões e translocações) Máquinas de raios X Testes com bombas atômicas Acidentes c/radiação Radiação , e de isótopos radioativos Resíduo e lixo radioativo Acidente de Goiânia com césio-137 - 2º maior acidente radiológico do mundo ocorrido em 13 de setembro de 1987; - Marcou a história dos moradores de Goiânia, deixando quatro mortos e 249 contaminados. Dois catadores de recicláveis acharam um aparelho de radioterapia abandonado, desmontaram e o venderam a um ferro- velho de Goiânia. Continha um pó de coloração azul césio-137 Aparelho de radioterapia abandonado no desativado Instituto Goiano de Radioterapia (IGR). MUTAÇÕES INDUZIDAS AGENTES QUÍMICOS •Bases análogas •Agentes alquilantes- Metilação •Agentes desaminantes: Desaminação •Agentes intercalantes: Intercalação Atuam por 3 mecanismos diferentes: ✓Mecanismos de indução de mutação 1. SUBSTITUIR UMA BASE DE DNA 2. ALTERAR UMA BASE DE DNA 3. DANIFICAR UMA BASE DE DNA 1. SUBSTITUIÇÃO DE UMA BASE NO DNA INCORPORAÇÃO DE ANÁLOGOS DE BASE – compostos químicos similares às bases nitrogenadas que se ligam ao DNA Uma vez no DNA, eles tem propriedades de pareamento diferentes das bases normais ocorrendo mutação, pois nucleotídeos incorretos são inseridos no DNA. 5-BROMOURACILA é análogo da TIMINA 2- Alteração de Bases Agentes Alquilantes Alguns mutágenos não são incorporados ao DNA, mas alteram uma base, causando mau pareamento específico: -EMS (ETIL METANOSSULFATO) -NG (NITROSOGUANIDINA) Adicionam grupos Alcil (etila e metila, respectivamente) (CH3)(C2H5) 2- Alteração de Bases Agentes Alquilantes 2- Alteração de Bases Agentes desaminantes 2- Alteração de Bases Agentes Intercalantes • Constituem moléculas longas e achatadas que mimetizam pares de bases; • Intercalam-se entre dois pares de bases adjacentes • Na duplicação➔ INSERÇÃO OU DELEÇÃO • Exemplos: Griffiths, 2001 Acridina Laranja: estrutura química base púrica Exemplo de Corante: Brometo de Etídeo Inserções de pares únicos de nucleotídeos ou deleções 2- Alteração de Bases Agentes Intercalantes Eletroforese em gel de agarose 3- Dano as BasesAFLATOXINA B1: forma um produtode adição na posição N7 da guanina SÍTIOS APURÍNICOS Leva a inserção de uma adenina Quebra a ligação entre a base e o açúcar ➢ Vírus: HPV, Hep. B ➢ Transposons Alteram as sequências do material genético do hospedeiro HPV HBV MUTAÇÕES INDUZIDAS AGENTES BIOLÓGICOS 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 DNA INSTABILIDADE GENÔMICASancar et al., 2004 Resposta ao dano no DNA (DDR- DNA damage response) CÂNCER Garantir a integridade do genoma LESÕES NO DNA E MECANISMOS DE REPARO • reversão ativa da lesão → sem retirar a base danificada → muito eficiente • O6-metilguanina → transição G:C para A:T (produzida endogenamente ou mutagênicos químicos→ alquilantes) •Enzima MGMT (metil guanina metiltransferase) → remove o grupo metil • alto custo energético → uma molécula da enzima é inativada para cada lesão corrigida REPARO DIRETO Reparo direto: remoção do grupo metil Reparo da alquilação da O6-metilguanina Uma cisteína sobre a MGMT se liga ao grupo metil na guanina O6-metilguanina metiltransferase (MGMT) 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. REPARO POR EXCISÃO DE BASES - BER Reconhecimento base danificada e remoção: DNA glicosilase Sítio AP Endonuclease: incisão 5’ Exonuclease: excisão Síntese: DNA polimerase Ligação: DNA ligase REPARO POR EXCISÃO DE BASES - BER * Base danificada DNA glicosilase Reconhecimento e formação do sítio AP APE1 Reconhecimento e incisão 5’ do sítio AP XRCC1 DNA pol Excisão da porção açúcar-P e síntese de DNA XRCC1 DNA ligase III Ligação da cadeia VIA CURTA Quebra de cadeia simples XRCC1 PARP Reconhecimento da quebra PNK Incisão 5’ PCNA DNA pol FEN1 Excisão e Síntese DNA DNA ligase I VIA LONGA Ligação da cadeia 1 nucleotídeo 2-13 nucleotídeos 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 Reparo por Excisão de Nucleotídeo - 4 fases: - Reconhecimento do dano - Montagem do complexo multiproteico - Excisão da fita danificada acima e abaixo do dano - Uso da fita não danificada como molde para a DNA polimerase 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 • atua na cadeia recém-sintetizada (não metilada) → logo após a replicação do DNA •Genes em humanos: MSH, MLH e PMS → as proteínas formam complexos (heterodímeros) •Genes em procariotos: MutS, MutL e MutH 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) • Sistema de reparo propenso a erro • Ativado quando fitas não danificadas ou cromátides-irmãs não estão presentes DNA reparado com baixa fidelidade KU80 e KU70: Processamento das extremidades XRCC4 /DNA ligase IV: ligação das extremidades Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR) ▪ Mecanismo livre de erro ▪ Ativado quando DSBs ocorrem após a replicação de uma região cromossômica de uma célula em divisão •Etapas •Reconhecimento da quebra e pareamento do cromossomo homólogo intacto com o cromossomo que apresenta a quebra dupla •Degradação das extremidades danificadas •Deslocamento da cromátide-irmã intacta para o sítio a ser reparado •A cromátide-irmã serve como molde para síntese de DNA → restaura a sequência original •Ligação das extremidades Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR) http://mpmp.huji.ac.il/maps/dsbRecomb.html UV ou outros agentes Reparo normal do DNA Integridade do genoma Sem doença Reparo defeituoso Morte celular aumentada Envelhecimento acelerado e câncer SÍNDROMES COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA: ENVELHECIMENTO (PROGÉRIA) Síndrome Genes mutados Processo Afetado Cockayne CSA, CSB, XPB, TCR-NER XPD, XPG Tricotiodistrofia XPB, XPD, TTDA NER Rothmund-Thomson RECQL4 Deficiência helicase (reparo de danos oxidativos) Hutchison-Gilford LMNA função da lâmina nuclear (Progéria) SÍNDROMES COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA: CÂNCER Síndrome Genes mutados Processo Afetado Câncer mama BRCA1, BRCA2 Reparo Homólogo familial (quebras duplas) Li-Fraumeni TP53 Checkpoint G1-S Câncer colorretal não- MSH2, MLH1 Mismatch repair polipose hereditário (MMR) (HNPCC) SÍNDROMES COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA: PROGÉRIA + CÂNCER Síndrome Genes mutados Processo Afetado Xeroderma pigmentoso XPA-XPG NER S. Bloom BLM Deficiência helicase (recombinação mitótica) Anemia de Fanconi FANC Reparo DNA crosslink Ataxia telangiectasia ATM Reparo DSB S. Werner WRN Deficiência helicase (recombinação/reparo DNA manutenção dos telômeros) Adolescência - 40 anos DOENÇAS HUMANAS HEREDITÁRIAS COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA Xeroderma Pigmentoso Síndrome de Cockaine Tricotiodistrofia Anemia de Fanconi Ataxia telangiectasia Síndrome de Bloom ➢ defeitos nos mecanismos de reparo e replicação do DNA ➢ freqüência aberrações cromossômicas ➢ incidência câncer SÍNDROMES DE INSTABILIDADE CROMOSSÔMICA ➢ AR ➢ Clínica manifestações cutâneas (1,5 anos) anomalias oculares (4 anos) anomalias neurológicas progressiva (6 meses) primeiro câncer de pele (8 anos) ➢ Xeroderma (pele seca) ➢ Incidência: 1/250.000 (USA) e 1/40.000 (Japão) XP: defeito no reparo de excisão de nucleotídeos (NER) XERODERMA PIGMENTOSO (XP) XERODERMA PIGMENTOSUM (XP) • indivíduos extremamente sensíveis à luz do sol • risco elevado de desenvolver câncer de pele • deficiência de reparo de dano no DNA induzido por 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 desenvolvemanormalidades neurológicas progressivas XERODERMA PIGMENTOSUM (XP) - Araras, povoado com cerca de 800 moradores a 40 quilômetros de Faina, região noroeste de Goiás. - A taxa de incidência registrada na comunidade - de 1 para cada 40 habitantes - é a maior do mundo, segundo a Associação Brasileira de Xeroderma Pigmentoso (AbraXP). Casamentos consanguíneos Criança com XP protegida do sol usando máscara e luvas resistentes a luz UV: não apresenta lesões na pele TRATAMENTO proteção da pele da luz solar chapéus óculos que absorvem luz UV bloqueadores solares roupas protetoras acompanhamento periódico por dermatologista Crianças da Lua • Síndrome de Cockayne • Características: - Anormalidades esqueléticas: face parecida com a de um passarinho - Cáries, cifose e osteoporose em pacientes de idade avançada. - Degeneração neurológica progressiva: início precoce, desenvolvimento psicomotor atrasado, defeitos no modo de andar e retardo mental. - Microcefalia - Perda da audição, retinopatia pigmentar, cabelos finos e cataratas - Sensibilidade à luz UV (sem risco de câncer de pele) Morte: 12,5 anos principais causas: pneumonia e infecções respiratórias • Alterações genéticas: • Dois genes com mutações foram identificados nesta síndrome: CSA e CSB. • O gene CSA, responsável pela síndrome de Cockayne do tipo 1→ cromossomo 5. • O gene CSB, responsável pela síndrome de Cockayne do tipo 2 → cromossomo 10q11. • Reparo defeituoso: TCR-NER TRICOTIODISTROFIA (TTD) ➢ AR ➢ Clínica -cabelos quebradiços (deficientes S) -iquitiose (escamas de peixe) -retardo mental e físico -fácies distintivas orelhas protuberantes queixo retraído ❖ descrita 1968 Pollitt e colaboradores ❖ 50% pacientes fotossensibilidade NER defeituoso ❖ TTD não desenvolvem câncer de pele TTDA XPB XPD Helicases do fator de reparo/transcrição TFIIH - AR - Clínica anemia aplástica (90% casos) alterações da pigmentação da pele (64%) baixa estatura (62%) malformações do rádio (50%) e deformidades do dedo polegar anomalias oculares (41%), renais (34%), microcefalia (37%), deficiência mental (25%) ANEMIA DE FANCONI (FA) descrita 1927 Guido Fanconi ➢ incidência: 1/22.000 a 1/476.000 indivíduos ➢ 8 grupos de complementação: FA-A, FA-B, FA-C, FA-D1, FA-D2, FA-E, FA-F e FA-G heterogeneidade genética ➢ células FA: sensíveis à agentes químicos que causam ligações cruzadas entre as fitas de DNA: mitomicina C (MMC), diepoxibutano (DEB), mostarda nitrogenada (NM), cisplatina , ... ➢ freqüência de neoplasias: leucemias e tumores hepáticos ➢ quebras cromossômicas espontâneas, figuras tri, quadri e multirradiais. ➢ AR ➢ Clínica peso ao nascimento retardo de crescimento pré e pós-natal (145 cm Homem; 130 cm Mulher) telangiectasias e fotossensibilidade (borboleta) cabeça alongada, microcefalia, inteligência normal imunodeficiência: infecções (respiratórias e gastrointestinais) SÍNDROME DE BLOOM (SB) Incidência: 1/58.000 ➢ Frequência aumentada de quebras cromossômicas 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 ascendência judaica Ashkenazi ➢ AR ➢ Clínica - Degeneração cerebelar progressiva- Ataxia (12-14 meses) disfunção neuromotora -telangiectasia dos 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 ATAXIA TELANGIECTASIA (AT) SÍNDROME DE LOUIS-BAR ➢ células AT sensíveis a radiação ionizante e agentes radiomiméticos (N-acetoxi-N-2-acetil-2-aminofluoreno - 4- NQO) ➢ linfócitos AT rearranjos espontâneos dos cromossomos 7 e 14 ➢ mutações gene ATM gene ATM (11q23) proteina ATM participa diversas vias: controle transdução de sinal checkpoint ciclo celular resposta celular ao dano no DNA induzido por radiação ATAXIA TELANGECTASIA (AT) • mutações no gene ATM (11q22-23) http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n3/fig_tab/nrg0301_196a_F2.html 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 • 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 tumor Por aumentar a taxa de mutação espontânea Instabilidade genética em leões pré- cancerosas Mutações em genes “guardiões” (caretaker genes) Genes que funcionam primariamente para manter a estabilidade genômica (TP53, ATM) TP53 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 h tt p :/ /w w w .n at u re .c o m /n cb /j o u rn al /v 1 1 /n 3 /f u ll/ n cb 0 3 0 9 -2 2 8 .h tm l Liu and Lu, 2012 microRNAs X DNA Damage Response miRNAs 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 Assim... Fim