Mutação e Reparação do DNA

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Mutação e Reparação
do DNA
Mutação e Reparação
do DNA
Aspectos Conceituais e Rotas Metabólicas
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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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A mutação é a fonte básica de toda variabilidade genética, fornecendo a matéria-prima para a evolução
Mutação: Bom ou Ruim?
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Processo Evolutivo
	Recombinação: Rearranjos  Novas combinações
	Seleção Natural  Preserva as combinações mais adaptadas
	Ausência de Mutação  Genes com apenas uma forma
Mutação como fonte de variabilidade
1
2
3
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Classificação das Mutações
	Mutação espontânea
	Mutação induzida
Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x Carcinogênese
Quanto à Natureza
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Mutações Cromossômicas
Conjunto de cromossomo de uma espécie
1. Monoploidia: n cromossomos
2. Diploidia: 2n cromossomos
3. Triploidia: 3n cromossomos
4. Poliploidia: mais de dois conjuntos
Euploidia
Número de cromossomos difere da espécie
1. Monossomia: 2n – 1 
2. Trissomia: 2n + 1 
3. Nulissomia: 2n – 2 
Aneuploidia
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4.bin
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
Transição
Transversão
A – T T – A 
C – G G – C
A – T T – A 
C – G G – C
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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
 Radiação ionizante H2O H + OH 
Radiação ionizante  Efeito direto 
Efeito indireto
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Acidentes Radioativos
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Aberrações Estruturais
Cariótipo - Metáfase
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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*
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
	Reparação por fotorreatividade enzimática
	Reparação de bases alteradas
	Reparação por excisão de base
	Reparação por excisão de nucleotídeos
	Reparação de bases malpareadas
	Sistema de reparação por resgate
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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.
Reparação do DNA
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Reparação do DNA
Reparação por Fotorreatividade Enzimática
	Fotorreativação
	Fotoliase reconhece e se liga ao dímero
	Absorção de luz  Conversão em monômeros
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Reparação do DNA
Reparação de Bases Alquiladas
	Ação de enzimas específicas: O6-Metilguanina-metiltransferase
CH3-Cys-Enzima
	 Não há meios de recuperar a enzima metilada (necessidade de novas enzimas para cada grupamento metil removido).
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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
Reparação do DNA
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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
Reparação do DNA
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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
Reparação do DNA
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Reparação do DNA
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Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Base
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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 
# reação, a princípio, livre de erro
Reparação do DNA
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Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN)
1. Reconhecimento da lesão
2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão
3. Excisão do seguimento contendo a lesão
4. Síntese do novo seguimento de DNA e Ligação
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Reparação do DNA
REN: Sistema Uvr (E. coli)
ATP
Helicase 5’  3’
5’ (8nt)
3’ (4 a 5nt)
Excisão de 12 a 13nt
UvrD
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	 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
	Ligação 
# sinal que direciona o sistema de excisão do erro exclusivamente para a fita recém-sintetizada → seqüências GATC próximas ao erro
Enzimas de correção de erro
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Reparação do DNA
Sinalização por metilação de sítios específicos
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Reparação do DNA
	Enzima de correção de erro liga-se à seqüência GATC não modificada e ao par de bases mal pareadas da mesma fita de DNA.
	Enzima de correção de erro remove o segmento de DNA que inclui o erro da fita que contém a seqüência GATC não metilada.
	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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	 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%)
◙ Ainda assim, é mais vantajoso para a célula a incorporação de uma base errada do que não replicar mais.
Reparo sujeito ao erro
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Reparação do DNA
	N6-Metiladenina (GATC)
Padrão de metilação
Divisão Celular
Metilação
Reparação de Bases Malpareadas
Replicação
Metiltransferase de Manutenção
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Reparação do DNA
Reparação de Bases Malpareadas: Sistema Mut
	MutS  pb malpareado
	Reconhece sítio do erro 
	MutL se liga a MutS
	Deslizamento até GATC (ATP)
	MutH  Reconhece GATC
	Cliva: GATC até o malpareamento
	Remoção da fita clivada (SSB)
	Síntese e ligação da nova fita
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Reparação do DNA
Sistema de Reparação por Resgate
	Dano impede a replicação
	Cópias com lacuna no sítio lesado
	Resgata-se a seqüência da fita normal
	A lacuna da fita lesada é preenchida
	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
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