1

“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

2

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

3

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

4

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.

5

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.

6

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

7

ConclusãoConclusão

Mutações ocorrem ao acaso.

Entretanto, o ambiente podeselecionar as mutações.

8

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

9

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

10

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

11

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

12

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

2

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

13

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

14

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

1

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

1

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

2

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.

3

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)

4

Mosca NormalMosca Normal

Mutante AntennapediaMutante Antennapedia

5

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,…)

6

Large

Small

- -

++Northern Western

7

8

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)

9

MutágenoMutágeno

Mutágenos são agentes queaumentam a taxa de mutação(normalmente baixa)

Podem ser descobertos por técnicasde screening em diplóides ehaplóides

10

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.

11

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.

12

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)

13

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)

14

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

15

59

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

16

Câncer podeaparecer a partirde mutaçõessomáticas

(Cancer Genetics de 28 Abril)

Permite descoberta de umcomposto(X) que émutagênico – carcinógenopotencial

Teste de AmesTeste de Ames

17

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

18

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

19

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

20

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.

21

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

22

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

23

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

24

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

25

PeixesPeixes

Variação na agriculturaVariação na agricultura

26

PombosPombos

Acinonyx jubatusAcinonyx jubatus