Capítulo 3

MUTACIÓN GÉNICA

INTRODUCCIÓN La mutación y la recombinación (independiente y por cross over) génicas junto con la mutación cromosómica y la genómica, constituyen la principal fuente generadora de variabilidad genética natural. La mutación génica ocasiona cambios en la secuencia de pares de bases dentro de los genes; la estructural, en la estructura de los cromosomas y la genómica en el número cromosómico. En el presente capítulo analizaremos las bases moleculares conducentes a mutaciones génicas. Pueden ocurrir espontáneamente o bien ser inducidas; las espontáneas se atribuyen a errores durante la replicación del ADN, a la presencia en el ambiente de agentes tales como radiaciones cósmicas, sustancias radioactivas, análogos de bases, etc. En cuanto a la inducción de mutaciones, existen dos grandes clases de agentes mutagénicos, los físicos y los químicos.

Los agentes físicos son las radiaciones ionizantes y no ionizantes. Las primeras abarcan tanto aquéllas de longitud de onda corta y frecuencia elevada, como los rayos cósmicos, x y γ; como así también las radiaciones α, electrones, neutrones y protones, de naturaleza corpuscular; todas son de penetrancia más o menos elevada, pudiendo ocasionar mutaciones en tejidos profundos. Por acción de estas radiaciones, la ionización origina pares iónicos que contienen grupos químicos muy reactivos. Existe, por lo tanto, una acción directa de estas radiaciones que consiste en los efectos que ocasionan por sí mismas sobre el ADN, y una acción indirecta que comprende los efectos causados por los radicales liberados a lo largo de su trayectoria, sobre el ADN.

Las radiaciones no ionizantes, también llamadas ultravioleta ó UV, de longitud de onda corta, a diferencia de las anteriores son poco penetrantes por lo que se utilizan sólo para inducir mutaciones en microorganismos, ó en células animales o vegetales cultivadas “in vitro”.

En cuanto a los agentes químicos causantes de mutaciones, algunos de los más conocidos son los siguientes : - Análogos de bases 5-BrU (5-bromouracilo) tautomerizante - Sustancias que modifican las bases Aflatoxina ausencia de codificación Acido nitroso desaminante - Agentes intercalantes Colorantes : naranja de acridina cross over desigual

Agentes alquilantes : EMS (etilmetanosulfonato) tautomerizantes; despurinizantes

El cuadro 3.1 presenta de manera general los pasos conducentes a las mutaciones génicas espontáneas e inducidas mediante agentes físicos y químicos, como así también sus efectos a nivel de tripletes (que repercuten sobre los aminoácidos componentes de las proteínas codificadas).

Como puede observarse, de las dos instancias presentadas en el cuadro (proceso inicial – mutación), la más variable en los diferentes casos es el proceso inicial. En este capítulo no nos referiremos a las mutaciones ocasionadas por agentes químicos, que son situaciones en las cuales el proceso inicial puede tener particularidades que serán tratadas aparte.

Debemos tener en cuenta antes de iniciar el análisis de los cambios, que la mayor parte de la información proviene de estudios realizados sobre microorganismos aunque las conclusiones son generalmente válidas también para los organismos superiores, ya que la estructura del ADN es la misma, los mecanismos fundamentales de la síntesis proteica son similares, y que el código genético es universal. Cuadro 3.1 - Instancias conducentes a las mutaciones génicas espontáneas e inducidas y correspondientes efectos a nivel de tripletes.

e

Origen

E S P O N T Á N E A S Radiaciones

ionizantes Radiaciones UV Agentes químicos

I N D U C I D A S

Efecto

Con cambio de sentido

Sin sentido

Silenciosa En todos los casos es uno el

triplete afectado

Reorganización de tripletes

Situaciones diversas : uno o más tripletes afectados

Con cambio de sentido

Sin sentido

Silenciosa

En todos los casos es uno el triplete afectado

Reorganización de

tripletes Situaciones diversas : uno ó

más tripletes afectados

Proceso inicial

Tautomerización

Despurinización

Desaminación

Lazos en el ADN durante la replicación

Cross over desigual

Tautomerización

Dímeros de pirimidinas- ausencia de codificación

Ausencia de codificación por unión a una base

Despurinización durante l proceso de reparación

Tautomerización

Desaminación

Cross over desigual

Mutación Sustitución de bases :

Transición Transversión

Sustitución de bases :

Transición

Mutación de cambio de fase : Adición Deleción

Sustitución de bases : Transición

Transversión

Sustitución de bases :

Transición

Transversión

Sustitución de bases : Transición

Mutación de cambio de fase : Adición Deleción

ansiciones de purinas

Transiciones de pirimidinas

Transversiones

Tr

Figura 3.1 - Transiciones y transversiones.

Sustitución de bases Es un cambio de un par de bases en la secuencia de un gen; según la situación puede ser una transición o una transversión. Una transición consiste en el cambio de una base púrica por otra púrica, y simultáneamente de una pirimídica por otra pirimídica; en cambio una transversión es el cambio de una base púrica por una pirimídica y a la inversa (figura 3.1).

Transiciones de purinas

A G

T C

Transversiones

Transiciones de pirimidinas

A T G C T G G T

Transversiones T A C G T G A C

A C G T T G G T

T A C G A C C A

T G C A A C C A Transiciones

ADN original

A T G C A C T G

a) Proceso inicial : tautomerización Cada una de las cuatro bases puede aparecer en formas denominadas tautómeros, debido a reacomoelectrones en las moléculas que ocasionan cambioátomos de hidrógeno (figura 3.2); ambas formas seequilibrio.

Nota : tengamos presente queal hablar de bases (tanto enestas mutaciones como en lasanalizadas a continuación), lohacemos simplificadamente,ya que las unidades implicadasen la replicación del ADN sonlos nucleótidos que lascontienen.

las células en una de dos damientos de protones y s en la posición de los hallan naturalmente en

Figura 3.2 - Estados moleculares de las bases : normal (A - G - T - C) y tautomerizado (A* - G* - T* - C*).

8

9

7

amino ceto amino ceto

enol imino enol imino

1

23

4

6 1

2 3 4

5 6 5

Observar las posiciones afectadas : 6 y 1.

En el caso de las transiciones, si la base tautomerizada es la A, cambia su grupo amino (posición 6 ) a imino, quedando por lo tanto en condiciones de aparearse con la C, en lugar de aparearse normalmente con la T; del mismo modo, si la base tautomerizada es la G, cambia su grupo ceto (posición 6) a enol, quedando en condiciones de aparearse con la T; en el caso de la T cambia su grupo ceto a enol (posición 6); y finalmente en el caso de la C, cambia su grupo amino (posición 6 ) a imino, siendo el análisis de los apareamientos igual que en los casos descriptos. La figura 3.3 presenta los posibles apareamientos erróneos transitorios. Figura 3.3 - Apareamientos erróneos.

En las transversiones el apareamiento erróneo intermedio se realizaría entre dos bases púricas; sin embargo, no está claro el mecanismo interviniente, que posiblemente involucre una distorsión de la hélice del ADN.

En las figuras 3.4 y 3.5 se ejemplifican los cambios finales en los pares de bases (sustitución de bases = mutaciones), o sea las transiciones y transversiones, considerando todas las instancias. Figura 3.4 – Transición.

Resultado de la primera replicación

Normal

Normal

Mutante

Replicación del ADN

Resultado de la segundareplicación

Figura 3.5 – Transversión. b) Proceso inicial : despurinización

Resultado de la primera replicación

Normal

Normal

Mutante

Replicación del ADN

Resultado de la segunda replicación

Es la más común de las lesiones espontáneas; implica la interrupción del enlace glucosídico entre la base y la desoxirribosa, y la pérdida posterior de un residuo de G ó A del ADN (figura 3.6). Figura 3.6 – Despurinización.

Nota : los enlaces azúcar-fosfato (simplificados), no se alteran.

Los sitios sin purinas no pueden especificar una base complementaria a la purina original durante la replicación, conduciendo por lo tanto a una mutación :

A T C T A G A T G C T A C G A T G C T A C G Sitio apurínico

De acuerdo a la base ingresada en (cuatro posibilidades) , la

mutación resultante al cabo de la siguiente replicación será una transición o una transversión. El lector deberá analizar todas las situaciones posibles. c) Proceso inicial : desaminación

Afecta a las bases que poseen grupo amino (A y C). La desaminación de la C (por ej.), produce U (uracilo) (figura 3.7). Figura 3.7 – Desaminación.

Desaminación

Uracilo Citosina

Esta base modificada queda en condiciones, durante la replicación del ADN, de aparearse con la adenina, originándose, por lo tanto, una transición (C-G T-A). A T G U A T G U T A C A A T G C T A C A A T G T T A C G Mutante T A C A NORMAL

En el caso de ser la adenina la base afectada, ésta se convierte en

hipoxantina (H) que queda en condiciones de aparearse con la citosina, generándose también como mutación final una transición (A-T G-C).

d) Proceso inicial : dímeros de pirimidinas

Son producidos por las radiaciones UV. Consisten en la unión de dos pirimidinas (principalmente timinas) contiguas, o sea ubicadas en la misma cadena de ADN (figura 3.8).

Figura 3.8 – Dímeros de pirimidinas.

Los dímeros de pirimidinas causan transiciones y/o transversiones al reducir la fidelidad de la replicación. Una situación es la siguiente : A T=T C T T A G A T=T C A T T C T T A G A A T C T A A G T T A G NORMAL

Mutante

+

Ocurrió una transversión : T-A A-T Mutaciones de cambio de fase

Estas mutaciones modifican el número de pares de bases. Ellas no sólo alteran el codón correspondiente como en los casos anteriores, sino que pueden alterar totalmente el mensaje genético, hasta el extremo de producirse una proteína biológicamente inactiva, que si es una enzima vital, ocasiona la muerte de la célula o individuo.

a) Proceso inicial : lazo en el ADN durante la replicación

Durante la replicación ocurre en una de las hebras un lazo o doblez que la ADN polimerasa pasa por alto, y que dará origen a una deleción si se produce en la hebra molde, mientras que dará origen a una adición si ocurre en la hebra nueva; se eliminarán o añadirán tantos nucleótidos como estén incluídos en el lazo (figura 3.9).

Figura 3.9 – Lazos en el ADN.

- Adición

Normal

Normal

(bucle cadena

hija)

Normal

Mutante ADN original ADN mutado A C T G A G T G C A C T C G A G T G C T G A C T C A C G T G A G C T C A C G G tripletes modificados....

- Deleción ADN original

A C T G A G T G C A C T A G T G C T G A C T C A C G T G A T C A C G

Mutante

Normal

Normal

Normal

(bucle cadena molde)

ADN mutado

tripletes modificados.....

b) Proceso inicial : sobrecruzamientos desiguales

Aunque pueden ocurrir a nivel de genes (estrictamente mutación génica), se presenta un caso más común, que es el de apareamientos erróneos durante la profase meiótica en zonas del cromosoma donde existan secuencias repetidas; los bloques de estas secuencias queden desplazados, generándose adiciones y deleciones (figura 3.10). Figura 3.10 - Sobrecruzamiento desigual. 1 2 3 4 5 ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC 1* 2* 3* 4*

n

(lam

labo C O

E

Dm

Z

Adició

ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC ATGC 1 2 3-2* 3* 4* 5* n

Deleció

ATGC ATGC ATGC ATGC 1* 2*-3 4 5

Como hemos analizado, la naturaleza de las mutaciones inducidas aunque variando de acuerdo al agente inductor) no es distinta de aquélla de s mutaciones espontáneas, pero las primeras se producen con frecuencia ayor en respuesta a la aplicación de agentes mutagénicos.

La frecuencia espontánea de mutación génica por generación, que es probabilidad con que se produce una determinada mutación por entidad iológica (virus, célula, individuo), es muy baja y variable de un par alélico a tro (cuadro 3.2), y en los diferentes sentidos ( A a ≠ a A).

uadro 3.2 - Frecuencias mutacionales.

rganismo Tipo de mutación Frecuencia (X 10-5 )

scherichia coli str s (susceptible a estreptomicina) str r (resistente)

0.00004

rosophila elanogaster

Y (color de cuerpo gris) y (amarillo)

12.00

ea mays C (aleurona con color) c (sin color)

0.23

Secuencias repetidas

Finalmente, es necesario destacar que muchas lesiones en el ADN, ya

sea espontáneas o inducidas son reparadas por mecanismos naturales, de no existir los cuales sería difícil explicar los bajos valores de frecuencia mutacional.

OBJETIVOS

Interpretar a nivel molecular las mutaciones génicas . Analizar las consecuencias de dichas mutaciones.

A pensar !!

SITUACIONES PROBLEMÁTICAS 1) En el siguiente esquema las flechas indican la dirección de los cambios entre las bases nitrogenadas. Indique en cada caso cómo se denomina la mutación. 2) Analice los apareamientos entre las bases (considerando las cuatro tautomerizaciones posibles) a través de dos duplicaciones sucesivas de una molécula de ADN, en el caso de que el resultado final sea una transición. Ej. con A tautomerizada

3) Idem para transversión (considerando todas las tautomerizaciones posibles).

4) Teniendo en cuenta el siguiente caso :

mutación

Analice el tipo de mutación ocurrida y sus consecuencias genéticas; a partir de la misma molécula de ADN inicial esquematice de manera similar una adición : mutación Molecula de ADN inicial normal 5) Ejemplifique por medio de los pasos que considere necesarios, una transición ocurrida a partir de una despurinización (pérdida de una G).

aa aa aa aa aa aa aa aa

6) Idem al ejercicio anterior cuando la mutación es una transversión. 7) Ejemplifique por medio de los pasos que considere necesarios una transición a partir de la desaminación de la A marcada. T C T A G A T G A T C

A

8) Ejemplifique una transición ocasionada a partir de la inducción de dímeros de T por acción de radiaciones UV.

UV

9) Idem al ejercicio anterior cuando la mutación es una transversión.

10) Ubicando sitios homólogos en un par de cromosomas, analice la ocurrencia de mutaciones.

EXTRAIGA SUS CONCLUSIONES RELACIONANDO LOS

SIGUIENTES CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Diferencias y similitudes a nivel molecular y de frecuencia mutacional, entre las mutaciones génicas espontáneas e inducidas.

Acción de las radiaciones ionizantes y no ionizantes, y sus consecuencias.

Diferencias en cuanto a consecuencias genéticas entre sustitución de bases y mutaciones de cambio de fase.

Grupos químicos involucrados en las transiciones.

Diferencias entre transiciones y transversiones.