VARIACION GENÉTICA: La Mutación, Origen y detección Dr. César A. Guzmán Vigo FACULTAD DE MEDICINA HUMANA - UDCH

Origen de la mutación génica Concepto de mutación: Proceso mediante el cual un gen sufre un cambio estructural. En la mayoría de los casos, el término se refiere a un cambio fenotípico causado por un gen modificado

Tipos de mutaciones: Por sustitucion de un par de bases: m.puntuales T C AG Bases púricas Bases pirimídicas m.por transición m. por transversión

Different types of radiation can lead to different types of chromosomal aberrations and damage. Beta, gamma, and X rays (low LET) can cause damage to base pairs or can cause single or double strand breaks, as shown in the top drawing of a DNA strand. Alpha and neutron radiation (high LET) can cause double strand breaks, as shown in the bottom drawing. Several Station experiments are dedicated to quantifying the dose rate of both low and high LET radiation the crew receive during their stay as part of the ongoing effort to improve shielding. [U. of Essen]

Sustituciones: 1) Silenciosas o silentes: Los cambios no alteran la secuencia de aminácidos, debido a la redundancia del código: AGG---CGG (Arg) 2) Con cambio de sentido, provocan un cambio en un único amnioácido: Sinomimia (aminoácidos quimicamnte similares AAA---AGA – Lys básica x Arg básica) No sinonimia (aminoácidos quimicamente diferentes UUU -- - UCU – Fen hidrofóbica x Ser polar) 3) Mutaciones sin sentido: Producen uno de los tres codones de terminación en el RNAm: UAA, UAG, UGA Tipos de mutaciones:

Adición o Delección 1. de un único par de nucleótidos: Mutación de cambio de fase 2. De varios a muchos pares de nucleótidos: Cualquier inserción o delección de pares de bases que no sea múltiplo de tres cambia la fase de lectura en segmentos de DNA que determinan proteína; como resultado, a partir del sitio de cambio de fase se sintetizan aa diferentes y con frecuencia aparecen codones de terminación: UAA, UAG, UGA Tipos de mutaciones:

mutación reversión AAA (Lys) GAA (Glu) AAA ( Lys) Silvestre Mutante Silvestre mutación reversión UCC (Ser) UGC (Cys) AGA ( Ser) Silvestre Mutante Silvestre mutación reversión CGC (Arg básica) CCC (Pro no básica) CAC ( His básica) Silvestre Mutante Silvestre REVERSIÓN EQUIVALENTE

Reversión equivalente La probabilidad de que un sitio mutante regrese a un estado alélico previo a través de una mutación es mucho menor que la probabilidad de que vaya a sufrir una nueva mutación hacia otro estado alélico. La reversión requiere un cambio hacia una base específica (A, T, G ó C) mientras que un nuevo estado alélico lo puede causar un cambio hacia cualquiera de las cuatro bases. Tipos de mutaciones:

M. de regulación de la transcripción o traducción. Cualquier mutacíon del promotor puede reducir la afinidad de la RNA polimerasa, y por lo tanto reducción en la producción del RNAm (reducción de una proteína determinada). M. en lugares de corte y unión Se producen en los límites intrón-exón, alterando la señal necesaria para la escisión apropiada de un intrón. Ello ocurreen la secuencia GT que siempre define el locus donante 5’ o en la secuencia AG que define el locus receptor 3’ Tipos de mutaciones:

M. por trasposones(un tipo de DNA capaz de propagar copias de si mismas) o elementos móviles. Provocan mutaciones de cambio de pauta de lectura. Inserción de elementos móviles ocasiona casos aislados de neurofibromatosis I y hemofilia A M. de DNA repetido en tandem Los individuos patológicos tienen cientos o incluso miles, número que aumenta durante la meiosis o durante el inicio del desarrollo fetal ( repeticiones expandidas) Otros Tipos de mutaciones:

Clasificación de mutaciones: Mutaciones inducidas: aquellas que surgen después de un tratamiento planeado con mutágenos, agentes ambientales que aumentan la tasa de mutación Mutaciones espontáneas: aquellas que surgen en ausencia de un tratameinto con un mutágeno. Corresponden a la y, presumiblemente son la fuente natural de variación genética observada en las poblaciones.

Mecanismos de induccion de mutaciones: Mecanismos de acción: Reemplazar una base, alterar una base de modo que empareje erroneamente con otra, o dañar una base, de modo que no pueda emparejar con ninguna. Sustitución de bases: análogos de bases ( Tendencia natural de las bases a adoptar formas diferentes – Tautomerización - Formas ceto – enol) Errorres de emparejamiento por ionización: El 5-BrU análago a la timina. La Timina empareja con la A, pero el 5- BrU lo hace con la G. El BrU provoca transiciones G.C --- A.T ó A.T – G.C Otro análogo: 2-AP, análogo a la adenina, que empareja con la Timina, pero que en forma errónea lo hace con la C. Provoca transiciones A.T ---G.C

Modificación de bases: 1) Agentes alquilantes: Etilmetanosulfonato (EMS) y la nitrosoguanidina (NG). Añaden grupos alquilo: etilo en el caso de la EMS y metilo en el caso de la NG.Esta última provoca mutaciones transicionales G.C ---A.T 2) Agentes intercalantes: Proflavina, naranja de acridina, compuestos ICR. Provocan inserciones o delecciones de un par de nucleótidos. Pueden colocarse entre las bases del DNA de cadena sencilla, estabilizando las bases desemparejadas durante la formación de un desfase por deslizamiento de la polimerasa. Mecanismos de induccion de mutaciones:

Lesiones de bases: Elevado número de mutágenos, bloquean la replicación. UV: genera variedad de fotoproductos en el DNA. La mutación más importante es la transición C --- T, pudiendo producir también transversiones y desfases, así como duplicaciones y delecciones de mayor tamaño La aflatoxina B1 (AFB1). Se une a la posición N7 de la guanina, rompe unión entre base y azúcar, produciendo sitio apúrico.Provoca transversiones G.T --- T. A.

Causas: Errores en la replicación ( la mayoría transicionales), lesiones espontáneas ( despurinización + y desaminación ) y elementos genéticos transponibles Tasas de mutación: a nivel nucleotídico es de c/pb /div. cel. (mutaciones que han escapado el proceso de reparación del DNA) En cada gen: y /locus/div.cel. Margen de variación: 1) Tamaño del gen: somatostatina (1,480 pb), DMD (2 x 10 6 pb), otros: Hemofilia, Neurofibromatosis I (elevadas tasas). 2) Presencia de puntos calientes: mutación de C x T, por metilación de dinucleótidos CG (formación de 5-metilcitosina, que pierde su grupo amino y se transforma en T). Tasa de mutacion de CG es 12>que otras secuencias nucleotídicas. 3) Edad de padres : S. Marfan y Acondroplasia (para SM, riesgo que corre un hombre de 30 de engendrar un hijo afectado es de 5 veces más que uno de 40. Mecanismos de mutacion espontánea

H C C N N C H NH2 C N N C CH3 NH2 H C C N N C CH3 O H O O O Metilación Desaminación Citosina 5-metil Citosina Timina Metilación de la Citosina: La adición de un grupo metil a una base citosina forma 5-metil citosina. La consiguiente pérdida de un grupo Amino(desaminación) forma timina, resultando así en una sustitución citosina timina

Efectos de la radiación en las tasas de mutación Mutación en el hombre 1/10,000 genes /generación. Medición directa es difícil Persona en país desarrollado: Exposición a Rad.Ioniz. 6-7 rem (0,01 j.de energía /Kg de tejido). En Japón: II guerra m.: personas expuestas desarrollaron cánceres y aberraciones cromosómicas ( expuestos recibieron entre 30 a 60 rem de radiación). Efecto en células germinales? Estudioso recientes confirman aumentos de tasas en leucemias, cáncer de tiroides, en expuestos a pruebas nucleares. Cáncer al pulmón: presencia de radón, por desintegración de uranio Evitar exposición innecesaria de gónadas y fetos

Mecanismos biológicos de reparación Valor bajo de la tasa de mutación espontánea: eficacia de sistemas de reparación, su eliminación de alguno aumenta la tasa de mutación Categorías de procesos de reparación: prevención de errores, reversión del daño, reparación por escisión y reparación postreplicativa 1. Prevención de errores: Sistema que en daño oxidativo del DNA por presencia de radicales superóxido, los cataliza en peróxido, y la enzima catalasa convierte a éste en agua (Suoperóxido dismutasa) 2. Reversión directa del daño: Fotodímeros de pirimidina, pueden ser reparados por Fotoliasa. Transferasas de grupos alquilo, revierten lesiones, retirando grupos alquilo añadidos a la posición O-6 de la guanina por acción de mutágenos como la nitrosoguanidina y el etilmetanosulfonato

Mecanismos biológicos de reparación 3. El sistema general de reparación por escisión, rompe un enlace fosfodiéster, a cada lado produciendo la escisión de un oligonucleótido. El hueco, se rellena por síntesis reparadora que queda sellado por una ligasa. En procariotas se eliminan 12 a 13 nucleótidos en eucariotas 27 a 29. También se produce la reparación por escisión de bases, que se lleva a cabo por glicosidasas (rompen enlaces N-glucosídicos). Ejem: Glicosidasa de uracilo, que elimina uracilo del RNA (desaminación expontánea de citosina) si no se repara, se pueden producir transiciones C---T. 4. Reparación postreplicativa: reconocimiento de lesiones después que el DNA se ha replicado. Ejm: Sistema de reparación de emparejamiento (Reconocimiento, determinación de base incorrecta +, escisión y relleno)

Xeroderma pigmentosa: Una enfermedad por reparación defectuosa del DNA UV: dímeros pirimídicos, peligrosos en piel. Enzimas reparadoras en ind. normales, no en Xeroderma. Errores de replicación, dan lugar a sustituciones Enfermedad comienza los primeros 10 años, a la aparición de pecas, le sigue tumores cutáneos. Pueden desarrollar neoplasias malignas, que en ocasiones provoca la muerte antes de los 20. Enzimas: endonucleasa, exonucleasa, polimerasa y ligasas. Codificadas por al menos 7 genes, una mutación en alguna provoca XP Otras enf. S de Bloom, de Cockayne, ataxia telangiectasia, anemia de Fanconi.

Mutaciones espontáneas y las enfermedades humanas Enfermedades humanas: Cambios de base, delecciones e inserciones; otras por delecciones o duplicaciones de secuencias repetidas: 1)encefalopatías mitocondriales: Kearns-Sayre (deficiencia del SOXFM), 2) Enfermedad de Fabry: delecciones o duplicaciones cortas, que originan mutación del gen alfa-galactosidasa Mecanismo común: Repeticiones de trinucleótidos (CGG situado en el gen FMR-1, 29 repeticiones es la más común, produce una variación del número de residuos de arginina Explicación de expansiones de repetición: emparejamiento erróneo deslizado durante la replicación La atrofia muscular espinal y bulbar ligada al X (E. De Kennedy): Repetición CAG, ligada al gen que determina receptor de andrógenos (normales 21, afectados entre 40 y 52 Otra: Distrofia miotónica: CTG en extremo 3’ del transcrito (normales 5 copias, afectados leves con 50 copias, graves más de 1,000)