Mutaciones Paolo RAMONI PERAZZI B-2016

MUTACIONES De Vries (1901): mutación, cualquier cambio heredable en el material hereditario que no se puede explicar mediante segregación o recombinación Después de Watson y Crick (1953): cualquier cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN

MUTACIONES Fuente primaria de variabilidad genética en las poblaciones Recombinación crea nuevas combinaciones a partir de las generadas por la mutación, por ello es la fuente secundaria de variabilidad genética

MUTACIONES En los organismos pluricelulares pueden ser de dos tipos: Somática De la línea germinal

MUTACIONES SOMÁTICAS Afecta a las células somáticas del individuo Como consecuencia aparecen individuos mosaico que poseen dos líneas celulares diferentes con distinto genotipo Una vez que una célula sufre una mutación, todas las células que derivan de ella por divisiones mitóticas heredarán la mutación (herencia celular) Un individuo mosaico originado por una mutación somática posee un grupo de células con un genotipo diferente al resto

MUTACIONES SOMÁTICAS Cuanto antes se haya dado la mutación en el desarrollo del individuo mayor será la proporción de células con distinto genotipo Si la mutación ocurre después de la primera división del cigoto (en estado de dos células), la mitad de las células del individuo adulto tendrían un genotipo y la otra mitad otro distinto

MUTACIONES SOMÁTICAS Las mutaciones que afectan solamente a las células de la línea somática no se transmiten a la siguiente generación

MUTACIONES EN LA LÍNEA GERMINAL Afectan a las células productoras de gametos apareciendo gametos con mutaciones Estas mutaciones se transmiten a la siguiente generación y tienen una mayor importancia desde el punto de vista evolutivo

NIVELES MUTACIONALES Clasificación basada en la cantidad de material hereditario afectado: Mutación génica: afecta a un sólo gen Mutación cromosómica: afecta a un segmento cromosómico que incluye varios genes Mutación genómica: afecta a cromosomas completos (por exceso o por defecto) o a juegos cromosómicos completos.

NIVELES MUTACIONALES Sin embargo, en la actualidad las mutaciones cromosómicas son estudiadas aparte El término mutación es reservado para mutaciones puntuales

EXPLICACIÓN El ADN es una molécula muy estable la cual se replica con extremada precisión Sin embargo, algunos errores ocurren durante la replicación Una mutación se define como un cambio heredado en la información genética Puede crear nuevos alelos

CLASIFICACIÓN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS Sobre la base a la naturaleza molecular del defecto Sobre la base a la naturaleza del efecto en el fenotipo: si la secuencia de aminoácidos en la proteína es alterada o no Sobre la base del agente causal de la mutación

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Sustitución de bases Inserciones y deleciones

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto La mutación más simple Involucra la sustitución de un único nucleótido en el ADN Usualmente la sustitución de una base va acompañada por la sustitución de su par GGG AGT GTA GAT CGT CCC TCA CAT CTA GCA GGG AGT GCA GAT CGT CCC TCA CAT CTA GCA Primer ciclo de réplica del ADN GGG AGT GCA GAT CGT CCC TCA CGT CTA GCA

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Sustitución de bases Transición - Purinas Pirimidinas

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Sustitución de bases Transversión Ocurren la mitad de las veces que las transiciones - Purinas Pirimidinas

¿Por qué? Transversiones unen dos bases que no son complementarias - Factores estéricos provocan deformaciones en la doble hélice - Estas son detectadas y corregidas por las enzimas correspondientes Guanina insertada

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Inserciones y deleciones Segunda mayor manera que ocurra una mutación Adición o remoción, respectivamente, de uno o mas pares de nucleótidos Usualmente cambia el marco de lectura, alterando todos los aminoácidos codificados por los codones subsiguientes

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Inserciones

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Deleciones

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Inserciones o deleciones en múltiplos de tres conllevan a la inserción o eliminación de uno o más aminoácidos Tales mutaciones se llaman inserciones o deleciones en el cuadro o pauta de lectura

Sobre la base de la naturaleza molecular del defecto Repeticiones de nucleótidos cortas secuencias que se repiten Usualmente provocan malfuncionamiento en las proteínas

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Los fenotipos más comunes en las poblaciones naturales son conocidos como fenotipos silvestres El efecto de la mutaciones es considerado con referencia a dicho fenotipo silvestre

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutación directa; altera el fenotipo silvestre Mutación reversa (reversión): la que cambia al fenotipo mutante en el tipo silvestre Retromutación: consiste en recuperar la secuencia exacta de nucleótidos en el ADN AAA(lys)→GAA(glu)→AAA(lys) sentido estricto UCC(ser)→UGC(cys)→AGA(ser) sentido funcional Mutación supresora: es una mutación secundaria que restaura total o parcialmente la función perdida

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones puntuales de sentido equivoco Se sustituye un aminoácido por otro

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Nuevamente, la anemia falciforme

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones sin sentido, también cambia un único par de bases Detiene prematuramente la construcción de la proteína

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones silenciosas. El cambio en un par de bases no afecta el resultado TCA TCG AGT AGC UCA UCG Ser Ser

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones neutras: Provocan cambios en el aminoácido, pero este es químicamente semejante al original No afecta el funcionamiento de la proteína CTT ATT GAA TAA CUU AUU Leu Ile

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones de ganancia de función, activantes o neomórficas Cambian el producto del gen tal que su efecto se fortalece, o es sustituido por una función anormal Cuando se crea un nuevo alelo, el heterocigoto expresará tanto al alelo nuevo como al original Fenotipos dominantes

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones de pérdida de función Normal ACA-ATG-GTA-CGA Cys-Tyr-His-Ala AGG-GGG-CTA Inserción ACA-AGG-GGG-CTA-ATG Cys-Ser-Pro-Asp-Tyr Causadas por transposones que inactivan los genes que interrumpen A veces sólo temporalmente Muchos genomas están llenos de transposones no funcionales

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones condicionales Se expresan sólo bajo ciertas condiciones

Sobre la base de los efectos fenotípicos de las mutaciones Mutaciones letales

Sobre la base del agente causante de la mutación Espontáneas: Mutaciones que resultan del cambio natural en las secuencias de ADN Inducidas: Provocadas por radiaciones y químicos ambientales Cualquier agente que incrementa la tasa de mutación se llama mutágeno Usualmente con efectos negativos

La tasa de mutación varía… (1) Entre especies (2) Entre sexos (3) Entre individuos (4) Entre genes - Generalmente 10-5 a 10-8 mutaciones por division celular - Puede variar entre individuos, dependiendo de sus alelos para: (a) ADN polimerasa (algunos menos “cuidadosos” que otros) (b) Enzimas de reparación de ADN (algunos menos eficientes que otros)

A NIVEL CROMOSÓMICO A B C a B C a b c A b c Cuando los alelos estan próximos entre sí en un cromosoma, decimos que están ligados, pues es poco probable que el entrecruzamiento los separe A B C a b c a B C A b c Es muy probable que el entrecruzamiento ocurra entre las posiciones de A y B, por tanto no están ligados Los alelos suelen separarse durante la meiosis

REARREGLO CROMOSÓMICO: Inversión Cuando las cadenas dobles en un cromosoma se rompen, la parte entre los cortes puede ser re-insertada Así se produce una inversión donde se revierte el órden de los genes entre los puntos de ruptura ADN se corta Orden genético revertido

Mas sobre inversiones Las regiones invertidas no pueden alinearse apropiadamente con los cromosomas homólogos durante la meiosis A B C D E F G a b c f e d g Las regions no se alinearán durante la sinapsis, cuando se aparejan los homólogos (2) El entrecruzamiento causaría pérdida de parte del cromosoma (3) Los alelos f, e y d están ahora ligados y seran heredados como un supergen

Mas sobre inversiones Las inversiones son communes en poblaciones naturales Estudios en Drosophila han demostrado que la selección natural favorece ciertas inversiones - Inversiones que ligan alelos para tamaños corporales pequeños son favorecidas en ambientes cálidos y secos - Inversiones que ligan alelos para tamaños corporales grandes son favorecidas en ambientes fríos y húmedos 

Duplicación de genes A B C A B B C A B C La mutación puede crear alelos nuevos, pero¿cómo se adquieren genes nuevos? Errores durante la meiosis pueden provocar en entrecruzamientos desiguales, cuando los cromosomas hijos heredan regiones duplicadas del cromosoma A B C A B C A B B C

Poliploidía En plantas, la producción de gametos diploides durante la meiosis puede resultar en descendientes tetraploides - Es decir, con cuatro copias de cada cromosoma Plantas tetraploides no pueden producir descendencia fértil con planta diploides normales, pero sí entre tetraploides - Surgen nuevas especies como poblaciones de plantas que sólo pueden reproducirse entre sí

Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) Herencia de los caracteres adquiridos ~1801 Inducción por parte del ambiente (transformismo, transmutación, etc) Las jirafas En términos genéticos, las mutaciones inducidas por el ambiente son heredables

Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) Ideas que fueron ignoradas durante su vida Nunca obtuvo la aceptación y estima de sus colegas, murió pobre y ciego Se le asocia a una teoría evolutiva desacreditada Interés que ha resurgido con el descubrimiento de la epigenética

Charles Darwin (1809-1882) Variación adaptativa heredable resulta de la mutación al azar y la selección natural (1859 El Origen de las Especies) Al contrario que Larmarck, la herencia de los caracteres adaptativos no se debe a la inducción por influencias ambientales Sino a la supervivencia diferencial (selección) y la variación heredable (mutación)

Charles Darwin (1809-1882) Los años posteriores a Darwin y el redescubrimiento de los trabajos de Mendel generaron controversia (hasta los 1930s/1940s) acerca de la importancia relativa de la mutación y de la selección Darwin hablaba de selección natural modificando las especies gradualmente mediante pequeñas transformaciones, los Mendelistas encontraban diferencias marcadas codificadas por los alelos

R Fisher, JBS Haldane, & S Wright En los 1920s los genetistas comenzaron a reconocer que la selección natural puede actuar sobre los genes Quedó claro que cualquier rasgo es, usualmente, el producto de muchos genes Una mutación en cualquiera de los genes involucrados implica pequeños cambios Se demostró cómo la selección natural podría operar en un mundo mendeliano Un trabajo teórico y empírico They carried out breeding experiments like previous geneticists, but they also did something new: they built sophisticated mathematical models of evolution.

R Fisher, JBS Haldane, & S Wright “Genética de poblaciones“ Revelaron cómo aparecen las mutaciones y, si son favorecidas por la selección natural, cómo pueden dispersarse en la población Según ellos, la evolución ocurre por pequeñas mutaciones, pues mutaciones drásticas usualmente serán deletéreas en lugar de beneficiosas They carried out breeding experiments like previous geneticists, but they also did something new: they built sophisticated mathematical models of evolution.

R Fisher, JBS Haldane, & S Wright Planteó la metáfora del “paisaje adaptativo" Imaginen el grado de adaptación de diferentes combinaciones de genes como un paisaje de colinas S. Wright Los valles representan las combinaciones menos adaptadas Los picos, las combinaciones mejor adaptadas Pero el ambiente está cambiando continuamente, los picos cambian y las poblaciones los siguen en una trayectoria sin fin They carried out breeding experiments like previous geneticists, but they also did something new: they built sophisticated mathematical models of evolution.

R Fisher, JBS Haldane, & S Wright Planteó la metáfora del “paisaje adaptativo" S. Wright They carried out breeding experiments like previous geneticists, but they also did something new: they built sophisticated mathematical models of evolution.

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” La primera confirmación que la mutación precede la adaptación la proveyeron Luria y Delbrück (1943) Prueba de fluctuación Dos hipótesis alternativas acerca de cómo E. coli se volvió resistente a un virus: Inmunidad hereditaria adquirida: cada célula de E. coli tenía poca oportunidad de sobrevivir un virus, pero los sobrevivientes “adquirieron” inmunidad que heredaron a sus descendientes - exposición al virus induce resistencia (= adaptación) -

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” (2) Hipótesis de la mutación: en algunos tubos una mutación aleatoria ocurriría temprano y sería pasada a la mayoría de los descendientes, antes de la exposición al virus - Predicción: habrán muchas colonias resistentes a partir de diferentes cultivos iniciadores , dependiendo de qué tan temprano ocurrió la mutación

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” Lederberg & Lederberg (1952) pusieron tela sobre una placa inicial cubierta de bacterias, la apoyaron sobre Muchas placas replica cubiertas de virus Las colonias resistentes a virus aparecieron en el mismo lugar en cada réplica Así, esas colonias estaban ya presentes en la placa inicial La resistencia no fue inducida por los virus Placa inicial

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” Cairns et al. (1988) los experimentos no le dieron a la células una oportunidad justa de “intentar mutar” para sobrevivir, pues los virus mataron células que aun no eran resistentes Tomaron células que tenían una mutación de marco de lectura en su gen lac, necesario para crecer en un medio donde la lactosa es la única fuente de energía Las células mutaron de lac- a lac+ a una frecuencia de1×10-8 Placa con lactosa – tres colonias crecieron (mutaron a lac+) Placa sin lactosa– No crecieron colonias 3×108 células lac- creciendo en un tubo de medio normal

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” Cairns et al. (1988) encontraron que después de 2-4 días, comenzaron a aparecer más colonias - Únicamente en placas con lactosa - Fueron 10-100 veces más frecuentes de lo normal - No incrementó la tasa de mutación de ValS ValR, por ejemplo, es decir, no hubo un incremento generalizado Día 1 Día 3 Día 5 Con lactosa sin lactosa

Volviendo a Lamarck: controversia de la “Mutación dirigida” Cairns et al. (1988) propusieron que las células de alguna manera sentían  que necesitaban mutar su gen del metabolismo de la lactosa para poder sobrevivir... fueron capaces de “choose which mutations will occur” dirigiendo la mutación hacia el gen lac inoperante - 1988-1994, al menos cinco artículos trataron sobre la “directed mutation” cuando la células son cultivadas en medios de nutrientes que ellas no pueden usar Esto, por supuesto, contradice la premisa fundamental de la evolución Darwiniana mediante selección natural, en cuanto a que la variación precede la adaptación - Asegúrense de entender lo controversial de esto!!!

Enlaces interesantes: http://progettocosmo.altervista.org/rm.php http://lab.concord.org/embeddable.html#interactives/sam/DNA-to-proteins/4-mutations.json