Aula 1 - IBILCE/UNESP

Pós-Graduação em Genética
Mutagênese e Reparo do
DNA
Disciplina: Genética Humana e Molecular
Docente responsável: Profa. Dra. Ana Elizabete Silva
Dra. Fernanda da Silva Manoel Caetano
Pós-doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Genética
Ambiente celular
Moléculas de DNA não são
absolutamente estáveis
Cada par de base na dupla
hélice do DNA
Probabilidade de sofrer mutação
• Ocorrem em todos os genes de todos
os organismos vivo;
• Fornece nova variabilidade genética:
adaptação às mudanças do ambiente;
• Essencial para o processo evolutivo.
Células somáticas:
Mutação somática
Células germinativas:
Mutação germinativa
•Mutações genômicas: numéricas (aneuploidias)
•Mutações cromossômicas: estruturais
•Mutações gênicas: mutação de ponto
Alteração de um único par de base
do DNA ou de um número
pequeno de pares de base
adjacentes
Espontâneas: ocorrência natural (todas as células)
 Erros na replicação: pareamento errôneo durante a
síntese do DNA levando à substituição de bases
Ex: mudança tautomérica, transições, transversões,
mudança de matriz de leitura, deleções e duplicações
 Lesões espontâneas
Ex: desaminação; depurinação; bases oxidativamente
danificadas
Induzidas: Agentes mutagênicos
 Agentes físicos
 Agentes químicos
 Agentes biológicos
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Erros na replicação do DNA:
– Cada uma das bases no DNA pode se apresentar
como tautômeros (isômeros que diferem nas posições
e nas ligações entre seus átomos
– forma ceto de cada base está normalmente presente
no DNA
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Erros na replicação do DNA:
– Formas imino e enol das bases são raras
– Mudança tautomérica: pareamentos errados que
resultam da mudança de um tautômero para outro
Pareamento errado entre formas tautoméricas de pirimidinas
Pareamento errado entre formas tautoméricas de purinas
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Erros na replicação do DNA:
– Mutação por mudança tautomérica
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Erros na replicação do DNA
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Erros na replicação do DNA
Mutação frameshift
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
•
Erros na replicação do DNA
– Deleções e duplicações
ocorrem geralmente em
sequências repetidas
– Grandes deleções
removem genes do
genoma
– Grandes duplicações
geram múltiplas cópias de
genes
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Lesões espontâneas
Células de mamíferos:
perdem 10.000 purinas
em 20h, 37ºC
Interrupção da
ligação glicosídica
entre a base e o
açúcar e perda de
uma G ou A
Uracilas não reparadas se
pareiam com A na replicação:
transição GC para AT
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS
• Lesões espontâneas
– Dano oxidativo
Transversão
G T
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS E DOENÇAS HUMANAS
• Expansão de uma repetição de 3 pares de
bases: doenças de trinucleotídeos repetidos
Síndrome do
X frágil
 forma comum de retardo mental herdado
 afeta 1/1500 homens e 1/2500 mulheres
 citologicamente se manifesta por um sítio frágil
no cromo X
Resulta de alterações no número de repetições (CGG)n
em uma região do FMR-1 (transcrito mas não traduzido)
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS E DOENÇAS HUMANAS
 Sintomas da doença se desenvolvem de acordo com o número
de repetições CGG no gene FMR-1
https://mrhunsaker.github.io/CGGKIMotor/
MUTAÇÕES ESPONTÂNEAS E DOENÇAS HUMANAS
Regiões de repetições de
trinucleotídeos são propensas
a deslizar durante a replicação
(alça) .
A mesma região de trinucleotídeos
repetidos pode ser duplicada duas
vezes no curso da replicação
Mutações induzidas
Agentes Mutagênicos
Agentes Mutagênicos
MUTÁGENOS FISICOS
 Radiações ionizantes: raios X, radiações alfa, beta e gama
Mutações cromossômicas (deleções e translocações)
 Radiações não-ionizantes: luz UV
Formação de dímeros de pirimidina
Agentes Mutagênicos
MUTÁGENOS QUÍMICOS
 Ácido nitroso: desaminação de A e C
Incorporação de bases errôneas durante
a replicação
 Agentes intercalantes : acridina orange, brometo de etídio...
Intercalam entre 2 pb dando origem à inserções ou deleções de 1 pb
 Análogos de base: 5-BU, 2-AP
Substituição de bases provocando transições
 Agentes alquilantes: EMS, NG
Adição de grupos etil ou metil às bases
Agentes Mutagênicos
MUTÁGENOS BIOLÓGICOS
 Vírus: HPV, Hep. B
HBV
HPV
 Transposons
Inserção de um elemento genético
transponível em um gene normal produz um
gene não funcional
Genes de controle do ciclo
celular
AGENTES
MUTAGÊNICOS
CARCINÓGENOS
Divisão celular
controlada
Divisão celular
descontrolada
CÂNCER
Sociedade moderna depende do uso extensivo
de químicos
Indústria e agricultura
Novas substâncias químicas são produzidas a
cada ano
Mutagenicidade e carcinogenicidade
devem ser testadas
Teste de Ames para mutagenicidade
• 1970: Bruce Ames  forte correlação entre a
habilidade de compostos causar câncer e sua
habilidade para causar mutações
– medida das taxas de mutação em sistemas
bacterianos seria eficiente para avaliar a
mutagenicidade de compostos
– nem todos os carcinógenos sozinhos são
mutagênicos, porém alguns metabólitos de
carcinógenos produzidos no corpo por reações
enzimáticas no fígado são agentes mutagênicos: tais
reações enzimáticas não aconteceriam em bactérias
Teste de Ames para mutagenicidade
• método rápido, sensível e barato
• utilizado para identificar químicos que possam ser carcinogênicos
http://mbioscience.com/ames-test.html
Fontes de danos no DNA
Falhas em algumas destas vias
INSTABILIDADE GENÔMICA
Sancar et al., 2004
LESÕES NO DNA E MECANISMOS DE REPARO
Reparo por Excisão de Base – Base Excision Repair (BER)
• Depois da leitura de prova (DNA
proofreading) pela DNA polimerase, é o
mecanismo de reparo mais importante para a
remoção de bases danificadas ou incorretas.
• Sistema de reparo que depende da
complementariedade da fita molde.
Base Excision Repair (BER)
Reparo por Excisão de Nucleotídeo – Nucleotide Excision Repair
(NER)
• Principal sistema de reparo para a remoção de
lesões volumosas no DNA formadas pela exposição à
radiação ou químicos
 Reparo por excisão de nucleotídeo acoplado à transcrição
(TC-NER): repara regiões transcritas de DNA e é ativado por
complexos de transcrição paralisados
 Reparo genômico global (GGR): corrige lesões em
qualquer lugar do genoma e é ativado por forquilhas de
replicação paralisadas
Nucleotide Excision Repair (NER)
http://www.hindawi.com/journals/jna/2010/592980/fig11/
Reparo de mal pareamento – Mismatch repair )MMR)
• Principal via que corrige erros remanescentes da
replicação
• Reduz a taxa de erro para  10-9 : reconhece e
repara bases mal pareadas e pequenos loops
causados por inserção e deleção de nucleotídeos
durante a replicação
• 3 passos:
– reconhecimento dos pares de base mal pareados
– determinação de qual base do par está errada
– excisão da base incorreta e síntese de nova base
E. coli
http://gizmodo.com/dna-repair-earned-the-nobel-prize-in-chemistry-and-her-1735347676
Junção de extremidades
não-homólogas –
Nonhomologous end
joining (NHEJ)
• Sistema de reparo propenso
a erro
• Ativado quando fitas não
danificadas ou cromátidesirmãs não estão presentes
Gent and Burg, 2007
Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR)
 Mecanismo livre de
erro
 Ativado quando DSBs
ocorrem após a
replicação de uma
região cromossômica
de uma célula em
divisão
http://mpmp.huji.ac.il/maps/dsbRecomb.html
DOENÇAS HUMANAS HEREDITÁRIAS COM DEFEITOS
NO REPARO DO DNA
Xeroderma Pigmentoso
Síndrome de Cockaine
Tricotiodistrofia
Anemia de Fanconi
Ataxia telangiectasia
Síndrome de Bloom
 defeitos nos mecanismos de reparo e replicação do DNA
 freqüência  aberrações cromossômicas
 incidência  câncer
XERODERMA PIGMENTOSUM (XP)
• indivíduos extremamente sensíveis à luz do sol
• risco elevado de desenvolver câncer de pele
• deficiência de reparo de dano no DNA induzido
por UV (dímeros de T) - NER
• resulta de defeitos de qualquer um de 8 genes diferentes
(XPA, XPB, XPC, XPD XPE, XPF, XPG e XPV)
• ~30% dos indivíduos XP desenvolvem anormalidades
neurológicas progressivas
SÍNDROME DE COCKAYNE (CS)
• defeitos nos genes CSA e CSB (TCR-NER)
• indivíduos com CS exibem sensibilidade à luz UV (sem risco
para câncer de pele), retardo do crescimento e das
habilidades mentais e envelhecimento precoce
TRICOTIODISTROFIA
• defeitos nos genes TTDA, XPB, XPD (NER)
• indivíduos exibem baixa estatura, cabelos frágeis e pele
escamosa, sensibilidade à luz UV, distúrbios neurológicos e
retardo mental
ANEMIA DE FANCONI (FA)
•
•
•
•
•
•
•
células dos indivíduos com FA exibem defeitos na remoção de
ligações cruzadas inter-cadeia no DNA (inter-stand cross-links)
formadas pelo antibiótico mitomicina C, por ex.
envolve 8 genes (FANCA-FANCH) em 5 cromossomos
diferentes
início dos sintomas: 5-10 anos
mais frequente em homens (2:1)
baixa estatura
hiperpigmentação da pele (manchas “café com leite”)
ausência do polegar ou do rádio, hipogonadismo, distúrbios
renais, anomalias oculares, microcefalia, deficiência mental
ATAXIA TELANGECTASIA (AT)
• células de pacientes com AT exibem sensibilidade
anormal à radiação ionizante
•
ataxia cerebelar (12-14 meses); disfunção neuromotora
• telangiectasia olhos e pele (3 e 5 anos)
• retardo de crescimento (70%)
•
incidência  neoplasias (linfoma e leucemia linfóide) e
imunodeficiências
• incidência: 1/40.000
• risco  câncer de mama (heterozigotos AT)
•
células AT: rearranjos espontâneos dos cromossomos 7 e 14
ATAXIA TELANGECTASIA (AT)
•
mutações no gene ATM (11q22-23)
http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n3/fig_tab/nrg0301_196a_F2.html
SÍNDROME DE BLOOM (SB)
•  peso ao nascimento
• retardo de crescimento pré e pós-natal
• telangiectasias e fotossensibilidade (borboleta)
• cabeça alongada, microcefalia, inteligência normal
• imunodeficiência: infecções (respiratórias e gastrointestinais)
SÍNDROME DE BLOOM (SB)
• Incidência: 1/58.000 judeus
(Ashkenazi)
• Cromossomos em
figuras quadrirradiais
• mutações no gene BLM (15q26.1)
• DNA helicase ( RecQ)
papel na replicação e reparo do DNA
Risco maior de câncer: carcinomas,
Leucemias e linfomas
Por quê indivíduos com algumas destas doenças
hereditárias com defeitos
no reparo do DNA apresentam risco elevado de
desenvolver alguns tipos
de câncer
Instabilidade Genética – uma característica evolutiva
do câncer
• Formas de instabilidade genética em câncer
– instabilidade cromossômica (aberrações
numéricas e estruturais)
– instabilidade de microssatélite (expansão ou
contração de repetições de oligonucleotídeos em
sequências de microssatélite)
– frequência aumentada de mutações de pares de
base
Formas de instabilidade
genética em cânceres
hereditários
Mutações em genes de
reparo do DNA
Fornece suporte para a
“hipótese do mutador”
A instabilidade genética está presente em
lesões pré-cancerosas e direciona o
desenvolvimento do tumor
por aumentar a taxa de mutação
espontânea
Instabilidade genética
em leões précancerosas
Mutações em genes
“guardiões” (caretaker genes)
Genes que funcionam
primariamente para manter a
estabilidade genômica (TP53, ATM)
TP53 e ATM - Resposta aos danos no DNA
http://clincancerres.aacrjournals.org/content/14/13/4032/F1.expansion.html
CÂNCERES HEREDITÁRIOS
Mutações na linhagem germinativa tendo como alvo genes
de reparo estão presentes em todas células do corpo do
paciente
 Um único evento (perda do alelo selvagem remanescente)
levaria à instabilidade genômica e direcionaria o
desenvolvimento do tumor (hipótese do mutador)
http://sphweb.bumc.bu.edu/otlt/MPH-Modules/PH/PH709_Cancer/PH709_Cancer4.html
DNA DAMAGE RESPONSE - DDR
• DDR pode sofrer regulação pós-transcricional por miRNAs
• miRNAs podem reduzir direta ou indiretamente a expressão
de genes de resposta aos danos no DNA
http://www.nature.com/ncb/journal/v11/n3/full/ncb0309-228.html
Biogênese de miRNA
Liu and Lu, 2012
miRNAs na DDR
 Defeitos na DDR e repressão global de miRNA: características de
muitos tipos de câncer humano
 Várias proteínas cruciais da via DDR são reguladas por miRNAs
 miRNAs regulados pela DDR e miRNAs que regulam os genes da
DDR: iniciação e progressão da tumorigênese
 nova visão para a sensibilidade ou resistência das células
cancerosas às drogas genotóxicas: desenvolvimento de novas
estratégias terapêuticas
Han et al., 2012
2015 Nobel Prize in Chemistry
for Understanding DNA
Repair
Tomas Lindahl
Francis Crick Institute and Clare Hall
Laboratory, Hertfordshire, UK (via BER)
Paul Modrich
Howard Hughes Medical Institute and
Duke University School of Medicine,
Durham, NC, USA (via MMR)
Aziz Sancar
University of North Carolina, Chapel Hill,
NC, USA (via NER)
“for mechanistic studies of DNA repair"