TEMA 3 - MUTACIÓN Y REPARACIÓN PDF

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Mutaciones que se producen en el material genético y mecanismos de reparación que existen para las mismas, tanto en procariotas como en eucariotas....

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TEMA 3: MUTACIÓN Y REPARACIÓN

En el tema anterior estudiamos cómo el DNA cumple su función de preservar la información que posibilita la vida. Sin embargo, también debe ser una molécula dinámica, capaz de cambiar para que el organismo se adapte a los cambios en el medio. Estudiaremos cómo se consigue esta segunda función en el tema que va a continuación. 3.1. MUTACIONES Mutación: es cualquier cambio en la secuencia de DNA de un genoma. A más exposición a mutágenos, mayor cambio en las bases. Clasificación de las mutaciones: 

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Según su origen: 

Espontaneas: ocurren de forma natural en la célula.

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Inducidas: ocurren al exponer al organismo a un agente mutágeno.

Según su efecto en la célula: 

Letales: provocan la muerte de la célula.



Viables: no provocan la muerte del organismo (pueden beneficiarlo o perjudicarlo).

Según el tipo de cambio en la secuencia de DNA: 

Puntuales:  Sustituciones de bases: -

Transiciones: cambian una base púrica por otra púrica, y una pirimidínica por otra pirimidínica. No suelen ser graves.

-

Transversiones: cambian una base púrica por una pirimidínica, y viceversa. Suelen ser algo más graves que las transiciones.

 Delecciones o adiciones pequeñas: eliminan o incorporan bases a la secuencia. Su gravedad depende del número de pares de bases eliminadas o insertadas y del sitio. Si es múltiplo de 3, se elimina o añade un nucleófilo (aa enteros a la proteína). Si es 1, 2 ó múltiplo de 2, ocurriría una mutación de deslizamiento o cambio de fase de lectura, y toda la proteína es diferente, cambia. 

Reordenamientos: afectan a gran número de bases:  Inserciones o deleciones de gran tamaño: depende de los genes que impliquen serán más o menos grandes. Se utilizaban para la localización de genes en los cromosomas (mapeo genómico).

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a)

Mutaciones inducidas

Dentro de las mutaciones inducidas, vamos a ver los tres grandes efectos de los agentes mutágenos: 

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Reemplazamiento de bases: lo producen algunos mutágenos que son análogos estructurales de las bases, y que se pueden incorporar al DNA, produciendo un apareamiento incorrecto debido a las tautomerías ceto-enólica y amino-imino. Dos de los análogos estructurales más usados son: 

El 5-bromo uracilo: es análogo a la timina, pero pasa más fácilmente a su forma enólica y, en ese caso, aparea con guanina y produce una transición de un par A-T a un par G5bromouracilo, y cuando ésta se vuelve a replicar dará lugar a un par G-C.

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2-aminopurina: es una purina, análogo estructural de la adenina, que también puede protonarse y pasar de su forma amino a su forma imino. En este caso se aparea con citosina; de nuevo produce una transición formándose el par 2aminopurina-timina. Posteriormente, se vuelve a replicar y forma el par 2aminopurina-citosina y, finalmente, da lugar al par G-C. De nuevo se trata de una transición.

Alteraciones de bases: en este caso, los mutágenos no se incorporan al DNA, sino que afectan a las bases nitrogenadas que ya existen. Los agentes mutágenos son los siguientes: 

Agentes alquilantes: por ejemplo el EMS (etil-metano-sulfonato), que provoca la formación de un grupo alquilo en la guanina que permite a la base aparearse con timina, y viceversa.

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Agentes intercalantes: por ejemplo la Mitosoguanidina, que son moléculas planas que se introducen en el DNA y producen deleciones o adiciones de un par de bases (nucleótido).

Daño en las bases: los mutágenos dañan las bases, bloqueando la replicación. En bacterias, ese bloqueo lo superan añadiendo bases al azar (respuesta SOS). Los más importantes de este grupo son los rayos UV (que provocan la dimerización de timinas que están apiladas juntas (apareamientos TT), eliminando el dímero de timina y provocando rupturas. Se forman dímeros de ciclobutano) y los carcinogénicos (como la Aflatoxina B1, que modifica residuos de guanina provocando rupturas).

b) Mutaciones espontáneas: Se deben a tres grandes causas: 

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Errores durante la replicación: a pesar de la corrección de errores de la DNA polimerasa, algunos errores no son detectados. Se trata sobre todo de: 

Transiciones (cambios de A → G y C → T), dado que las transversiones implican un cambio en el diámetro de la doble hélice, y los cambios de ese tipo sí suelen detectados y corregidos.

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Mutaciones por deslizamiento de hebra (de cambio de base): en algún momento de la replicación, una hebra se suelta y, por tanto, hay bases replicadas varias veces (quedando una cadena más larga que otra). Ocurren en zonas con repeticiones de secuencias, y pueden volver a hibridar más tarde con la misma secuencia.

Lesiones espontáneas: son principalmente: 2

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Depurinación: se produce la pérdida de guaninas en la cadena, que ocurre por estar el DNA sometido a pH ácido, rompiéndose el enlace N-glicosídico entre guanina y azúcar. La célula tiene mecanismos para repararlo.

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Desaminación: principalmente la desaminación oxidativa de citosinas, que dan lugar a uracilo. Si no se reparan, pueden producir mutaciones por transición (de un par GC a un par GU que, al replicarse, da lugar a un par UA y a otro CG. El par UA, finalmente, evoluciona a TA, quedando TA en una célula y CG en otra).

Daño oxidativo de las bases debidos a radicales libres de oxígeno (O 2-): estos radicales se producen por reducciones incompletas del oxigeno en la cadena de transporte de electrones. La oxidación afecta sobre todo al DNA mitocondrial. Principalmente, modifica a la guanina, que pasa a 8oxoguanina.

3.2. REPARACIÓN DEL DNA

Existen varios mecanismos de reparación. Algunos son específicos de un tipo de lesión, y otros reparan varios tipos de lesiones (generales). Por otro lado, hay lesiones que pueden repararse con más de un mecanismo. En general, la mayoría elimina la lesión, pero también se desencadenan procesos de replicación y recombinación. Existen varios mecanismos para la reparación: 

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Mecanismos de reparación directa: son específicos de lesión, y entre ellos encontramos: 

Fotoliasa: es una enzima que repara los dímeros de timina. Se activa por la luz UV (que es también la que causa la mutación), y actúa reconociendo el dímero de timina y eliminándolo (lo corta) de la cadena de DNA. Esa zona cortada (hueco) es reparada y rellenada por DNA polimerasas.

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Alquiltransferasas: reparan las alquilaciones.

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Glicosidasas: reparan la depurinación. Transfieren un grupo de guanina cuando ..

Mecanismos de escisión: 

Escisión de base (VER): si tenemos una base modificada, eliminan esa base del DNA y, posteriormente, el nucleótido es cortado a ambos lados, rellenando ese hueco por la DNA polimerasa. Este sistema se utiliza para eliminar los uracilos, ya que la enzima N-uridilglicosidasa reconoce los uracilos, los quita del azúcar y, a continuación, se elimina el nucleótido por ambos lados. Finalmente, la DNA polimerasa rellena el hueco añadiendo una timina donde corresponde. Una DNA ligasa sella la molécula donde no hay hueco, formando el enlace que falta.

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Mecanismo de escisión de nucleótido (NER): intervienen las proteínas codificadas por los genes Uvr, que daban resistencia a UV. Estas proteínas son las que detectan la lesión. Hay 4 proteínas Uvr;, A, B, C y D. En este mecanismo, cuando se detecta la lesión, se hidroliza (rompe) la cadena de DNA dañada por el enlace azúcar-fosfato y se eliminan los nucleótidos dañados. Las DNA polimerasas rellenan el hueco, y las DNA liasas lo sellan (el DNA). En eucariotas, este mecanismo es más complejo, dado que intervienen más proteínas. El síndrome más conocido provocado por fallos en estas proteínas es el Xerodermia Pigmentosum.

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Mecanismos de reparación de desapareamiento de bases: repara los nucleótidos mal incorporados durante la replicación que no han sido detectados por la actividad correctora de pruebas de la DNA polimerasa. Intervienen las proteínas Mut, cuyo fallo o ausencia aumenta la formación de mutaciones. Hay tres genes Mut: S, H, L. Este mecanismo se basa en la eliminación del último nucleótido erróneo incorporado, mejor dicho, en la eliminación del nucleótido del par apareado erróneamente que se ha incorporado en último lugar; es decir, el que dé la hebra sintetiza de novo durante la replicación. El sistema puede reconocer cuál es la hebra replicada “de novo” y distinguirla de la molde, pues cuando replica el DNA, a lo largo del genoma (DNA) hay una secuencia consenso (GATC para E. coli) (la hebra molde tiene una marca) en la cual metila la A. La nueva hebra está sin metilar, pues la metilación de la nueva hebra se realiza con retraso, de esa forma la enzima encargada (Mut H en procariotas) puede distinguir cuál es la hebra original y cuál es la hebra sintetizada. Mut H se encarga de reconocer la hebra sin metilar en procariotas, pero no se conoce cuál es su homólogo en eucariotas, ni tampoco cómo hacen esto los mamíferos. La cuestión es saber cuál es el nucleótido que está mal.

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Mecanismos de reparación de roturas de doble banda: es una grave lesión del DNA, que consiste en la ruptura de las dos hebras de la doble hélice. Puede venir causada por radiaciones ionizantes (γ, gamma), o también por dosis muy alta de quimioterapia. Dada la gravedad de la lesión, la célula repara este daño por mecanismos de emergencia (por recombinación o por unión no homóloga de extremos) que, aunque no dejan la célula completamente igual y no la equiparan a una célula normal, le dan una cierta viabilidad.

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Mecanismos de reparación inducida: se pone en marcha ante daños masivos (muy graves) en el DNA. Se produce por unos altos niveles de expresión implicadas en la reparación y recombinación. 

En procariotas, se produce la respuesta SOS: los genes implicados en esta respuesta están controlados por el mismo operón, que normalmente está inhibido por la proteína LexA (es decir, en condiciones normales la proteína LexA hace que no se produzcan genes en la reparación). Cuando se daña el DNA, se produce un DNA de banda simple (que se origina cuando hay recombinación), que activa a la proteína RecA, que degrada a LexA, permitiendo que los genes implicados en reparación SOS se expresen. Las proteínas implicadas, producidos por estos genes son Uvr A-D, DNA polimerasas que copian moldes dañados, proteínas implicadas en recombinación…

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En eucariotas, el sistema está controlado por la proteina p53, que sería equivalente a la LexA. Esta proteína p53 es un factor de transcripción, de tipo antioncogen (porque protege nuestro genoma, gen anticancerígeno). Es la proteína maestra que controla la expresión de genes implicados en reparación y detección de daños. Su función es impedir que células con DNA dañado se repliquen, evitando la propagación de DNA dañado a la descendencia. Hace varias cosas (tiene varias capacidades):  Bloquea el ciclo celular en la fase G1 si detecta daños en el DNA, permitiendo que sean reparados antes de la replicación.  Activa los mecanismos de reparación, provocando la expresión de los genes (proteínas) implicados en reparación y detección de daños.  Induce apoptosis (muerte celular programada), pues p53, cuando detecta que los daños son tan graves que no pueden ser reparados, provoca la muerte de la célula. Por ejemplo, en células irradiadas, o durante el desarrollo embrionario.

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Recombinación: la recombinación existe en unas regiones del genoma denominadas regiones Chi (JI), que son regiones de alta frecuencia de recombinación, pues es donde se producen los procesos 5

de recombinación. Esto es así porque son regiones (secuencias) fácilmente reconocidas por el complejo Rec BCD, que favorece que se incorpore la proteína RecA. La elongación la lleva a cabo RecA, que lo que hace es unirse a un DNA de banda doble (doble cadena) que esté roto (si no, no puede) e intercambiarlo con otro DNA de banda simple que encuentra homología de secuencia:  Recombinación homologa: se utiliza en reparación, y se produce entre zonas de DNA que presentan grandes extensiones de homología de secuencia (secuencias muy parecidas); es decir, con DNAs parecidos. La recombinación también implica rotura y reunión de fragmentos de DNA. Esta rotura y reunión se puede dar en cualquier punto de la zona de homología.

 Recombinación específica de sitio: tiene lugar en el fago λ (que parasita E. coli). La recombinación se produce en un único sitio, en el cual la sección de homología de secuencia es muy corta (15 nucleótidos). En este mecanismo no interviene la proteína RecA. Es el paso que marca el ciclo lisogénico del fago λ, mediante el que se incorpora el 6

DNA del virus al de la bacteria. La recombinación se produce entre regiones (secuencias) presentes en el DNA del fago y en el DNA de la bacteria. A la secuencia del fago se le denomina attP (tamaño de 15 nucleótidos, y dentro de ellas se encuentran las regiones O), y en la bacteria al sitio se le denomina attB. El profago (DNA vírico) permanece insertado hasta que, por determinados mecanismos, se libera de nuevo y comienza la síntesis de nuevos viriones. Las proteínas encargadas en la escisión son las que están codificadas por el fago.

Esto se conoce en procariotas, en eucariotas todavía se desconoce mucho

3.3. TRANSPOSONES Los transposones, o elementos transponibles, son fragmentos de DNA movibles, que cambian de un lugar a otro en el genoma. El mecanismo mediante el cual cambian de un lugar a otro se le denomina transposición, y se considera que tiene cierta analogía con la recombinación. Lo importante de los transposones es que nunca se encuentran como elementos libres fuera del genoma, sino que siempre están integrados en los genomas. No tienen ninguna homología de secuencia con el sitio en el que se encuentran; es decir, no existe homología de secuencia entre los transposones y las zonas en las que se insertan, por lo que pueden insertarse en cualquier sitio. La consecuencia de que se puedan encontrar en cualquier sitio es que producen mutaciones en los sitios de inserción, por lo que la transposición es un mecanismo muy controlado (para evitarlo), que se produce con baja frecuencia (10-3 - 10-4 como frecuencia de transposición, probabilidad de que salte). Los transposones son muy abundantes en bacterias, pero no únicos, pues también son abundantes en plantas y eucariotas superiores, como los mamíferos. Los restos de transposones son un componente mayoritario de lo que se denomina DNA basura (DNA intergénico). 7

Fueron descritos por Bárbara McClintock, que estudió el efecto de variegación del maíz. Sin embargo, no se demostró su existencia hasta los años 60.

La transposición puede ocurrir de dos maneras: 

Vía DNA: se trata simplemente de un fragmento de DNA que se mueve y se extinde en otra dirección (fragmentos de DNA que sólo se cambia de un sitio a otro).

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Vía RNA: el transposón se transcribe y produce un RNA que, posteriormente, se vuelve a transcribir a DNA por la transcriptasa inversa, de manera que puede volverse a integrar (ese DNA). A este tipo de transposones se les denomina retrotransposones.

Transposición en procariotas: Están implicados tres sitios: los dos extremos del transposón, y el sitio de integración. La proteína que lo lleva a cabo es la transposasa, que reconoce la secuencia de los extremos del transposón, que son DNA de secuencias repetidas (iguales en los dos extremos del transposón) invertidas. Cuando se transpone, provoca que aparezca en el sitio de integración una repetición directa en el sitio en que se inserta (en los extremos). En bacterias, hay tres clases fundamentales de transposones, que se clasifican según los genes que lleven: 

Clase I: sólo tienen un gen, que es el gen que codifica para la transposasa. Dentro de este tipo hay dos subclases: 

Elementos o secuencias de inserción (IS): tienen una longitud de unos 2500 nucleótidos (2,5 kB). Se conocen unos 500 distintos, que difieren en la secuencia invertida que llevan (tienen). Cada uno de ellos lleva una transposasa que reconoce específicamente sus secuencias invertidas; es decir, llevan una transposasa específica de sus secuencias invertidas.

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Transposones compuestos (Tn): están formados por dos IS, que flanquean secuencias o fragmentos de DNA procedentes del sitio donde estuvieron integrados (llevan en medio de los dos una secuencia de DNA del sitio donde estuvieron insertados). Es uno de los mecanismos por el cual las bacterias transfieren genes de unas a otras (el DNA central lleva genes). Generalmente son genes bacterianos. Estos genes Tn son los responsables de la resistencia a antibióticos de las bacterias.

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Clase II: llevan los genes para transposasa y resolvasa. Se transponen por la vía replicativa, que estudiaremos a continuación.

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Clase III: estos transposones son los más complicados en bacterias. Llevan, además, genes de desarrollo de fago (genes de fago).

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Mecanismos de transposición: 

Transposición simple o no replicativa: el transposón se transpone (salta) a otro lugar (a un nuevo sitio) del genoma, dejando un hueco en el sitio en el que estaba insertado. Este DNA roto puede perderse o religarse. En el nuevo sitio de integración (inserción), el transposón puede provocar mutaciones si se introduce (inserta) dentro de un gen.

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Transposición replicativa: el transposón se replica (se copia), y la copia pasa a otro lugar del genoma, mientras que el original permanece insertado en el sitio original. Este mecanismo es molecularmente más complejo que el anterior, y requiere tanto la transposasa como la resolvasa.

Como consecuencia importante de ambos mecanismos es que como resultado de la transposición se genera una repetición directa en el sitio de integración del transposón. Esto es así porque, cuando se produce la transposición, se producen dos cortes en las dos hebras del DNA (uno encada hebra) en posiciones no enfrentadas, en el sitio de inserción, de manera que, posteriormente, el hueco se rellena, se mete el transposón. Así, se generan dos repeticiones directas. (Está mal el dibujo ultimo de la diapositiva, en la secuencia).

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