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Tema 9. Mutación génica y reparación

Genética CC.MM.

• Significado evolutivo de la mutación

• Tipos de mutación

• Origen de las mutaciones

• Mecanismos de reparación del DNA

• Elementos transponibles

Contenidos

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Significado evolutivo de la mutación

Mutación• Mutación: Alteración de la secuencia de DNA. Puede ser debida a cambios

espontáneos, errores durante la replicación, agentes químicos, radiación, etc.– Cromosómicas: afectan a cromosomas completos o secciones de cromosomas.– Puntuales: Afectan sólo a una o unas pocas pares de bases.

• Importancia evolutiva:– Son la fuente última del origen de la variabilidad genética.– Determinan la aparición de nuevos fenotipos.

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Mutación y herencia

• Mutaciones somáticas: Afectan a células somáticas, no implicadas en la formación de gametos. Afectan sólo al individuo que las parece, y no son transmitidas a la descendencia.

• Mutaciones en la línea germinal:Afectan a la línea germinal de organismos con reproducción sexual. Son transmitidas a la descendencia a través de los gametos.

Mutación en laLínea geminal

Mutación somática

Mutación: cuantificación

• Tasa de mutación: La probabilidad de ocurrencia de un determinado tipo de mutación por unidad de tiempo.

• Frecuencia de mutación: Número de mutaciones expresada como la proporción de células o individuos afectados (1 mutación por cada100.000 individuos; 1 mutación por cada 1000.000 de gametos).

• La mutación es un suceso raro:– Mutaciones puntuales: 10-5 - 10-6 por locus y generación.– Mutaciones cromosómicas: 10-2 - 10-4 por división.

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Mutación versus adaptación

• Dos hipótesis para el origen de las mutaciones:

– Adaptativa: Se producen mutaciones adaptativas inducidas por el efecto del ambiente.

– Pre-adaptativa: La mutaciones surgen de forma continua y aleatoria y, por azar,algunas de ellas resultan ser adaptativas.

• Varios experimentos demuestran la naturaleza pre-adaptativa de la mutación:

– Prueba de la fluctuación: Luria y Delbrück (1943). – Prueba de la réplica en placa: Lederberg y Lederberg (1953).

Mutación versus adaptación

• Resistencia de E. coli al fago T1.• Mutación adaptativa: E. coli sólo muta al añadir T1. La proporción de E.coli resistentes

en cultivos replicados es la misma.• Mutación pre-adaptativa E. coli muta independientemente de si T1 es o no añadido. La

proporción de E. coli resistentes es diferente entre cultivos replicados (depende de la generación en la que surgió la mutación por azar).

Adaptativa

Pre-adaptativa

Prueba de la fluctuación

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Mutación versus adaptaciónPrueba de la réplica en placa

• Se realizan varias réplicas del cultivo bacteriano sobre medios selectivos y no selectivos.

• Las bacterias que muestran resistencia al antibiótico en el medio selectivo son las mismas que en el medio no selectivo. El desarrollo de resistencia es por tanto independiente de la exposición al antibiótico: la mutación es pre-adaptativa

Tipos de mutación

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Tipos de mutaciones puntuales

• Substitución: Reemplazamiento de una base por otra.

• Inserción/deleción: Eliminación o adición de una base. – Tienen un efecto drástico en genes que codifican proteínas, pues

determinan un corrimiento de la pauta de lectura dando lugar a una proteína muy alterada en su secuencia aminoacídica

inserción

Clasificación de las substituciones

• Según el tipo de cambio nucleotídico:– Transiciones– Transversiones

• Según su efecto en genes que codifican proteínas:– Sinónimas– No sinónimas– Sin sentido– Neutras

• Según su efecto sobre el fenotipo:– Reversiones– Supresoras

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Clasificación de las substituciones

• Transiciones: Reemplazamiento de una purina por otra purina, o de una pirimidina por otra pirimidina.

• Transversiones: Reemplazamiento de una purina por una pirimidina, o viceversa.

• No sinónima: Determinan el reemplazamiento de un aminoácido por otro.

• Sin sentido: Determinan que un codón que codifica un aminoácido se transforme en un codón STOP.

• Neutra: Determinan el reeplazamiento de un aminoácido por otro de propiedades similares.

• Sinónima: No producen cambio aminoacídico.

Clasificación de las substituciones

• Reversiones: Reemplazan la base mutada reestableciendo el fenotipo salvaje, bien de forma total (reversión verdadera) o parcial (reversión parcial).

• Mutaciones supresoras: Ocurren en una posición distinta a la de la mutación inicial, reestableciendo el fenotipo salvaje de forma total o parcial.

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Origen de las mutaciones

Mutaciones espontáneas e inducidas

• Mutaciones espontáneas: Ocurren de forma natural.

– Originadas por errores durante la replicación.• Emparejamiento incorrecto de bases• Presencia de inserciones/delecciones

– Originadas por cambios químicos espontáneos (despurinización y desaminación).

• Mutaciones inducidas: Ocurren cuando un organismo es expuesto de forma accidental o deliberada a un agente físico o químico. Estos agentes se denominan mutágenos.

– Originadas por radiación.• Rayos X• Rayos UV

– Originadas por mutágenos químicos.• Análogos de bases• Modificadores de bases• Agentes intercalantes

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Mutaciones espontáneas

• Son el resultado de un apareamiento incorrecto de una base con otra durante la replicación.

Emparejamiento incorrecto de bases durante la replicación

• Como consecuencia de un apareamiento incorrecto G-T en la primera ronda de replicación, se obtiene un DNA con la mutación A-T en la segunda ronda de replicación.

Emparejamiento incorrecto de bases durante la replicaciónMutaciones espontáneas

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Presencia de inserciones/deleciones durante la replicación

• Son debidas a la formación de bucles durante la replicación. Si el bucle aparece en la cadena molde, la DNA polimerasa se salta la base incluida en el bucle y se genera una deleción. Si el bucle aparece en la cadena que se sintetiza, la DNA polimerasa genera una inserción.

Mutaciones espontáneas

Deleción Inserción

Cambios químicos espontáneos

• Son producidas por lesiones del DNA: despurinización y desaminación.

• Despurinización: Lesión del DNA debida a la pérdida de purinas (A o G).

Mutaciones espontáneas

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Cambios químicos espontáneos

• Desaminación: Lesión del DNA debida a la eliminación de un grupo amino de una base. – La desaminación de citosina

produce uracilo.– La desaminación de 5-

metilcitosina origina timina.

Mutaciones espontáneas

Mutaciones espontáneas e inducidas

• Mutaciones espontáneas: Ocurren de forma natural.

– Originadas por errores durante la replicación.• Emparejamiento incorrecto de bases• Presencia de inserciones/delecciones

– Originadas por cambios químicos espontáneos (despurinización y desaminación).

• Mutaciones inducidas: Ocurren cuando un organismo es expuesto de forma accidental o deliberada a un agente físico o químico. Estos agentes se denominan mutágenos.

– Originadas por radiación.• Rayos X• Rayos UV

– Originadas por mutágenos químicos.• Análogos de bases• Modificadores de bases• Agentes intercalantes

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RadiaciónMutaciones inducidas

• Rayos X: Producen roturas en el DNA, al deshacer los enlaces azúcar-fosfato.

• Efecto acumulativo: Se produce el mismo número de mutaciones para una misma dosis de radiación, independientemente de si la dosis es recibida en un período de tiempo corto o largo.

RadiaciónMutaciones inducidas

• Rayos UV: Inducen la formación de uniones anómalas entre bases adyacentes de pirimidina (C, T), situadas tanto en la misma cadena, como en cadenas opuestas del DNA.

• El efecto más común es la formación de dímeros de timina. Pueden interferir seriamente la replicación del DNA.

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Mutágenos químicosMutaciones inducidas

• Análogos de base: Son bases con una composición química muy similar a las del DNA, por lo que pueden incorporarse al DNA en lugar de la base normal. La incorporación de un análogo de base genera un apareamiento con una base incorrecta durante la replicación.

• Un mismo análogo de base puede existir en distintos estados alternativos: elnormal, y el raro (tautómero), y cada uno producir apareamientos con bases distintas.

Mutágenos químicosMutaciones inducidas

• Modificadores de bases:Alteran la estructura química y propiedades de las bases. Producen el apareamiento con una base incorrecta durante la replicación.

– Ac. Nitroso: Elimina grupos amino.

– Hidroxilamina: Añade grupos OH.

– Metilmetano sulfonato: Añade grupos alcalino.

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Mutágenos químicosMutaciones inducidas

• Agentes intercalantes: Se introducen entre bases adyacentes, en una o en ambas cadenas del DNA. Producen inserciones o deleciones durante la replicación.

– Inserción: Si se introducen en la cadena molde de DNA.

– Deleción: Si se introducen en la cadena de DNA que se sintetiza.

Mutágenos químicosMutaciones inducidas

• Gran interés aplicado: Muchas de las sustancias que nos rodean son mutágenos (medicinas, cosméticos, pesticidas, etc.), y producen enfermedades como el cáncer.

• Test de Ames: Permite determinar si un producto químico es un mutágeno. Indica si el producto tiene o no la capacidad de inducir en Salmonela typhimuriumreversiones del fenotipo mutante al salvaje.

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Mecanismos de reparación del DNA

Mecanismos de reparación del DNA

• Corrección directa: Actúa revirtiendo la mutación, regenerando la base normal.

– Lectura de prueba de la DNA polimerasa– Fotorreactivación– Reparación de la alquilación

• Reparación por eliminación: Elimina la zona dañada dejando un hueco que es reparado mediante la síntesis de DNA.

• Reparación postreplicativa: Actúa una vez finalizada la replicación del DNA.

– Reparación de emparejamientos erróneos de bases– Respuesta SOS

Utilizan información de la hebra de DNA complementaria no dañada

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Mecanismos de reparación del DNACorrección directa

• Lectura de prueba de la DNA polimerasa: La DNA polimerasa elimina el nucleótido recién incorporado si es incorrecto mediante su actividad exonucleásica3’-5’. La síntesis de DNA queda atascada hasta que el nucleótido incorrecto es substituído por el correcto.

• Este mecanismo de reparación es esencial en bacterias, pues la DNA polimerasa incorpora el nucleótido incorrecto con una elevada frecuencia (1 cada 100.000).

• En eucariotas la corrección por lectura de prueba la desempeñan enzimas distintos a la DNA polimerasa.

DNA polimerasa

Mecanismos de reparación del DNACorrección directa

• Fotorreactivación: La enzima fotoliasa revierte los dímeros de pirimidina (T, C) producidos por la radiación UV a su estado normal. Tiene lugar en presencia de luz visible (320-370 nm).

• El enzima fotoliasa se ha detectado en procariotas y eucariotas simples (no en humanos).

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Mecanismos de reparación del DNACorrección directa

• Reparación de la alquilación:Enzimas específicos eliminan las modificaciones de base producidas por agentes alquilantes, que provocan la incorporación de grupos metilo y etilo.

• El enzima O6-metilguaninametiltransferasa, elimina el grupo metilo de la metilguanina.

metilguanina

Modificación por alquilación

Mecanismos de reparación del DNAReparación por eliminación

• Reparación por escisión: Repara dímeros de pirimidina sin precisar luz. También repara otras distorsiones de la hélice de DNA.

• En E. coli, el sistema lo forman sólo 4 proteínas (UvrA, uvrB, UvrC, UvrD), mientras que en levaduras y mamíferos este número aumenta hasta 12.

• Lo poseen la mayoría de los organismos.

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Mecanismos de reparación del DNAReparación postreplicativa

• Reparación de emparejamientos erróneos de bases: Detecta las bases mal apareadas, determina qué base es la incorrecta, y la substituye por la correcta mediante la síntesis de DNA.

• En E. coli, ambas cadenas de DNA están metiladas, pero la metilación de una cadena recién sintetizada precisa varios minutos. Esto permite al sistema reconocer la cadena recién sintetizada, que contiene la base incorporada de forma incorrecta.

• Este sistema también existe en eucariotas, aunque no se sabe cómo reconoce la cadena recién sintetizada.

Mecanismos de reparación del DNAReparación postreplicativa

• La respuesta SOS: Es un sistema de reparación en bacterias que se activa cuando existen graves daños en el DNA.

• Regulado por lexA (produce una proteína que reprime 17genes involucrados en la reparación de DNA) y recA.

• Cuando existen bastantes daños, recA es activado y promueve la degradación de la proteína represora sintetizada por rexA.

• Repara daños cometiendo muchos errores.

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Elementos transponibles

• Elementos transponibles: Son segmentos cromosómicos de organismos procariotas y eucariotas con la facultad de moverse de forma aleatoria de una región a otra del genoma.

• La presencia de elementos transponibles es detectada gracias a los cambios que producen en la expresión y funcionamiento de los genes o regiones cromosómicas donde se insertan.

• Gran importancia evolutiva: Son una parte importante del genoma de muchos organismos. Contribuyen de forma relevante a la evolución de los genomas debido a las redistribuciones de material cromosómico que producen.

Elementos transponibles

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• En bacterias, existen dos tipos principales de elementos transponibles:

– Secuencias de inserción (IS) – Transposones

• Secuencias de inserción y transposones contienen secuencias repetidas en sus extremos así como los genes necesarios para su transposición (cambio de posición). Los transposones poseen además genes que codifican para otras funciones, como la resistencia a ciertos antibióticos.

• Cuando un transposón o secuencia de inserción se integra en el genoma, deja una huella característica: la pequeña secuencia que sirve de punto de inserción en el genoma es duplicada, de modo que cada elemento transponible se encuentra flanqueado por la misma secuencia repetida.

Elementos transponiblesProcariotas

• Secuencia de inserción (IS): Es el elemento transponible más simple.– Secuencias repetidas invertidas en los extremos– Gen de la transposasa– Tamaño de 768-5000 pares de bases

Elementos transponiblesProcariotas

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Elementos transponiblesProcariotas

• El elemento IS se duplica utilizando los enzimas de replicación del huésped.

• La copia del IS se inserta en una región al azar del genoma:• Corte en escalera en el

punto de inserción• Integración de IS• DNA polimerasa y DNA

ligasa rellenan y sellan los extremos

Integración de IS

Elementos transponiblesProcariotas

• Transposones: Dos tipos:

• Compuestos: Los más complejos (longitud de miles de pb). Formados por una región central conteniendo varios genes flanqueada por IS. Los elementos IS contienen la transposasa para la integración.

• No compuestos: Contienen varios genes. Tienen cortas secuencias repetidas invertidas en sus extremos, pero no IS, por lo que los enzimas necesarios para la transposición se encuentran en la región central.

Compuesto No compuesto

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Elementos transponiblesProcariotas

Integración de transposones: cointegración

• El DNA donador que contiene el transposón se funde con el DNA receptor.

• El transposón se duplica durante la fusión, quedando una copia del mismo en cada una de las uniones entre el DNA donador y el DNA receptor.

• La cointegración se resuelve por recombinación, de modo que el DNA dador y receptor contienen una copia del transposón.

• La mayoría de los elementos transponibles de eucariotas son transposones. Su estructura y función es similar a la de procariotas.

• Algunos transposones se escinden del genoma para integrarse en una nueva región, mientras que otros se duplican y es entonces la copia la que se moviliza e integra en una ubicación distinta.

• Algunos transposones, como los elementos Ty de levaduras o el elemento copia de Drosophila, se insertan mediante un intermediario de RNA: A partir de la secuencia integrada de DNA del transposón se sintetiza una copia de RNA, que es transformada en DNA por transcripción inversa antes de movilizarse a su nueva ubicación.

Elementos transponiblesEucariotas