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Inestabilidad del genoma humano:
mutaciones
y
reparación de DNA
Capítulo 9
“Human Molecular Genetics”
cap. 9 Hum Mol Gen.
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cap. 9 Hum Mol Gen.
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Mutaciones
• Las fuentes más frecuentes de mutaciones
(bajo condiciones normales) son endógenas, es
decir, errores durante la replicación y reparación
del DNA.
•Nro de divisiones celulares
durante la vida: 1017
1014 para generar las
células en el organismo
1003 para mantener las
células que se dividen
•Nro de nucleótidos a incorporar
por división celular: 6 x 1009
•Total de nucleótidos: 6 x 1026 !!!!
•Fidelidad de las DNA
polimerasas: 10-09-10-11 por
nucléotido incorporado.
•mRNA promedio: 1,7 Kb
• >> 1.7x10-06-10-08
mutaciones/gene y % celular.
•Cada gen en el organismo
puede tener 1008-1010
mutaciones
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Clases de mutaciones en
regiones codificantes
Mutaciones silenciosas (sinónimas)
Mutaciones no sinónimas:
– Sin sentido: generan codones stop
– Modifican el aa:
» Conservativas
» No conservativas
– Cambio de codones stops
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Mutaciones en regiones codificantes
Las substituciones en el DNA codificante no ocurren al azar
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Degeneración del código genético
4fold:
Todas las
posibles
substituciones
son cambios
sinónimos
2fold:
Solo 1
substitución
mantiene el aa
Figure 9.2. Codon frequencies in human genes and locations of nondegenerate, two- and fourfold degenerate sites.
Observed codon frequencies were derived from an analysis of 1490 human genes by Wada et al. 1990. Note that
although eight of the 61 first base positions are twofold degenerate, about 96% of all possible substitutions at the first
base position are nonsynonymous. 100% of base substitutions at the second base position are nonsynonymous, but only
about 33% of those at the third base position.
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Los genes que codifican proteínas varian en
la proporción de substituciones no sinónimas
Proteínas muy conservadas: Ubiquitina, histonas H3 y H4,
Calmodulina, proteinas ribosomales.
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En la linea germinal del hombre hay
más frecuencia de mutaciones debido al
mayor nro de divisiones
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•En las mujeres el nro
de % celulares es
constante
•En el hombre la
espermatogonia tipo
Ad continúa
dividiéndose cada 16
días
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Mecanimos genéticos que generan
mutaciones en secuencias repetidas
• Mal apareamiento de
las cadenas de DNA
durante la replicación
puede originar
polimorfismos en
microsátelites (VNTR).
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Largas unidades de DNA repetitivo en tandem son
susceptibles de largas deleciones o inserciones
como resultado de cruzamiento desigual o
intercambio desigual de cromátidas hermanas
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Secuencias cortas dispersas en el genoma
pueden generar duplicaciones en tandem o
largas deleciones
•Por ejemplo:
Secuencias
ALU
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Conversión
génica
• Intercmbio no
recíproco
El dador no
es alterado
•Interalélica (A)
o
•Interlocus (B)
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Mutaciones patogénicas:
el genoma mitocondrial es un “hotspot” para
mutaciones patogénicas
• Paradoja:
– Es un blanco pequeño
– Miles de copias por célula
– muy baja probabilidad de que se fije una mutación.
• Explicaciones y causas:
i) alto % de regiones codificantes (93%, 100Mb vs 15 kb) ??;
ii) alta tasa de mutación (inestabilidad)
.> Dañ oxidativo por radicales libres generados por la cadena
respiratoria y la falta de histonas que protejan el DNA.
> Mecanismos de reparación poco eficientes
iii) Mecanismos que permiten una rápida fijación de las mutaciones (ver
proximo slide).
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Segregación de genotipos mitocondriales en
la línea germinal materna
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Mutaciones patogénicas
Mutaciones:
i) en la región codificante;
ii) en las regiones no codificantes:
intrones,
5’UTRs
3’UTRs;
iii) secuencias regulatorias: promotor, enhancers, etc.
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Diferentes factores gobiernan la expresión de las
mutaciones patogénicas
El grado de alteración de un fenotipo determinado puede ser muy variable.
i)
El tipo de mutación y la forma en que la expresión del gen mutante es
alterada
Expresión inapropiada: sobre-expresión, expresión ectópica.
ii)
Grado de expresión del fenotipo mutante en el heterocigota: 1 solo alelo
puede ser suficiente (condiciones recesivas); menor gravedad
(comparado con el homocigota mutante) cuando la mutación es del tipo
perdidad de función.
iii) El grado de la expresión de un fenotipo mutante es influenciado por
otros genes (background genético, genes modificadores).
iv) Proporción de células afectadas en el organismo: mutación heredada;
mutación somática temprana (mayor efecto); mutaciones somáticas
tardias o en células en las que el gen no se expresa. Cáncer !!!.
v)
Origen parental de la mutación: genes con imprinting.
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Efecto de la localización y clase de
mutación en la función génica
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Mutaciones que alteran el splicing del mRNA
Mutaciones que alteran
importantes señales de
splicing
Posibles efectos:
i) Frameshift
ii) Inestable mRNA
iii) Polipéptido no
funcional
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Mutaciones que alteran el splicing del mRNA
Cuando una Mutación silenciosa no lo es
Figure 9.12. When a silent mutation is not silent. This example shows a mutation that was identified in a LGMD2A limb
girdle muscular dystrophy patient. The mutation was found in the calpain 3 gene, a known locus for this form of muscular
dystrophy, but occurred at the third base position of a codon and appeared to be a silent mutation. It would lead to
replacement of one glycine codon (GGC) by another glycine codon (GGT). However, the mutation is believed nevertheless to
be pathogenic. The substitution results in activation of a cryptic splice donor sequence within exon 16 resulting in aberrant
splicing with the loss of coding sequence from exon 16 and the introduction of a frameshift (see Richard and Beckmann,
1995).
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Mutaciones que alteran el splicing del mRNA
Mutaciones que no son (normalmente) importantes en el splicing
Activación
de un sitio
de splicing
críptico
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Mutaciones que introducen una
señal de stop prematura
• mRNA inestable
– Nonsense-mediated mRNA decay (NMD)
• Importante para eliminar polipéptidos truncados
• Polipéptido truncado
– Dificil de predecir su efecto sobre la expresión del gen.
• Exon skipping
– Inducido en algunos genes
– Ej: exon 51 del gen FBN1
• Escapa al mecanismo de NMD
• El polipéptido anormal produce un fenotipo dominante
negativo.
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El potencial patogénico de las secuencias repetitivas
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“Slipped strand mispairing” en
repeticiones cortas en tandem
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Expansión de codones repetidos en
tandem pueden causar enfermedad
• Microsatélites en o en la cercanía de un gen
– Estables:
• polyalanina en el gen HOXD13 (polidactilia).
– Inestables
• Por debajo de un cierto número son estables
• Muy inestables por encima de cierto valor
– Nunca transmitidos sin modificaciones. Expansiones o contracciones.
Hay una tendencia a expandirse ??
– Varía según el sexo.
– Algunas son inestables en la mitosis. NO en todos los tipos celulares
– El mecanismo parece no ser común en otros mamíferos.
» Transgenes en ratones
• Marcadores !!!!
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Expansión de microsatélites
pueden causar enfermedad
cap. 9 Hum Mol Gen.
Ganancia de función
Perdida de función
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Familias de genes organizadas en tandems o clusters:
mutaciones por unequal crossover o conversión génica
Pseudogen
Unequal crossover
Unequal sister
chromatid
exchange
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Secuencias repetidas dispersas en el genoma
predisponen a largas deleciones o duplicaciones
Alu repeats son hotspot de recombinación
deleciones o duplicaciones a gran escala
Repeticiones directas cortas:
En el genoma
mitocondrial
se supone que
se generan por
mal
apareamiento
de las cadenas
durante la
replicación.
Porque ?
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Recombinación intracromátida entre repeticiones
invertidas pueden generar inversiones patogénicas
40% de
los casos
de
hemofilia
A
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Transposición de secuencias de
ADN pueden causar enfermedad
• Es un fenómeno raro
• Representan un pequeño componente de la
patología molecular
– Hemofilia A: 2 de 140 pacientes
• Inserción de LINE en un exon del factor VIII
– Neurofibromatosis tipo I
• Inserción de una secuencia ALU
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Reparación del DNA
• Daños en el DNA
– Expontánea depurinación producen sitios abásicos
– Expontánea deaminación de Citosinas y Adeninas
generan bases no comunes en el DNA
– Agentes alquilantes forman aductos con las bases del
DNA
– Especies reactivas del O2 atacan los anillos de las bases
– Luz UV
– Radiaciones ionizantes producen rupturas dobles o
simples en las cadenas del DNA
– Errores en la replicación o recombinación dejan
rupturas simples en el DNA
– Errores en la replicación llevan a la incorporación de
bases incorrectas
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Reparación del DNA
• Sistemas de reparación
– Reparación directa
– Reparación de bases por excisión (BER)
• Rupturas en una cadena del DNA
• Reparación de bases faltantes o modificas
– Reparación de nucleótidos por excisión (NER)
– Reparación de rupturas dobles en el DNA
• Post-replicación
• Pre-replicación
– Reparación de bases mal apareadas
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Agentes genotóxicos y Mecanismos de reparación del DNA
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• Los sistemas de reparación comparten
componentes con los sistemas de
replicación y transcripción.
• Hipersensibilidad a agentes genotóxicos es
frecuentemente el resultado de fallas en los
sistemas de respuesta al daño en el DNA
más que a defectos en los sistemas de
reparación.
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• Estudiar Mecanismos de reparación de
DNA
– Pdf en la página WEB de la materia (teóricas).
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