Mutacje

Mutacje spontaniczne

Nowe mutacje Bdy podczas replikacji DNA Polizg replikacji Niestabilno zasad azotowych w DNA Niestabilno zasad azotowych przyczyn tworzenia bdnych par komplementarnych

Figure 16.4 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Mutacje spontaniczne

czsto wystpowania

Czsto zalena od typu genu rnice w zalenoci od wielkoci genu zalenie od sekwencji gorce miejsca (hot-spot)

rednio 1/100,000 na kad rund replikacji

Mutacje indukowane

Powodowane przez czynniki mutagenne fizyczne, chemiczne i biologiczne karcynogen (transformacja neoplastyczna komrek) klastogen (fragmentowanie chromosomw) teratogen mutagen

TYPY MUTACJIzachodz w zygocie, podzie, komrkach

somatycznych (mutacje somatyczne) i rozrodczych (mutacje generatywne)w cigu caego ycia

mutacje w komrkach somatycznych nie s przekazywane potomstwu, w odrnieniu od mutacji w komrkach rozrodczych

mutacje w komrkach rozrodczych mog by odziedziczone lub powstaj de novo w procesie oogenezy lub spermatogenezywww.creationofman.net/chapter4/chapter4_5.html

TYPY MUTACJIow obszarze regulujcym proces transkrypcj efekt: spadek lub wzrost produkcji biaka miejsca czenia intronu i eksonu efekt: moe powsta niestabilne, szybko degradujce siRNA

Mutacje transkrypcyjne wystpuj

o

Mutacje RNA - zmieniaj prawidowe

o

Mutacje translacyjne - wpywaj na struktur kodowanego biakawww.surrey.ac.uk/qe/O4.htm

czynniki fizyczne i chemiczne

bdy w replikacji DNA

rekombinacja mejotyczna

MutacjeMUTAGENYbezporednia reakcja z DNA powodowanie zmian strukturalnych, prowadzcych do bdnego kopiowania nici matrycowej

mutageny

porednie dziaanie na DNA wytwarzanie okrelonych zwizkw chem. uszkadzajcych DNA (np. nadtlenki)

PROMIENIOWANIE

[promieniowanie o d. fali 254-265 nm silnie pochaniane, w duych dawkach letalne]

PROMIENIOWANIE SILNIE JONIZUJCE promieniowanie ,

-

i

+

SABO

JONIZUJCE promieniowanie

i X , UV

NIE JONIZUJCE fale radiowe, mikrofale, podczerwie, wiato widzialne

RDA PROMIENIOWANIA

DNA

DZIAANIE PROMIENIOWANIA X NA DNAuszkodzenie porednie (w wyniku radiolizy wody) OH . H.

HH

O

pojedyncze lub podwjne pknicia nicipowstawanie wiza poprzecznych DNA-biako

uszkodzenie bezporednie (jonizacja zasad)

www.bnl.gov/discover/Fall2008/DNA1.asp

Figure 16.9 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

powstawanie dimerw cyklobutylowych powstawanie fotoproduktw (6-4)

Stymulowana przez ciepo hydroliza wizania -N-glikozydowego

hydroliza

Powstaje miejsce apurynowe/apirymidynoweFigure 16.10a Genomes 3 ( Garland Science 2007)

mutagenne lub/i letalne oksydacyjne zwizki addycyjnealkilacja(spowodowane obecnoci cyklobutanowe dimery pirymidynowe tworzone (uwarunkowana obecnoci czynnikw (np. reaktywnych form tlenu wpywem UV efekt: lokalna mogcych wprowadza alkilujcych denaturacja DNA; pod np. nadtlenku i podtlenku grupy alkilowe do DNA: 6,4-fotoprodukt; zwizki wice si zrnych pozycji wodoru, rodnika hydroksylowego kwasw 1) benzo[a]piren, aflatoksyna Bnukleinowych; -efektem jest np. powstawanie powstawa moe np. 7-metyloguanina, 8-oksyguaniny, 2-oksyadeniny, 3-metyloadenina, 3-metyloguanina; 5-formylouracylu) niektre z tak zmienionych zasad s letalne przeszkadzaj w rozplataniu Wikszo oksydacyjnych uszkodze jest DNA podczas replikacji i transkrypcji) powodowana przez rodnik hydroksylowy

Uszkodzenie DNAdeaminacja i depurynacjadwie najczciej spotykane spontaniczne reakcje chemiczne powodujce powane uszkodzenia DNA w komrkach

DEPURYNACJA oderwanie guaniny lub adeniny od szkieletucukrowo-fosforanowego

DEAMINACJA przeksztacenie cytozyny w uracyl

Mutacje

przyczyny

bd w replikacji prowadzi do niedopasowania nukleotydw w jednej z potomnych podwjnych helis

SYNTEZA DNAnowa ni

matryca polimeraza DNAFigure 2.7a Genomes 3 ( Garland Science 2007)

aktywno egzonukleazynieprawidowy nukleotyd

Figure 2.7b Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Mutacjebdy replikacji bdy replikacji mutacje polizg replikacji insercje punktowe

przyczyny

delecje

do sekwencj 5 fazy (Glu) (np. ludzki gen Hdh zawiera przesuniciaCAG 3odczytu podczas translacji) powtrzon 10-35 razy; w chorobie Huntingtona liczba tych powtrze zwiksza si do 36-121)

mutacje zmiany fazy (ich wystpienie w obszarze choroby ekspansji powtrze kodujcym moe trinukleotydowych doprowadzi

Mutageny chemiczneCzynniki alkilujce(metylosulfonian metylu MMS, etylonitrozomocznik ENU, gaz musztardowy, diepoksybutan)

Czynniki arylujce(np. policykliczne wglowodory aromatyczne)

Czynniki deaminujce(kwas azotowy (III, dwusiarczyn sodowyhydroksylaminy, HSO3)

Interkalatory(np. barwniki akrydynowe)

Analogi zasad(mutageneza bezporednia)

CZYNNIKI ALKILUJCENajwiksza wraliwo na alkilacj atom azotu N7 guaniny; zwizki te powoduj: tranzycje i transwersje typu: ATTA, ATGC, GCCG, GCAT, GCTA

metylosulfonian etylu

Czynniki deaminujceKwas azotowy (III) deaminuje cytozyn, adenin i guanin

CZYNNIKI DEAMINUJCE

http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/15_04-deamination.jpg

Powoduj tranzycje wszystkich typw

Oryginalna zasada

mutagen

Zmodyfikowana zasada

Zasada tworzca par

Typ mutacji

ANALOGI ZASADANALOGI ZASAD AZOTOWYCH 5-BROMOURACYL

(analog tyminy; tworzy par z guanin)

2-AMINOPURYNA(analog adeniny; tworzy par z cytozyn)

5-BROMODEOKSYURYDYNA(analog tyminy; tworzy par z guanin)

ANALOGI ZASADhttp://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/base_analogs.html

INTERKALATORY charakteryzuj si paskbudow, dziki czemu mog atwo wbudowywa si pomidzy pary nukleozasad

najczciej paskie ukady kilkuskondensowanych piercieni aromatycznych i/lub heteroaromatycznych

Figure 16.8b Genomes 3 ( Garland Science 2007)

Wstawiane s w podwjn helis DNA, zmieniaj jej struktur, co prowadzi do delecji i insercji w trakcie replikacji i rekombinacji. Inne: akryflawina, bromek etydyny, DAPI.

INTERKALATORY

Rys. Schematyczne przedstawienie zjawiska di- i triinterkalacji

INTERKALATORYBARWNIKI AKRYDYNOWE

proflawina

dezynfekujcy bakteriostatyk

oran akrydyny

powoduj mutacje typu frameshift

INTERKALATORYBROMEK ETYDYNY

Wykorzystywany m. in. w elektroforezie agarozowej, silny mutagen

INTERKALATORY

doksorubicyna

Niektre z nich s ju stosowane w leczeniuchorb nowotworowych takich jak rak piersi czy biaaczka

Wiele zwizkw jest badanych pod ktem

aktynomycyna

aktywnoci biologicznej, interkalacji, dziaania antynowotworowego i antywirusowego

Mutageny fizyczne a chemiczne

CZYNNIKI BIOLOGICZNE Wirusy (DNA i retrowirusy;ryczki, opryszczko, HBV, HCV) np. wirus

Transpozonyhttp://blog.wired.com/photos/uncategorized/2007/08/20/gene.jpg

(mobilne elementy genetyczne mogce zmienia pooenie w genomie)

www.microbiologybytes.com/blog/2008/07/

http://www.thenakedscientists.com/HTML/uploads/pics/jamil1_Figure_3.gif

MutacjeMUTAGENEZA przyczyny

porednia

kiedy uszkodzenie nie jest usuwane, ani naprawiane, lecz tolerowane, replikacja jest kontynuowana, niespecyficzna specyficzna w takim przypadku wyspecjalizowane (nieukierunkowana) (ukierunkowana) (biorce udzia w naprawie (np. 5-bromouracyl ulega parowaniu z polimerazy DNA - jeli mutacje adenin, natomiast jego forma enolowa - jeli mutacje DNA) wprowadzaj bdne zasady s wprowadzane tworzy pary naprzeciw uszkodzonych s wprowadzane z guanin, std po jednym cyklu replikacji

wynika z obecnoci stabilnych, nienaprawionych zasad o zmienionych waciwociach tworzenia par w DNA

bezporednia

tylko na terenie uszkodzenia

rwnie w innych miejscach genomu

G moe zosta wczona naprzeciw 5bromouracylu, a po II cyklu replikacji naprzeciw G zostanie wczona cytozyna - utrwalenie mutacji

Mutagen a TeratogenTeratogen- czynnik powodujcy trwae zaburzenia strukturalne lub czynnociowe u potomstwa w trakcie jego rozwoju embrionalnego lub podowego. Zaburzenia te mog ujawni si zarwno przed, jak i po urodzeniu (np. promieniowanie jonizujce, niektre leki aspiryna, witamina A, streptomycyna, talidomid; infekcje np. ryczka, toksoplazmoza)

Mutagen - czynnik wywoujcy mutacj zmian materiau genetycznego

Mutacja a Polimorfizm DEFINICJAMUTACJA - naga, skokowa, bezkierunkowa,dziedziczca si zmiana w materiale genetycznym dotyczca poniej 1% osobnikw populacji; termin wprowadzony przez de Vriesa (przeom XIX i XX w.); zjawisko losowe, podlegajcym wpywom rodowiska; czsto mutacji nie jest staa pomidzy gatunkami i zaley midzy innymi od doskonaoci aparatu powielania DNA i jego naprawy

POLIMORFIZM zmiana w materialegenetycznym dotyczca powyej 1% osobnikw populacji

TYPY MUTACJIsekwencja prawidowatranzycja (np. AT na GC)

sekwencja z mutacj

transwersja (np. CG na GC)

Tranzycja zamiana puryny na inn puryn lub pirymidyny na innpirymidyn puryn

Transwersja zamiana puryny na pirymidyn lub pirymidyny na

TYPY MUTACJI

delecja utrata jednego

lub kilku nukleotydw

insercja wstawienie jednego

lub kilku nukleotydw

inwersja -

obrcenie fragmentu sekwencji o 180 stopni

Mutacje krtki przewodnik

Mutacje

skutki

mutacje mutacje ciche mutacje ominicie mutacje - nie maj wpywu nonsensowne synonimiczne kodonu niesynonimiczne na funkcjonowanie - kodon kodujcynowy kodon - gdy - gdy nowy terminacyjnego kodon genomuaminokwas zostaje temu samemu odpowiada zamienionyaminokwasowi na kodon terminacyjny co kodon niezmutowany

odpowiada innemu aminokwasowi ni kodon niezmutowany

mutacja zmiany sensu

Mutacje

skutki

letalne - powoduj obnienie - nie wpywaj na - wzgldnie rzadko; - prowadz - prowadz do mierci do zdolnoci organizmu do

niekorzystne obojtne korzystne

subletalne

organizm; maj poprawiaj zdolnoci upoledzenia organizmu organizmu przeycia znaczenie w procesieadaptacyjne ewolucji organizmu

Mutacje krtki przewodnik ZMIANY EKOGENETYCZNEdziedzicznie uwarunkowana zdolno do wyczuwania cyjanowodoru, czy fenylotiomocznika akatalazja; xeroderma pigmentosum

MUTACJEPunktowe

DEFINICJAniedue zmiany w sekwencji DNA bez zmian iloci materiau genetycznego zmiany obejmujce utrat lub powikszenie materiau genetycznego, ale mniejsze ni mutacje chromosomowe zmiany liczby lub struktury chromosomw widoczne w mikroskopie optycznym zmiany w sekwencji DNA dotyczce jednego genu (przewanie s to mutacje punktowea)

OBSZAR GENOMUprzewanie jedna lub kilka par zasad od kilku par zasad do kilku mln par zasad

Odcinkowe

Chromosomowe

ok. 4 mln par zasad lub wicej

Genowe

przewanie jedna lub kilka par zasad

Pozachromosomowe

zmiany dotyczce pozajdrowego DNA, w szczeglnoci DNA mitochondrialnego

do 100200 tys. par zasad

KRYTERIUM

RODZAJ MUTACJI

EFEKTzamiana zasady purynowej na inn purynow lub pirymidynowej na inn pirymidynow (A G lub C T)

tranzycja

substytucja Zmiany w acuchu DNA transwersja zmiana zasady purynowej na pirymidynow lub odwrotnie

delecja

wypadnicie jednej lub wikszej liczby par nukleotydwwstawienie jednej lub wicej par nukleotydw do DNA

insercja

KRYTERIUM

RODZAJ MUTACJImilczca

EFEKTzmiany w syntezowanych polipeptydach nie wystpuj jeden aminokwas zastpiony innym, dugo polipeptydu bez zmian

typu zmiany sensu Zmiany w syntezowanych polipeptydach neutralna typu nonsens

jw., ale biako zachowuje sw funkcjpowstanie kodonu STOP, przedwczesne zakoczenie syntezy acucha polipeptydowego syntezowany polipeptyd jest od pewnego miejsca zupenie inny od pierwotnego, przewanie nieaktywny biologicznie

mutacja zmiany fazy odczytu

KRYTERIUM

RODZAJ MUTACJIpierwotna

EFEKTmutacja, ktra przywraca sytuacj sprzed pierwszej mutacji mutacja, ktra nie odtwarza sytuacji sprzed pierwszej mutacji, ale znosi jej efekty fenotypowe zmienia si ilo produkowanego biaka bez zmiany jego struktury moe sta si niemoliwe np. wycicie intronu i powstaje polipeptyd o wiele duszy ni normalnie, zawierajcy przypadkow, zbdn cz

Stosunek do wczeniejszej mutacji

supresorowa

w promotorzew sekwencji regulatorowej

Szczeglne miejsce mutacji

w genie nastpuje oglny wzrost liczby mutacji zwizanym w DNA z napraw DNA

Mutacjezwikszanie z pokolenia na pokolenie liczby kopii krtkiego motywu nukleotydowego (3-, 4-, 12- nukleotydowych), np. CCG ponad pewn liczb krytyczn, dajce objawy fenotypowe; mog dotyczy czci kodujcej lub niekodujcej genu

MUTACJE DYNAMICZNE

mutacje wystpujce tylko u czowieka, wykazujce du zmienno populacyjn:

korelacja midzy cikoci choroby oraz wiekiem pojawienia si objaww, a iloci powtrze ilo powtrze moe wzrasta w kolejnych pokoleniach objawy mog nasila si lub wystpowa wczeniej w kolejnych pokoleniach (antycypacja)

premutacja wzrost iloci powtrze poniej wartoci granicznej nie powoduje wystpienia choroby bezobjawowi nosiciele

Mutacje ANTYCYPACJAOstrzejszy przebieg choroby z wczeniej wystpujcymi objawami w kolejnych pokoleniach Opisana dla wikszoci chorb neurogenetycznych powodowanych mutacjami dynamicznymi

Wystpowanie ostrzejszej postaci schorze uzalenione od pci rodzica, od ktrego mutacja dynamiczna zostaa odziedziczona (np. ostrzejsza, modziecza posta choroby Huntingtona, jeli mutacja dziedziczona od ojca; dziedziczona mutacja od matki ostrzejsza posta dystrofii miotonicznej)

Mutacje ANTYCYPACJAZjawisko obserwowane take w chorobie Parkinsona, Alzheimera, raku okrnicy, raku sutka, gocu stawowym

Mutacje MUTACJE DYNAMICZNEstanowi podoe molekularne 14 jednostek chorobowych i mona je podzieli na dwie grupy:

choroby neurodegradacyjne: plsawica Huntingtona, rdzeniowo-opuszkowy zanik mini, ataksje mdkowo-rdzeniowe

Typ I

chromosomu X, upoledzenie umysowe zwizane z kruchym miejscem FRAXE, ataksja Friedreicha

Typ II dystrofia miotoniczna, zesp amliwego

Niestabilno sekwencji mikrosatelitarnych(MI ang. microsatellite instability

)

proste sekwencje powtrzone wykazuj zrnicowan dugo, co jest spowodowane bdami podczas replikacji; zmiany te przypisuje si utracie aktywnoci ktregokolwiek z 6 genw odpowiedzialnych za napraw le sparowanych zasad w DNA:

MSH2, MLH1, PMS1, PMS2, MSH6 (GTBP)

wzrasta czsto mutacji w onkogenach i genach supresorowych

Utrata heterozygotycznoci (LOH)W wielu komrkach nowotworowych stale dochodzi do utraty charakterystycznych odcinkw niektrych chromosomw; przyjmuje si, e utrata heterozygotycznoci wskazuje na utrat genu supresorowego zawartego w utraconym fragmencie chromosomuallel 1 sekwencja markera genet. sprzonego z prawidowym genem supresorowym allel 2 sekwencja delecja allelu 1 markera genet. i prawidowego sprzonego genu supresorowego z nieaktywnym genem supresorowym

prawidowa komrka somatyczna (heterozygota)

komrka nowotworowa

dzikuj za uwag

Naprawa DNAkategorie systemw naprawy DNA kategorie systemw naprawy DNA

naprawa z wycinaniem zasad systemy naprawy - usunicie uszkodzonej bezporedniej naprawa z wycinaniem zasady i ponowna - dziaaj bezporednio nukleotydw naprawa rekombinacyjna synteza z udziaem naprawa niedopasowanych na uszkodzone nukleotydy polimerazy DNA- naprawa dwuniciowych nukleotydw przerw w DNA - poprawia bdy replikacji

Naprawa DNA podstawowy mechanizm

o

rozpoznanie i usunicie uszkodzonego fragmentu acucha DNA przez jedn z nukleaz zrywajcych wizania kowalencyjne pomidzy nukleotydami powstaje luka nukleotydowa wic si z kocem 3 przecitego acucha i syntetyzujc kopi informacji zachowan w nici nieuszkodzonej

o wypenianie luki przez polimeraz naprawcz DNA,

o likwidacja niecigoci acuch przez ligaz

Naprawa DNAFOTOREAKTYWACJA cykliczne dimery pirymidynowemog ulega ponownej monomeryzacji pod wpywem fotoliaz (enzymw fotoreaktywujcych) w obecnoci wiata widzialnego; jest to proces swoisty dla dimerw pirymidynowych bezporednie usuwanie uszkodze, wolne od bdw)

ALKILOTRANSFERAZA usuwa grupy alkilowe bezporednioz O6-alkiloguaniny, grupa ta jest przenoszona na sam enzym i inaktywuje go)

Naprawa DNA

le sparowane zasady zaburzaj geometri dwuniciowej helisy DNA; co jest rozpoznawane przez biaka naprawiajce DNA dziki luce w cigoci nowego acucha, w ktrym znajduje si bdny nukleotyd; przerwy te dotycz nici opnionejUwaga: konieczna jest szybka korekta

Naprawianie uszkodze DNA powstajcych w wyniku procesw deaminacji, utleniania czy alkilacji Enzymy zapocztkowujce napraw DNA - glikozylazy DNA, rozpoznaj uszkodzone zasady i usuwaj je z DNA poprzez hydroliz wiza N-glikozydowych pomidzy uszkodzon zasad a reszt cukrow Poznano i scharakteryzowano wiele rnych glikozylaz DNA z rnych organizmw (czowieka, E. coli, wirusowe) o odmiennych specyficznociach substratowych

N-terminal DNA-binding domain of XRCC1

Niektre z glikozylaz DNA posiadaj dodatkowo aktywno liazy AP, powodujcej na hydroliz wizania fosfodiestrowego pomidzy nukleotydem po stronie 3 uszkodzenia a deoksyryboz pozbawion zasady azotowej

BER

wyrnia si 2 typy N-glikozylaz: glikozylazy monofunkcyjne rozbijaj wizanie N-glikozydowe pomidzy uszkodzon zasad a czsteczk deoksyrybozy powstaj miejsca apurynowych/apirymidynowych (AP) w DNA

BER -

glikozylazy dwufunkcyjne oprcz usunicia uszkodzonej zasady i utworzenia miejsc AP, posiadaj rwnie waciwoci ligazowe i usuwaj miejsca AP na drodze -eliminacji

BER skada si z dwch rnych szlakw naprawy DNA (podstawowego i alternatywnego), w ktrych zostaj wprowadzone odpowiednio jeden, bd od dwch do szeciu, nukleotydw w DNA, w miejsce usunitego wczeniej uszkodzonego nukleotydu

Naprawa DNAnaprawa z wycinaniem zasadpolega na usuniciu uszkodzonego nukleotydu, a nastpnie ponownej syntezie DNA w celu wypenienia powstaej luki; proces jest inicjowany przez glikozydaz DNA przecinajc wizania -N-glikozydowe midzy uszkodzon zasad a cukrowym skadnikiem nukleotydu; w kolejnym etapie endonukleaza AP wprowadza jednonukleotydow luk, rozcinajc wizanie fosfodiestrowe; nastpnie luka jest wypeniana przez polimeraz DNA (u ssakw)

NER

- naprawa przez wycinanie

nukleotydw; proces bardziej zoony ni BER; wymaga ATP jako rda energii; mniej specyficzny ni BER - usuniciu z DNA mog ulec zarwno fotodimery pirymidyn, addukty o rnej wielkoci podstawnika, jak i cz uszkodze usuwanych przez BER

Fragment DNA zawierajcy uszkodzenie jest nacinany po obu jego stronach przez nukleaz i usuwany. W przypadku bakterii dotyczy to oligonukleotydu o dugoci ok. 1213 nukleotydw ; natomiast w komrkach eukariotycznych jest to fragment skadajcy si z 2729 nukleotydw

Mechanizmy naprawy BER i NER s uniwersalnymi systemami naprawy, funkcjonujcymi zarwno w komrkach zdrowych, jak i nowotworowych, poddanych dziaaniu czynnikw toksycznych

Naprawa DNAETAPY

naprawa rekombinacyjna

wykorzystywana do naprawy dwuniciowych przerw w DNA; w ten proces zaangaowane s 4 grupy genw

o kompleks biakowy, w skad ktrego wchodzi biako Ku

( wice si z DNA po obu stronach pknicia) kieruje ligaz DNA do miejsca pknicia - Ku wie si z DNA wraz z kinaz DNA-PKCS, ktra aktywuje biako XRCC4 oddziaywujce z ligaz DNA4

czenie kocw niehomologicznych (NHEG)

Naprawa DNA

naprawa rekombinacyjna

dzikuj za uwag