Mutação e Reparação
do DNA
Aspectos Conceituais
e Rotas Metabólicas
Mutação e
Reparação
do DNA
Aspectos Conceituais e
Rotas Metabólicas
Prof. Henrique Santana Costa, M.Sc.
Prof. Antonio Márcio Teodoro Cordeiro Silva, M.Sc.
Mutação
Mutações → modificação súbita e hereditária no conjunto gênico de um organismo
não explicável pela recombinação da variabilidade genética pré-existente.
Mutante → organismo possuidor de uma forma alterada como resultado da presença
de uma mutação.
# Tipos



aneuploidias → mudanças no número cromossômico.
aberrações cromossômicas
cromossomos.
→
mudanças
grosseiras
na
estrutura
dos
mudanças dos genes individuais.
1. Atualmente, o termo mutação tem sido utilizado quando da presença de
alterações detectadas em nível de genes individuais.
Mutação
Mutação
# Geralmente, organismos portadores de uma mutação num determinado gene
apresentam problemas em sua sobrevivência (sendo, assim, eliminados por
seleção natural).
# Contudo, nem toda mutação resulta numa conseqüências deletéria para seu
portador.
# mutação → fonte básica de toda variabilidade genética (matéria-prima para a
evolução)


Sem a mutação, todos genes existiriam apenas em uma forma.
mutações espontâneas → resultam de funções celulares normais ou interações
aleatórias com o ambiente.
→ podem ser aumentadas pelo tratamento com determinados compostos (agentes
mutagênicos – mutações induzidas)
→ atuam diretamente no DNA.
Mutação
Síntese de Proteína
Mutação pode alterar a
síntese protéica
Mutações
Classificação Geral
 Mutação Cromossômica: Número ou Estrutura
 Mutações Gênicas: Genes individuais
Mutação: Bom ou Ruim?
A mutação é a fonte básica de toda variabilidade genética, fornecendo
a matéria-prima para a evolução
Processo Evolutivo
Mutação como fonte de variabilidade
1. Recombinação: Rearranjos  Novas combinações
2. Seleção Natural  Preserva as combinações mais adaptadas
3. Ausência de Mutação  Genes com apenas uma forma
1
2
3
Classificação das Mutações
Quanto à Natureza
1. Mutação espontânea
2. Mutação induzida
Mutagênese x Clastogênese x Teratogênese x Carcinogênese
Mutações Cromossômicas
Euploidia
1.
2.
3.
4.
Conjunto de cromossomo de uma espécie
Monoploidia: n cromossomos
Diploidia: 2n cromossomos
Triploidia: 3n cromossomos
Poliploidia: mais de dois conjuntos
Aneuploidia
Número de cromossomos difere da espécie
1. Monossomia: 2n – 1
2. Trissomia: 2n + 1
3. Nulissomia: 2n – 2
Mutação
# Mutação de ponto → modificação num único par de base (substituição, adição ou
deleção)



mau funcionamento do sistema replicativo
mau funcionamento do sistema de reparo
interferência química direta sobre uma das bases do DNA
# Mutação letal condicional → letal num determinado ambiente (condições
restritivas)
Classes

Mutantes auxotróficos → incapazes de sintetizar um metabólito essencial
(aminoácido, purina, pirimidina, etc.)
→ crescem e se reproduzem quando o metabólito é fornecido pelo meio (condição
permissiva)
→ não crescem quando o metabólito está ausente (condição restritiva)
Mutação

mutantes sensíveis à temperatura → crescerão numa determinada temperatura
→ aumento da labilidade ao calor ou ao frio do produto gênico mutado.

mutantes sensíveis ao supressor → viáveis quando um segundo fator genético
(supressor) está presente - mas inviáveis na ausência deste.
# Mutações transmitidas à descendência → células germinativas
# Mutações perpetuadas em células que descenderam da célula original na qual a
mutação ocorreu (podendo não afetar o organismo inteiro) → células somáticas
Rearranjos Cromossômicos
1. Inversões: Paracêntricas ou Pericêntricas
Rearranjos Cromossômicos
2. Deleção: Terminal ou Intersticial
Rearranjos Cromossômicos
3. Translocação: Recíproca ou Robertisoniana
Rearranjos Cromossômicos
4. Duplicação x Replicação
Mutantes em nível molecular

modificações tautoméricas → flutuações químicas decorrentes de mudanças
nas posições dos átomos (purinas, pirimidinas, grupamento amino, anel
nitrogenado, etc.)
→ alteram o pareamento de bases normal.
# Envolvem a substituição de um par de bases por outro → tipo mais comum de
mutação
# Transição → substituição de uma purina por outra purina, ou de uma pirimidina
por outra pirimidina.
# Transversão → substituição de uma purina por uma pirimidina ou vice-versa.

mutações que modificam a estrutura da leitura → envolve a adição ou deleção
de um ou alguns pares de bases.
→ alteram a estrutura de leitura de todas as trincas de pares de bases no gene depois
da mutação.
Mutação Molecular
Modificações Tautoméricas
Mutação em Nível Molecular
Transição
A–T
C–G
T–A
G–C
Transversão
A–T
T–A
C–G
G–C
Taxas de Mutações

procariotos → 10-5 a 10-6 evento/locus/geração (mutação espontânea)

eucariotos → estimativa semelhante à encontrada nos procariotos.
# mutações silenciosas → sem efeito aparente
# Hotspots → sítios de pares de bases mais
susceptíveis à mutação.
•
Envolvem a troca de bases do DNA mas não
causam a troca do aminoácido presente na
proteína correspondente.
•
Levam à troca do aminoácido, mas a
substituição não afeta a atividade da proteína
(mutações neutras).
Mutação em Nível Molecular
Mutação em Nível Molecular
Alteração do Quadro de Leitura (Frameshift)
Mutação em Nível Molecular
Deleção
Mutação em Nível Molecular
Inserção
Mutação em Nível Molecular
Sentido Trocado (Missense)
Mutação em Nível Molecular
Sem Sentido (Nonsense)
Mutação em Nível Molecular
Expansão de Repetição
Radiação
→ porção do espectro eletromagnético que contém comprimentos de onda menores e de maior
energia que a luz visível (0,1µm).

Tipos
ionizante → raios X, raios gama e raios cósmicos (úteis no diagnóstico médico pelo fato de
poderem penetrar nos tecidos vivos).
não-ionizante → luz ultravioleta.
•
No processo de penetração, a radiação ionizante
colide com átomos da matéria causando a liberação
de elétrons (formando radicais livres positivamente
carregados – íons).
•
Quimicamente mais reativos quando comparados à
átomos em seu estado estável normal.
# a reatividade aumentada dos átomos presentes
nas moléculas de DNA é a base dos efeitos
mutagênicos da luz ultravioleta e da radiação
ionizante.
Mutação por Radiação
 Radiação ionizante → não envolve uma extensão de tempo.
# a mesma dosagem de irradiação pode ser obtida por um longo período de tempo, ou
uma alta intensidade num curto período.
# mutações de ponto → diretamente proporcionais à dose de irradiação.
# Teoria da cinética de colisão única → toda ionização tem uma probabilidade de
induzir uma mutação.
Mutação por Radiação
Radiação ionizante
 Efeito direto
Efeito indireto
Radiação ionizante H2O
H + OH
Acidentes Radioativos
Aberrações Estruturais
Cariótipo - Metáfase
Mutação por Radiação
 Radiação não-ionizante (luz ultravioleta) → não possui energia suficiente para induzir
ionizações.
# são absorvidos por purinas e pirimidinas (tornando-se mais reativas).
○ multicelulares → atingem apenas camadas de células superficiais.
○ unicelulares → potente agente mutagênico
 Formação de hidratos de pirimidina e dímeros de pirimidinas.
# a relação entre a taxa de mutação e a dose de UV é muito variável, dependendo do tipo de
mutação do organismo e das condições empregadas.
Mutação por Radiação
Mecanismos de reparo do DNA
• Um mutante sobrevive quando sua troca genética não é prejudicial ou, mais raramente, é
benéfica.
• A maioria das mutações, contudo, são desvantajosas – impedindo a sobrevida celular.
• mecanismos de reparo → revertem os efeitos de processos mutagênicos artificiais ou naturais
sob o DNA.
→ muitos dos danos sofridos pelo DNA podem ser reparados porque a informação genética é
preservada em ambas as fitas da dupla-hélice.
→ a informação perdida em uma fita pode ser recuperada através da fita complementar
APLICAÇÕES PRÁTICAS DAS MUTAÇÕES
• Apesar da maioria das mutações tornarem o organismo menos adaptado e serem, portanto,
desvantajosas, há a possibilidade das mesmas desenvolverem novas características desejáveis.
• Mutantes induzidos de cevada, trigo, aveia, soja, tomate – podem melhorar as linhagens
cultivadas.
• resistência à ferrugem, maior produção, maior quantidade de proteína, sementes sem
casca, ente outro.
→ elucidam as vias pelas quais os processos biológicos ocorrem (isolamento e estudo das
mutações nos genes que codificam enzimas envolvidas nas mais diversas atividades metabólicas)
→ dissecção de processos biológicos
Reparação do DNA
Tipos de Reparação do DNA
1. Reparação por fotorreatividade enzimática
2. Reparação de bases alteradas
3. Reparação por excisão de base
4. Reparação por excisão de nucleotídeos
5. Reparação de bases malpareadas
6. Sistema de reparação por resgate
Reparação do DNA
Reparação por Fotorreatividade Enzimática
# dímeros de pirimidina → impedem a replicação e a expressão gênica
• Fotoliase → catalisa uma 2ª reação fotoquímica, na presença de luz visível, desfazendo a
mutação e refazendo as bases pirimídicas individuais.
ETAPAS
1ª → reconhecimento da enzima ao dímero na ausência de luz.
2ª → após a absorção de luz, energia é fornecida para a conversão do dímero em monômeros
de pirimidina.
3ª → dissociação da enzima do DNA.
Reparação do DNA
Reparação por Fotorreatividade Enzimática
 Fotorreativação
1. Fotoliase reconhece e se liga ao dímero
2. Absorção de luz  Conversão em monômeros
Reparação do DNA
Reparação de Bases Alquiladas

Ação de enzimas específicas: O6-Metilguanina-metiltransferase
CH3-Cys-Enzima
• Não há meios de recuperar a enzima metilada (necessidade de novas enzimas para cada
grupamento metil removido).
Reparação do DNA
Reparo por excisão
# A remoção de uma base defeituosa (ou não habitual) pode ocorrer a partir da:
• clivagem da ligação base-açúcar (excisão de base)
• incisão endonucleolítica nos dois lados da lesão
• liberação de nucleotídeos
• preenchimento da região pela ação da DNA-polimerase I e posterior ligação
Reparação do DNA
Reparação por excisão de base
# A citosina do DNA é desaminada espontaneamente sendo, portanto, percebida pela uracil.
•
evento mutagênico potencial
→ formação de filamento apresentando pares de bases errôneos (AU no lugar de GC)
■ Etapas de reparo
1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima
uracil-DNA-glicosilase
2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP)
3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease
Reparação do DNA
Reparação por excisão de base
■ Etapas de reparo
1. Hidrólise da ligação glicosídica entre uracil e as moléculas de desoxirribose pela enzima
uracil-DNA-glicosilase
2. Liberação da base nitrogenada errônea (formação do sítio AP)
3. Excisão da cadeia em regiões adjacentes à base perdida pela enzima AP endonuclease
4. Inserção de citosina no local mutado pela enzima DNA-polimerase I
5. Ligação da fita corrigida pela enzima DNA-ligase
Reparação do DNA
Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Base
Reparação do DNA
Reparo por excisão de nucleotídeos
■ Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN)
ETAPAS
1. Reconhecimento da lesão
2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta
3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão
4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde
5. Ligação
# reação, a princípio, livre de erro
Reparação do DNA
Reparação por Excisão de Nucleotídeo (REN)
1. Reconhecimento da lesão
2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão
3. Excisão do seguimento contendo a lesão
4. Síntese do novo seguimento de DNA e Ligação
Reparação do DNA
REN: Sistema Uvr (E. coli)
ATP
Helicase 5’  3’
3’ (4 a 5nt)
5’ (8nt)
Excisão de 12 a 13nt
UvrD
Enzimas de correção de erro
•
Algumas bases incorretamente pareadas escapam da correção realizada pela DNApolimerase
# Remoção de bases mal pareadas → Qual das fitas contém o erro? Qual das bases é a
errada?
■ Um dos mais importantes e gerais mecanismos de reparo (REN) → enzima de correção de
erro
ETAPAS
1. Reconhecimento da lesão
2. Incisão da fita lesada em ambos os lados da lesão e a alguma distância desta
3. Excisão do segmento (oligonucleotídeo) contendo a lesão
4. Síntese de um novo segmento de DNA utilizando a fita não-danificada como molde
5. Ligação
# sinal que direciona o sistema de excisão do erro exclusivamente para a fita recém-sintetizada
→ seqüências GATC próximas ao erro
Reparação do DNA
Sinalização por metilação
de sítios específicos
Reparação do DNA
1. Enzima de correção de erro liga-se à
seqüência GATC não modificada e ao par de
bases mal pareadas da mesma fita de DNA.
2. Enzima de correção de erro remove o
segmento de DNA que inclui o erro da fita
que contém a seqüência GATC não metilada.
3. DNA-polimerase
substituindo a
correta.
preenche
a
fenda,
base mal pareada pela
# Modificações na adenina da seqüência GATC por metilases farão com que a enzima de
correção não mais atue (não ocorrendo a excisão).
Reparo sujeito ao erro
•
Existem ocasiões em que o dano no DNA é tão extremo que não há maneira de os
mecanismos celulares de reparo corrigirem de forma precisa o erro
→ perda completa de um par de bases
# Qual base deve ser inserida no local lesado?
■ Sistema de Reparo Sujeito ao Erro
→ qualquer uma das bases é inserida no local lesado a fim de garantir a continuidade do
processo replicativo
# possível indutor mutagênico (3/4 – 75%)
◙ Ainda assim, é mais vantajoso para a célula a incorporação de uma base errada do que não
replicar mais.
Reparação do DNA
Reparação de Bases Malpareadas
 N6-Metiladenina (GATC)
Padrão de metilação
Replicação
Divisão Celular
Metiltransferase de
Manutenção
Metilação
Reparação do DNA
Reparação de Bases Malpareadas: Sistema Mut
1. MutS  pb malpareado
2. Reconhece sítio do erro
3. MutL se liga a MutS
4. Deslizamento até GATC (ATP)
5. MutH  Reconhece GATC
6. Cliva: GATC até o malpareamento
7. Remoção da fita clivada (SSB)
8. Síntese e ligação da nova fita
Reparação do DNA
Sistema de Reparação por Resgate
1. Dano impede a replicação
2. Cópias com lacuna no sítio lesado
3. Resgata-se a seqüência da fita normal
4. A lacuna da fita lesada é preenchida
5. A lacuna da fita normal é repolimerizada
Conclusão
 Mutação: Alteração do código genético
 Efeito benéfico x Efeito maléfico
 Mutações cromossômicas numéricas/estruturais
 Mutações gênicas (Nível molecular)
 Mecanismos de reparação de erros
 Sistemas enzimáticos complexos que removem vários tipos de erros
 Manutenção da integridade do DNA