Em formação

Como as mutações pontuais surgem de erros na replicação do DNA?

Como as mutações pontuais surgem de erros na replicação do DNA?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Oi! Estou tentando entender esta ilustração (do livro Biological Science, de Scott Freeman).

A questão geral é: como as mutações pontuais surgem de erros na replicação do DNA?

Se você não se importa, entretanto, gostaria de explicar como interpreto a ilustração para que você possa ver a confusão. Como a molécula original de DNA é replicada (em cinza), ocorre um erro na síntese da fita inferior da nova molécula (as bases não complementares G e T foram emparelhadas). Agora, parece que uma segunda replicação é necessária para que a mutação surja: a molécula defeituosa é replicada resultando em duas novas moléculas, uma livre de erros (porque toma como modelo a fita superior) e uma "errada" onde está a mutação é presente.

Mas minha dúvida é: a molécula do meio já não constituiria uma mutação? Se um mRNA transcrever essa sequência, o códon já é diferente da molécula original. Uma molécula de DNA deve ser replicada duas vezes para que surja uma mutação (onde a primeira vez que um erro é cometido e a segunda quando esse erro é, digamos, "consolidado")?

Muito obrigado antecipadamente.


Fonte do seu mal-entendido

Seu mal-entendido é muito compreensível, pois a figura é enganosa.

A figura mostra apenas um único evento de replicação. O que você vê como uma segunda replicação resultando em duas moléculas de fita dupla NÃO é um evento de replicação. Na verdade, representa os dois resultados possíveis de um 'mecanismo de reparo de incompatibilidade'. O termoReplicação de DNAescrito na figura deve ser substituído porPossíveis resultados do reparo do DNA. A molécula que contém oG-Tincompatibilidade é, portanto, apenas um estado temporário que muito rapidamente será alterado para oT-Aestado (canto inferior direito de sua figura) ou para oG-Cestado (canto superior direito de sua figura). Mais informações abaixo.

Reparo de DNA

O reparo do DNA é um conjunto de processos pelos quais uma célula identifica e corrige danos às moléculas de DNA que codificam seu genoma.

O tipo de reparo de DNA que é de interesse na figura é chamado de "reparo de incompatibilidade de DNA"

Reparo de incompatibilidade de DNA

O reparo de incompatibilidade de DNA é um sistema para reconhecer e reparar a inserção, exclusão e incorporação incorreta de bases que podem surgir durante a replicação e recombinação do DNA, bem como reparar algumas formas de danos ao DNA.

Existem enzimas específicas para reparar uma incompatibilidade, como oG-Tincompatibilidade representada em sua figura. Essas enzimas podem repararG-TemG-Cou emNO. Se o reparo forNO(resultado inferior na figura), então uma mutação teria ocorrido. Se o reparo forG-C(resultado superior na figura), então estamos de volta à sequência original e nenhuma mutação teria ocorrido.

Observe que a probabilidade dos dois resultados possíveis é diferente de 0,5, pois essas enzimas têm maneiras de tentar descobrir qual era a fita original e qual era a fita replicada recentemente. Você pode aprender muito mais sobre o mecanismo de reparo de incompatibilidade de DNA na Wikipédia> Reparo de incompatibilidade de DNA.


Mutação pontual

UMA Mutação pontual ou substituição é uma mutação genética em que uma única base de nucleotídeo é alterada, inserida ou deletada de uma sequência de DNA ou RNA do genoma de um organismo. [1] As mutações pontuais têm uma variedade de efeitos no produto da proteína downstream - consequências que são moderadamente previsíveis com base nas especificidades da mutação. Estas consequências podem variar de nenhum efeito (por exemplo, mutações sinônimas) a efeitos deletérios (por exemplo, mutações de frameshift), no que diz respeito à produção, composição e função de proteínas.


Mutações genéticas podem surgir durante a replicação do DNA. Explique por que diferentes tipos de mutação gênica podem ter efeitos diferentes no polipeptídeo codificado.

Mutações genéticas surgem devido a erros na replicação do DNA e incluem inserção, deleção, substituição, inversão, duplicação e translocação de bases. Cada trinca de bases codifica um aminoácido. Portanto, a mutação de base pode alterar a sequência de aminoácidos do polipeptídeo codificado pelo gene. No entanto, o efeito no polipeptídeo depende do tipo de mutação. Por exemplo, devido à natureza degenerada do código genético, uma substituição de uma base pode resultar em um tripleto que codifica o mesmo aminoácido que foi codificado pela sequência de base original, caso em que não haverá efeitos no polipeptídeo codificado . No entanto, algumas mutações podem afetar drasticamente o aminoácido codificado. Por exemplo, uma substituição pode resultar em um trio que codifica um códon de parada prematuro. Isso resultaria em uma sequência de aminoácidos truncada - que é a estrutura primária de um polipeptídeo - que por sua vez afetaria as estruturas secundária e terciária do polipeptídeo e poderia prejudicar ou abolir sua função.

Outro tipo de mutação que pode afetar significativamente o polipeptídeo codificado é um indel - uma inserção ou deleção - pois pode causar uma mudança de quadro. Em um framehift, a sequência de bases que codifica a cadeia de aminoácidos é deslocada para outro frame de leitura. Por exemplo, uma região do gene pode ser lida nos seguintes tripletos: GCG CAA GAT. Se o primeiro G for excluído, toda a sequência de base muda, de modo que os tripletos são agora lidos como CGC AAG AT ... e assim por diante. Indels pode, portanto, alterar gravemente a sequência de aminoácidos e, portanto, as estruturas polipeptídicas secundárias e terciárias, que mais uma vez podem reduzir significativamente ou abolir a função do polipeptídeo.


A pesquisa da IU sobre 'hotspots' de mutação no DNA pode levar a novos insights sobre os riscos de câncer

BLOOMINGTON, Ind. - Uma nova pesquisa da Universidade de Indiana identificou "pontos críticos" no DNA onde o risco de mutações genéticas é significativamente elevado.

images / dams / zousrw4zew_w768.jpg "/> Ver imagem de qualidade de impressão Patricia Foster. Foto: Indiana University Communications

Essas mutações surgem porque "erros de digitação" podem ocorrer à medida que o DNA se replica durante a divisão celular. Uma análise recente, que descobriu que erros aleatórios no DNA desempenham um grande papel em muitos tipos de câncer, ressalta a necessidade de entender mais sobre o que desencadeia esses erros.

A pesquisa liderada pela IU, conduzida em E. coli, aparece em dois artigos & # 160 na seção "Destaques" da edição de agosto da revista Genetics. Os "pontos de acesso" identificados são específicos para E. coli e bactérias relacionadas, mas o trabalho pode fornecer um roteiro para identificar pontos problemáticos semelhantes no DNA humano.

"Esta pesquisa nos deixa mais perto de entender como a máquina de replicação da célula interage com o DNA", disse Patricia Foster, professora emérita do Departamento de Biologia da IU Bloomington College of Arts and Sciences. "Se você puder entender exatamente por que ocorre um erro em um ponto específico do DNA das bactérias, ficará mais perto de compreender os princípios gerais."

Foster é o primeiro autor em um dos dois artigos. O primeiro autor do outro artigo é Brittany Niccum, Ph.D. aluno do laboratório Foster & # 8217s no momento do estudo.

O risco de câncer devido a erros de replicação do DNA é maior em certos tecidos - como a próstata e os ossos - onde uma taxa mais alta de renovação celular significa que há mais oportunidades de erros à medida que o DNA é copiado.

"Existem partes do genoma que contêm 'drivers de câncer', onde mudanças no DNA podem permitir a proliferação de células tumorais", disse Foster. "Se você pudesse saber quais seções do DNA têm um risco maior de mutação, você poderia concentrar sua análise nesses 'pontos críticos' para prever o que acontecerá a seguir."

images / dams / xtr1sqcrqk_w768.jpg "/> Ver imagem de qualidade de impressão As bactérias E. coli & # 160foram usadas para estudar as sequências no DNA onde o risco de mutação é significativamente elevado. Foto cortesia do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas

No E. coli, os pesquisadores descobriram que as chances de erros de replicação de DNA eram até 18 vezes mais prováveis ​​em sequências de DNA em que a mesma "letra" química na sequência se repetia várias vezes consecutivas. Eles também descobriram que os erros eram até 12 vezes mais prováveis ​​em sequências de DNA com um padrão específico de três letras.

Esses padrões de letras na sequência de DNA foram identificados anteriormente como locais comuns para erros de replicação. Mas Foster disse que o grande volume de dados nos novos estudos - com análises em todo o genoma da bactéria de 30.000 mutações acumuladas durante 250.000 gerações - fornecem o "peso estatístico" necessário para apontar as taxas de erro com um nível de precisão sem precedentes.

Os estudos também destacam a importância de dois sistemas na replicação do DNA: uma enzima "revisora" e uma via molecular chamada reparo de incompatibilidade. Ambos servem como defesa contra erros da enzima - chamada DNA polimerase - que copia o genoma a uma taxa impressionante de 1.000 letras por segundo.

Esta função de revisor redefine o processo de cópia após detectar um erro. Os pesquisadores da IU descobriram que "desligar" essa função causava 4.000 vezes mais erros. Desligar o reparo de incompatibilidade, um sistema de backup para o revisor, causou 200 vezes mais erros.

“Quando desligamos esses sistemas de backup, começamos a ver erros 'puros' - os locais onde a polimerase tem maior probabilidade de cometer um erro sem a intervenção de outros processos”, disse Foster. "Até agora, não acho que alguém pudesse realmente ver a seriedade desses pontos de acesso de erro no DNA."


Como as mutações pontuais surgem de erros na replicação do DNA? - Biologia

Um mutagênico é um agente ambiental que causa uma mutação. O processo de induzir uma mutação é denominado mutagênese. Existem muitos mutagênicos conhecidos, incluindo:

Existem muitas evidências que foram coletadas ao longo do tempo para mostrar os efeitos da radiação no material genético. Antes que a tecnologia estivesse disponível para estudar o DNA, havia uma correlação entre aqueles que trabalharam com radiação por períodos prolongados de tempo e mutações negativas. Mas mesmo isso não foi identificado até a década de 1990. Leucemia e outros tipos de câncer são comuns entre aqueles que tiveram exposição prolongada.

A radiação pode quebrar fitas de DNA ou mesmo cromossomos inteiros se o nível de energia da radiação for alto o suficiente. A radiação ultravioleta do sol pode causar a deleção de bases na fita de DNA, bem como fazer com que as bases da timina se liguem e, portanto, não permitem que a replicação ocorra adequadamente.

As alterações feitas nas células somáticas não podem ser transmitidas às gerações futuras. No entanto, as mutações feitas nas células gaméticas podem produzir alelos que podem ser herdados. Isso pode ter resultados drásticos para a variabilidade genética das populações e, portanto, repercussões na evolução.


Cientistas identificam tremores quânticos fugazes que impulsionam a taxa de mutação no DNA

Cientistas nos EUA descreveram como a dupla hélice de DNA contém um cronômetro intrínseco que determina a frequência com que as mutações podem ocorrer espontaneamente. A equipe liderada por Zucai Suo, Ph.D. da Universidade do Estado de Ohio, e Hashim M. Al-Hashimi, Ph.D. da Universidade Duke, usou uma técnica conhecida como dispersão de relaxamento por ressonância magnética nuclear (NMR) para reconhecer como as bases em um a hélice de fita dupla do DNA sofre mudanças fugazes em sua forma - durando apenas um milésimo de segundo - que permitem que as enzimas polimerase insiram a base errada durante a replicação do DNA. Os pesquisadores afirmam que essas raras incompatibilidades podem estar subjacentes às mudanças genéticas que impulsionam a evolução, bem como o desenvolvimento de doenças como o câncer.

& # 8220 Aumentar ou diminuir as taxas de mutações espontâneas pode alterar significativamente a capacidade de um organismo de evoluir ou alterar sua suscetibilidade à doença & # 8221 disse o Prof. Al-Hashimi, James B. Duke Professor de Bioquímica e Química na Duke University Escola de Medicina. & # 8220Uma questão interessante é: o que determina a taxa de mutação em um organismo vivo. A partir daí, podemos começar a entender as condições específicas ou estressores ambientais que podem elevar os erros. & # 8221 Os pesquisadores relatam suas descobertas em Natureza, em um artigo intitulado & # 8220Dynamic Basis for dG • dT Misincorporation via Tautomerization and Ionization. & # 8221


Quando as células se dividem, seu DNA deve ser replicado. As enzimas da DNA polimerase têm a função de inserir as bases certas nas posições certas em uma nova fita conforme ela é construída, combinando o novo par de bases com seu número oposto - citosina (C) com guanina (G) e adenina (A) com timina (T). No entanto, esse processo de correspondência não é infalível e um erro é cometido em cerca de uma em cada 10.000 bases. Se o erro não for corrigido, ele permanecerá fixo no lugar como uma mutação no novo DNA.

James D. Watson e Francis H.C. Crick postulou que as bases do DNA podem existir como estados alternativos ou rearranjos - conhecidos como formas tautoméricas e aniônicas - em 1953, quando eles descreveram pela primeira vez a estrutura da dupla hélice do DNA, escrevem os pesquisadores. No entanto, os cientistas também confirmaram que a replicação do DNA é rigidamente controlada, de modo que as incompatibilidades são raras. “Em seu artigo descrevendo a estrutura da dupla hélice do DNA, Watson e Crick propuseram que, se as bases de nucleotídeos adotassem suas formas tautoméricas energeticamente desfavoráveis, as incompatibilidades poderiam se emparelhar em uma geometria semelhante a Watson-Crick (WC) e, potencialmente, dar origem a mutações espontâneas ”, Escrevem os pesquisadores. “Décadas depois, está bem estabelecido que as máquinas replicativas e translacionais têm um controle rígido sobre a geometria WC para discriminar contra incompatibilidades.”

As evidências também sugerem que, embora incompatibilidades incomuns, tautoméricas e aniônicas do tipo WC podem “escapar de tais pontos de verificação de fidelidade” e dar origem a erros de replicação, apontam os autores. Para investigar isso mais a fundo, em 2015 a equipe de Duke usou a técnica de dispersão de relaxamento NMR para testemunhar essas mudanças de forma tautomérica e aniônica em bases, que eles anteciparam que poderiam desempenhar "papéis únicos na indução e reparo de danos ao DNA, reconhecimento de ácido nucleico, produtos químicos modificações de ácidos nucleicos e catálise. ”

Para seu estudo mais recente, os pesquisadores usaram uma versão aprimorada da tecnologia para capturar essas mudanças conformacionais em piscar de olhos em G e T e demonstrar que esses & # 8220 tremores quânticos & # 8221 aconteceram aproximadamente na mesma taxa que uma polimerase incorpora uma incompatibilidade GT.

Os pesquisadores da Duke University e da Ohio State University também alimentaram seus dados em um modelo cinético para rastrear movimentos que levaram a estados alterados e incompatibilidades. Esses resultados mostraram que as formas tautoméricas eram mais comuns em condições normais, enquanto as formas aniônicas dominavam na presença de mutagênicos e estresse ambiental. As descobertas também indicaram que a frequência com que as bases mudavam de forma dependia da sequência de DNA. Uma região rica em G e C pode ser associada a mais incidências de mudança de forma e, portanto, à inclusão de mais mutações do que uma região rica em As e Ts. "A etapa de tautomerização ou ionização dependente da sequência foi inserida em um mecanismo cinético mínimo para incorporação correta durante a replicação após a ligação inicial do nucleotídeo, levando a previsões precisas da probabilidade de incorporação incorreta de dG • dT em diferentes polimerases e condições de pH e para um nucleotídeo quimicamente modificado e fornecendo mecanismos para incorporação incorreta dependente da sequência ”, afirmam os autores. “Nossos dados indicam que a formação de incompatibilidades aniônicas e tautoméricas semelhantes a WC ajudam a determinar a frequência da incorporação incorreta de dG • dT e sua dependência do pH, modificações químicas e, possivelmente, sequência.”

& # 8220No passado, sabíamos que as polimerases de DNA cometiam erros durante a replicação do DNA, mas não sabíamos como o fazem & # 8221 comenta Zucai Suo, Ph.D., professor de química e bioquímica do estado de Ohio. & # 8220Agora, nosso estudo fornece uma noção mecanicista de como os erros surgem. & # 8221 O Prof. Al-Hashimi acrescenta que, & # 8220 A representação da icônica dupla hélice no livro didático mostra uma estrutura estática de fita dupla, mas acontece que em raras ocasiões, pode se transformar em outras formas que existem por períodos de tempo excepcionalmente pequenos. Embora alguns possam questionar a importância de tais estados, há um número crescente de estudos mostrando que eles podem ser os principais impulsionadores da biologia e das doenças. Dada a dificuldade em observar esses fenômenos, isso faz você se perguntar quantos estados mais existem ditando os resultados da biologia que nós nem conhecemos. & # 8221

Os resultados fornecem & # 8220 validação convincente para as origens químicas das mutações propostas por Watson e Crick em 1953 & # 8221 acrescenta Myron Goodman, Ph.D., professor de biologia molecular e química da University of Southern California, que não foi envolvidos no estudo. & # 8220É significativo cientificamente e, embora tenha levado cerca de 65 anos para ser provado, também demonstra a loucura de apostar contra Watson e Crick. & # 8221

Os pesquisadores também planejam continuar investigando como estados alternativos podem ser responsáveis ​​por erros em outros processos. “A abordagem apresentada aqui pode ser aplicada para examinar os papéis de outras incompatibilidades tautoméricas e aniônicas na replicação, transcrição, tradução e reparo de DNA”, concluem eles.


Erros de replicação dependente de Pol ε humano e a influência do reparo de incompatibilidade em sua correção

Mutações na DNA polimerase humana (Pol) ε, um dos três Pols eucarióticos necessários para a replicação do DNA, foram recentemente encontradas associadas a um fenótipo ultramutador em tumores de câncer colorretal somático e endometrial e em um câncer colorretal familiar. Possivelmente, as mutações de Pol ε reduzem a precisão da síntese de DNA, aumentando assim a carga mutacional e contribuindo para o desenvolvimento do tumor. Para testar esta possibilidade in vivo, caracterizamos um alelo mutante de sítio ativo de Pol ε humano que exibe um forte fenótipo mutador in vitro quando a atividade de exonuclease de revisão da enzima é inativa. Este mutante tem uma forte tendência para pares incorretos de bases de pirimidina modelo opostas, particularmente pares incorretos de T • dTTP. A expressão de Pol ε mutante em células humanas sem reparo de incompatibilidade funcional causou um aumento na taxa de mutação principalmente devido a pares incorretos de T • dTTP. O reparo de incompatibilidade funcional eliminou o aumento da mutagênese. Os resultados indicam que o Pol ε mutante causa erros de replicação in vivo, e é pelo menos parcialmente dominante sobre o Pol ε endógeno de tipo selvagem. Uma vez que os tumores de pacientes colorretais somáticos e familiares surgem com mutações Pol ε em um único alelo, são microssatélites estáveis ​​e têm um grande aumento nas substituições de pares de bases, nossos dados são consistentes com uma mutação Pol ε exigindo fatores adicionais para promover o desenvolvimento do tumor.

Palavras-chave: DNA polimerase Replicação de DNA Mismatch repair Mutagenesis.


Método de reparo de DNA ligado a maior probabilidade de mutação genética

Pesquisadores da Indiana University-Purdue University Indianapolis e da Umea & deg University na Suécia relatam um estudo publicado em 15 de fevereiro de 2011, edição de PLoS Biology que um método pelo qual as células reparam quebras em seu DNA, conhecido como Replicação Induzida por Quebra (BIR), tem até 2.800 vezes mais probabilidade de causar mutação genética do que o reparo celular normal.

A transmissão precisa da informação genética requer a replicação precisa do DNA. Erros na replicação do DNA são comuns e a natureza desenvolveu vários mecanismos celulares para reparar esses erros. Mutações, que podem ser deletérias (desenvolvimento de células cancerosas) ou benéficas (adaptação evolutiva), surgem de erros não corrigidos. Quando uma ou várias células se reparam usando o método BIR eficiente, a precisão é perdida.

"Quando ocorre BIR, em vez de usar um" band-aid "para reparar uma quebra cromossômica, a peça quebrada invade outro cromossomo e inicia a replicação que acontece no lugar errado e na hora errada e provavelmente com a participação de proteínas erradas", disse Anna Malkova, Ph.D., professor associado de biologia da Escola de Ciências da IUPUI, que liderou o estudo.

Os pesquisadores usaram levedura para investigar o nível de mutagênese associada ao BIR e descobriram que a propensão do método para causar mutação não era afetada pelo local do DNA em que o reparo foi feito.

Por que o BIR é tão impreciso em comparação com a replicação normal?

"Não encontramos uma arma fumegante", disse Malkova, também professor associado adjunto de genética médica e molecular na Escola de Medicina da Universidade de Indiana. "Achamos que há pelo menos quatro mudanças na máquina de replicação que devem ocorrer para criar uma tempestade ou sinergia perfeita que torna o reparo de BIR tão mutagênico."

Por exemplo, durante o BIR, os pesquisadores descobriram um aumento dramático na concentração de nucleotídeos - os blocos de construção usados ​​para formar o DNA.

"Nossas descobertas sugerem fortemente que a mutagênese causada por BIR não ocorre lentamente, ela ocorre em surtos - surtos repentinos que podem levar ao câncer", disse Malkova, que é geneticista. "Planejamos continuar investigando o BIR na esperança de encontrar pistas sobre por que esse mecanismo de reparo celular pode causar mutações. O objetivo final, é claro, é prevenir essas mutações que causam câncer."


Pergunta: 1. Com que frequência as mutações ocorrem durante a replicação do DNA? Como a célula repara essas mutações? Como os mutagênicos e os carcinógenos afetam esses processos e levam ao desenvolvimento do câncer? 2. BRCA1 e BRCA2 são genes normalmente envolvidos em qual função celular? Como as mutações nesses genes predispõem um indivíduo a desenvolver câncer? .

5. Que tipo de mutação ocorreu no DNA de pessoas com fibrose cística? Como a mutação afeta a função das células pulmonares? Por que indivíduos heterozigotos para FC têm vantagem sobre indivíduos normais?

6. Como as mutações são herdadas? Como o processo meiose difere da mitose? Que mecanismos durante a meiose garantem que o material genético transmitido à prole seja diverso?

7. Qual é a diferença entre alelos dominantes e recessivos? Se a mutação que causa a doença for recessiva, como ela será herdada? Por outro lado, se a mutação for dominante, como será herdada?


História

O processo de reprodução celular da meiose foi descoberto por Oscar Hertwig em 1876. A mitose foi descoberta vários anos depois, em 1882, por Walther Flemming.

Hertwig estudou ouriços-do-mar e notou que cada ovo continha um núcleo antes da fertilização e dois núcleos depois. Esta descoberta provou que um espermatozóide pode fertilizar um óvulo e, portanto, provou o processo de meiose. Hermann Fol continuou a pesquisa de Hertwig testando os efeitos da injeção de vários espermatozóides em um óvulo e descobriu que o processo não funcionava com mais de um espermatozóide. & # 9137 & # 93

Flemming começou sua pesquisa sobre a divisão celular em 1868. O estudo das células era um tópico cada vez mais popular nessa época. Em 1873, Schneider já havia começado a descrever as etapas da divisão celular. Flemming ampliou essa descrição em 1874 e 1875, ao explicar as etapas com mais detalhes. Ele também argumentou com as descobertas de Schneider de que o núcleo se separava em estruturas semelhantes a bastonetes, sugerindo que o núcleo na verdade se separava em fios que, por sua vez, se separavam. Flemming concluiu que as células se replicam por meio da divisão celular, para ser uma mitose mais específica. & # 9138 & # 93

Matthew Meselson e Franklin Stahl são creditados com a descoberta da replicação do DNA. Watson e Crick reconheceram que a estrutura do DNA indicava que existe alguma forma de processo de replicação. No entanto, não havia muitas pesquisas feitas sobre esse aspecto do DNA até depois de Watson e Crick. As pessoas consideraram todos os métodos possíveis para determinar o processo de replicação do DNA, mas nenhum teve sucesso até Meselson e Stahl. Meselson e Stahl introduziram um isótopo pesado em algum DNA e traçaram sua distribuição. Por meio desse experimento, Meselson e Stahl foram capazes de provar que o DNA se reproduz de forma semi-conservadora. & # 9139 & # 93


Assista o vídeo: O que é a mutação? (Outubro 2022).