Inestabilidad del genoma humano: mutaciones y …genoma.unsam.edu.ar/cursos/genetica_humana/teoricas/HumGenCap9... · 2 cap. 9 Hum Mol Gen. 3 Mutaciones • Las fuentes más frecuentes

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cap. 9 Hum Mol Gen. 1

Inestabilidad del genoma humano:mutaciones

yreparación de DNA

Capítulo 9“Human Molecular Genetics”


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Mutaciones• Las fuentes más frecuentes de mutaciones(bajo condiciones normales) son endógenas, esdecir, errores durante la replicación y reparacióndel DNA.

•Nro de divisiones celularesdurante la vida: 1017

1014 para generar lascélulas en el organismo

1003 para mantener lascélulas que se dividen

•Nro de nucleótidos a incorporarpor división celular: 6 x 1009

•Total de nucleótidos: 6 x 1026 !!!!

•Fidelidad de las DNApolimerasas: 10-09-10-11 pornucléotido incorporado.

•mRNA promedio: 1,7 Kb

• >> 1.7x10-06-10-08

mutaciones/gene y % celular.•Cada gen en el organismopuede tener 1008-1010

mutaciones


Clases de mutaciones enregiones 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 codificantesLas substituciones en el DNA codificante no ocurren al azar


Degeneración del código genético

4fold:

Todas lasposiblessubstitucionesson cambiossinónimos

2fold:

Solo 1substituciónmantiene 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 thatalthough eight of the 61 first base positions are twofold degenerate, about 96% of all possible substitutions at the firstbase position are nonsynonymous. 100% of base substitutions at the second base position are nonsynonymous, but onlyabout 33% of those at the third base position.

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Los genes que codifican proteínas varian enla proporción de substituciones no sinónimas

Proteínas muy conservadas: Ubiquitina, histonas H3 y H4, Calmodulina, proteinas ribosomales.


En la linea germinal del hombre haymás frecuencia de mutaciones debido al

mayor nro de divisiones

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•En las mujeres el nrode % celulares esconstante

•En el hombre laespermatogonia tipoAd continúadividiéndose cada 16días


Mecanimos genéticos que generanmutaciones en secuencias repetidas

• Mal apareamiento delas cadenas de DNAdurante la replicaciónpuede originarpolimorfismos enmicrosátelites (VNTR).

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Largas unidades de DNA repetitivo en tandem sonsusceptibles de largas deleciones o inserciones

como resultado de cruzamiento desigual ointercambio desigual de cromátidas hermanas


Secuencias cortas dispersas en el genomapueden generar duplicaciones en tandem o

largas deleciones•Por ejemplo:SecuenciasALU

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Conversióngénica

• Intercmbio norecíproco

El dador noes alterado

•Interalélica (A)o

•Interlocus (B)


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 cadenarespiratoria y la falta de histonas que protejan el DNA.> Mecanismos de reparación poco eficientes

iii) Mecanismos que permiten una rápida fijación de las mutaciones (verproximo slide).

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Segregación de genotipos mitocondriales enla línea germinal materna


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 lasmutaciones 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 esalterada

Expresión inapropiada: sobre-expresión, expresión ectópica.

ii) Grado de expresión del fenotipo mutante en el heterocigota: 1 solo alelopuede ser suficiente (condiciones recesivas); menor gravedad(comparado con el homocigota mutante) cuando la mutación es del tipoperdidad de función.

iii) El grado de la expresión de un fenotipo mutante es influenciado porotros genes (background genético, genes modificadores).

iv) Proporción de células afectadas en el organismo: mutación heredada;mutación somática temprana (mayor efecto); mutaciones somáticastardias o en células en las que el gen no se expresa. Cáncer !!!.

v) Origen parental de la mutación: genes con imprinting.


Efecto de la localización y clase demutación en la función génica

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Mutaciones que alteran el splicing del mRNA

Posibles efectos:

i) Frameshift

ii) Inestable mRNA

iii) Polipéptido nofuncional

Mutaciones que alteranimportantes señales desplicing



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 limbgirdle muscular dystrophy patient. The mutation was found in the calpain 3 gene, a known locus for this form of musculardystrophy, but occurred at the third base position of a codon and appeared to be a silent mutation. It would lead toreplacement of one glycine codon (GGC) by another glycine codon (GGT). However, the mutation is believed nevertheless tobe pathogenic. The substitution results in activation of a cryptic splice donor sequence within exon 16 resulting in aberrantsplicing 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 no son (normalmente) importantes en el splicing

Activaciónde un sitiode splicingcríptico


Mutaciones que introducen unaseñal 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


“Slipped strand mispairing” enrepeticiones cortas en tandem

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Expansión de codones repetidos entandem 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 !!!!


Expansión de microsatélitespueden causar enfermedad

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

Unequal crossover

Unequal sisterchromatidexchange

Pseudogen


Secuencias repetidas dispersas en el genomapredisponen a largas deleciones o duplicaciones

Repeticiones directas cortas:

Alu repeats son hotspot de recombinacióndeleciones o duplicaciones a gran escala

En el genomamitocondrialse supone quese generan pormalapareamientode las cadenasdurante lareplicación.Porque ?

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Recombinación intracromátida entre repeticionesinvertidas pueden generar inversiones patogénicas

40% delos casosdehemofiliaA


Transposición de secuencias deADN 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


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


• Los sistemas de reparación compartencomponentes con los sistemas dereplicación y transcripción.

• Hipersensibilidad a agentes genotóxicos esfrecuentemente el resultado de fallas en lossistemas de respuesta al daño en el DNAmás que a defectos en los sistemas dereparación.

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• Estudiar Mecanismos de reparación deDNA– Pdf en la página WEB de la materia (teóricas).

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