49
MUTACIJE DNA 1

MUTACIJE DNA - University of Split

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MUTACIJE DNA - University of Split

MUTACIJE DNA 1

Page 2: MUTACIJE DNA - University of Split

MUTACIJE

1. Prema mjestu nastanka

KROMOSOMSKE - GENSKE

2. Prema tipu stanica

SOMATSKE (tjelesne st.) - GERMINATIVNE (gamete)

3. SPONTANE - INDUCIRANE

2

Page 3: MUTACIJE DNA - University of Split

3

Page 4: MUTACIJE DNA - University of Split

GENSKE MUTACIJE

-događaju se unutar jednog gena

Promjene molekule DNA događaju se u tjelesnim st., ali i

stanicama iz kojih nastaju gamete.

Page 5: MUTACIJE DNA - University of Split

1. Genske mutacije

1. TOČKASTE MUTACIJE:

SUPSTITUCIJA JEDNE BAZE

TRANZICIJA (zamjena Pur-Pur ili Pyr-Pyr)

TRANSVERZIJA (zamjena Pur-Pyr ili Pyr-Pur)

2. MUTACIJE S PROMJENOM OKVIRA ČITANJA (FRAMESHIFT)

INSERCIJA BAZE

DELECIJA BAZE

5

Page 6: MUTACIJE DNA - University of Split

1.1. Tipovi točkastih mutacija kao posljedica

supstitucije baze

1. MISSENSE MUTACIJE "mutacije krivog smisla"

2. NONSENSE MUTACIJE "besmislene mutacije"

3. SILENT MUTACIJE "tihe mutacije"

6

Page 7: MUTACIJE DNA - University of Split

1.1.1. MISSENSE MUTACIJE

mutacije krivog smisla

7

Page 8: MUTACIJE DNA - University of Split

1.1.2. NONSENSE MUTACIJE

besmislene mutacije

stop kodon (UAA, UAG, UGA) uvjetuje prijevremenu terminaciju polipeptida

8

Page 9: MUTACIJE DNA - University of Split

1.1.3. SILENT MUTACIJE

tihe mutacije

polipeptid je nepromijenjen 9

Page 10: MUTACIJE DNA - University of Split

1.2. FRAMESHIFT MUTACIJE

insercija ili delecija baza

• Insercija -umetanje jednog ili više nukleotida

• Delecija -gubitak jednog ili više nukleotida

Značajne promjene u polipeptidnom lancu:

•svaka od AK nizvodno u lancu je promijenjena

•stvara se skraćeni protein 10

Page 11: MUTACIJE DNA - University of Split

FRAMESHIFT MUTACIJE

• insercija ili delecija baze dovodi do greške u čitanju mRNA te

dodavanje pogrešnih AK u polipeptidni lanac

11

Page 12: MUTACIJE DNA - University of Split

Mutacije gena za Hb

12

Page 13: MUTACIJE DNA - University of Split

Srpasta anemija

Srpasti eritrociti uzrokuju kroničnu

anemiju i oštećenje tkiva i organa

Autosomno-recesivna bolest

Najčešće u Africi (1/375, 1/12

nositelj) i Mediteranu

13

Page 14: MUTACIJE DNA - University of Split

2. SOMATSKE MUTACIJE

• Somatske mutacije nazivamo modifikacije, zahvaćaju

samo nekoliko stanica i učinak im je najčešće zanemariv.

• Najčešće nastaju kao posljedica djelovanja okoliša

(mozaičnost šarenice oka, šarolikost listova i cvjetova).

• Neke somatske mutacije nisu tako neopasne, jer mogu

uzrokovati maligne bolesti

14

Page 15: MUTACIJE DNA - University of Split

15

Page 16: MUTACIJE DNA - University of Split

3. SPONTANE MUTACIJE

MUTAGENI: tvari koje induciraju nastanak mutacija

FIZIČKI

ionizirajuće zračenje: X-zračenje

neionizirajuće zračenje: UV-zračenje

KEMIJSKI

alkilirajuća sredstva, dušičasta kiselina, hidroksilamin

interkalirajuća sredstva (akridinske boje)

analozi baza (5-bromuracil, 2-aminopurin)

RETROVIRUSI

16

Page 17: MUTACIJE DNA - University of Split

Oštećenja DNA uzrokovana zračenjem i drugim

kemijskih agensima

• UV zrake

• susjedne timinske baze povezuju se ciklobutanskim prstenom

• pirimidinski dimeri narušavaju uzvojitu DNA strukturu i vezu s

komplementarnim bazama 17

Page 18: MUTACIJE DNA - University of Split

Oštećenja DNA uzrokovana zračenjem i drugim

kemijskim agensima

• Alkiliranje (adicija metilne ili etilne skupine na različite položaje DNA baza)

•Alkiliranje O6 položaja gvanina O6 metilgvanin G se sparuje s T

•Popravak enzimom O6 metilgvanin-metiltransferaza 18

Page 19: MUTACIJE DNA - University of Split

Oštećenja DNA uzrokovana zračenjem i drugim

kemijskih agensima

Mnogi karcinogeni (primjerice benzapiren) reagiraju s bazama u DNA

što rezultira adicijom velikih kemijskih skupina na molekulu DNA.

19

Page 20: MUTACIJE DNA - University of Split

20

Page 21: MUTACIJE DNA - University of Split

Spontane mutacije

• Reakcije deaminacije:

– 102 / stanici dnevno

– nitritna kiselina kao mutagen; uklanja slobodne amino- skupine

21

Page 22: MUTACIJE DNA - University of Split

...a onda slijedi popravak

22

Page 23: MUTACIJE DNA - University of Split

Spontane mutacije

• Reakcije depurinacije:

– 104 / stanici dnevno

23

Page 24: MUTACIJE DNA - University of Split

Oštećenja DNA se neprekidno ponavljaju

• Brojni fizički i kemijski agensi oštećuju DNA:

– baze se mogu promijeniti ili izgubiti

– fosfodiesterske veze se mogu pokidati

– lanci se mogu unakrsno povezati

• Mnoga oštećenja što ih pretrpi DNA mogu se popraviti upravo

zahvaljujući činjenici da oba DNA lanca sadrže genetičku informaciju,

pa se informacija koju izgubi jedan lanac nadoknađuje podacima iz

drugog lanca.

24

Page 25: MUTACIJE DNA - University of Split

DNA popravak

25

Page 26: MUTACIJE DNA - University of Split

Mehanizmi DNA popravka

1. Izravni popravak- izravni obrat kemijske reakcije odgovorne

za DNA oštećenje

pirimidinski dimeri i alkilirani gvaninski ostaci

2. Popravak izrezivanjem (ekscizijski popravak)

popravak izrezivanjem baza

popravak izrezivanjem nukleotida

popravak krivo sparenih baza

3. Popravak udružen s transkripcijom

4. Popravak sklon pogreškama

5. Rekombinacijski popravak

26

Page 27: MUTACIJE DNA - University of Split

Izravni popravak fotoreaktivacijom

•fotoreaktivacijski enzimi cijepaju

dimer na prvobitne baze nakon

apsorpcije plave svjetlosti

Karakteristično za bakterije, kvasce,

mnoge biljke i životinje, ali NE i

čovjeka

Izravni popravak timinskih dimera. UV-svjetlom inducirani timinski dimeri mogu se

popraviti fotoreaktivacijom, pri čemu energija vidljive svjetlosti služi za kidanje veza

koje tvore ciklobutanski prsten. 27

Page 28: MUTACIJE DNA - University of Split

Popravak O6-metilgvanina.

O6-metilgvanin-metiltransferaza

prenosi metilnu skupinu s O6-

metilgvanina na cisteinski ostatak

u aktivnom mjestu enzima.

28

Page 29: MUTACIJE DNA - University of Split

Popravak izrezivanjem

29

Page 30: MUTACIJE DNA - University of Split

2. Popravak izrezivanjem

2.1.Popravak izrezivanjem baza

• U nastao deaminacijom C

• DNA glikozilaza kida glikozidnu vezu

izmenu baze i šećera

• Nastaje AP (apirimidinsko mj.)

• AP endonukleaza kida DNA lanac

• Deoksiriboza-fosfodiesteraza kida

šećer i fosfat

• DNA polimeraza I popunjava

pukotinu (umeće odgovarajući

nukleotid)

• Ligaza lijepi

30

Page 31: MUTACIJE DNA - University of Split

2. Popravak izrezivanjem 2.2.Popravak nukleotida

• endonukleaza kida lanac na 5´ i

3´ kraju

• helikaza odvaja oligonukleotid

• DNA-polimeraza I donosi

nukleotide na lanac

• ligaza "lijepi" lanac

Popravak timinskih dimera

31

Page 33: MUTACIJE DNA - University of Split

Mnoge od krivo sparenih baza uklanjaju se korektivnom aktivnošću

DNA-polimeraze.

Preostale krivo sparene baze objekt su kasnijeg korektivnog mehanizma

zvanog popravak krivo sparenih baza (engl. mismatch repair

system) koji provjerava novorepliciranu DNA. Mehanizmi ovog

popravka sposobni su otkriti i specifično izrezati krivo sparenu bazu iz

novosintetiziranoga lanca DNA omogućivši time popravak greške i

ponovno uspostavljanje izvornoga slijeda nukleotida.

33

2. Popravak izrezivanjem 2.3.Popravak krivo sparenih baza pri replikaciji

Page 34: MUTACIJE DNA - University of Split

34

Popravak pogrešno sparenih baza u E. coli.

Sustav popravka pogrešno sparenih baza

otkriva i uklanja pogrešno sparene baze u

novorepliciranoj DNA koja se razlikuje od

roditeljskog lanca jer još nije metilirana. MutS

se veže za pogrešno sparenu bazu nakon čega

se veže i MutL. Vezanje MutL aktivira MutH koji

kida nemodificirani lanac nasuprot mjestu

metilacije. MutS i MutL zajedno s helikazom i

egzonukleazom nakon toga izrezuju dio

nemodificiranog lanca koji sadržava pogrešno

sparenu bazu. Pukotina se popunjava

djelovanjem DNA-polimeraze i zatvara ligazom.

Page 35: MUTACIJE DNA - University of Split

3.Popravak povezan s transkripcijom

Popravak povezan s

transkripcijom u stanicama

sisavaca.

RNA-polimeraza zaustavljena je na

mjestu lezije u DNA lancu koji se

prepisuje. Zaustavljenu RNA-

polimerazu prepoznaju proteini

povezani s transkripcijskim

popravkom, CSA i CSB, koji

usmjeruju TF II i XPG k mjestu

oštećenja DNA. Popravak se dalje

odvija uobičajenim mehanizmom

popravka izrezivanjem nukleotida.

35

Page 36: MUTACIJE DNA - University of Split

4. Popravak sklon pogreškama

Normalna replikacija

blokirana je timinskim

dimerom, ali DNA-poli

sklona pogreškama, kao što

je primjerice polimeraza V

(pol V), prepoznaje i

nastavlja sintezu DNA i

preko oštećenog mjesta. Replikacija se tada može

nastaviti regularnom

replikacijskom DNA-polimerazom,

a timinski dimer se na kraju

uklanja popravkom ekscizijom

nukleotida. Sinteza DNA pomoću

polimeraze sklone pogreškama

dovodi do učestale ugradnje

pogrešnih baza. 36

Page 37: MUTACIJE DNA - University of Split

5. Rekombinacijski popravak

Rekombinacijski popravak, zasniva se na

zamjeni oštećene DNA rekombinacijom s

neoštećenom molekulom. Ovaj mehanizam

se učestalo koristi za popravak oštećenja na

koja se nailazi za vrijeme replikacije DNA kada

prisutnost timinskih dimera ili drugih lezija, koje

ne mogu biti kopirane djelovanjem normalne

replikacijske DNA-polimeraze, blokira

napredovanje replikacijskih rašlji.

Rekombinacijski popravak ovisi o činjenici da je

jedan lanac roditeljske DNA ostao neoštećen, i

da je replikacijom dao normalnu sestrinsku

molekulu, koja sada može biti iskorištena za

popravak oštećenoga lanca.

37

Page 38: MUTACIJE DNA - University of Split

Karcinom debelog crijeva i popravak DNA

Značajan napredak u istraživanju ove vrste

karcinoma dogodio se 1993. kada je

otkriveno da gen odgovoran za oko 50%

HNPCC (engl. hereditary nonpolyposis

colorectal cancer) slučajeva kodira enzim

uključen u popravak krivo sparenih baza

– ovaj gen u čovjeka homolog je MutS gena

u E.coli. Naknadna istraživanja pokazala su

da su još tri gena, odgovorna za većinu

preostalih slučajeva HNPCC, homolozi MutL

gena te su također uključeni u popravak

krivo sparenih baza.

38

Page 39: MUTACIJE DNA - University of Split

REKOMBINACIJA

Page 40: MUTACIJE DNA - University of Split

Rekombinacija između homolognih

sljedova DNA

Rekombinacija je važan mehanizam za popravak oštećenja DNA.

Uz to, rekombinacija je ključna za stvaranje genetičke raznolikosti,

osobito važne s evolucijskog gledišta. Genetička različitost među

jedinkama pruža osnovni startni materijal prirodne selekcije koji

omogućuje vrstama da evoluiraju i prilagode se promjenjivim uvjetima

okoliša. Rekombinacija ima središnju ulogu u tom procesu jer

omogućuje genima da se preslože u različite kombinacije.

Page 41: MUTACIJE DNA - University of Split

Molekule DNA rekombiniraju se lomljenjem i

ponovnim spajanjem

Modeli rekombinacije. U modelu izbora kopije, rekombinacija se odvija za vrijeme

sinteze molekula DNA kćeri. Replikacija DNA započinje s jednim roditeljskim DNA-

kalupom a zatim se prebacuje na drugu roditeljsku molekulu što rezultira sintezom

rekombinantnih DNA kćeri koje sadržavaju slijedove homologne obama roditeljima. U

modelu loma i ponovnog spajanja rekombinacija nastaje kao rezultat loma i

ukriženoga prespajanja roditeljskih molekula DNA.

Page 42: MUTACIJE DNA - University of Split

Modeli homologne rekombinacije

Kako dvije roditeljske molekule DNA mogu biti prekinute točno na istom

mjestu tako da se mogu ponovo spojiti, a da pri tome ne nastanu

mutacije zbog delecija odnosno adicija nukleotida u mjestu loma?

Page 43: MUTACIJE DNA - University of Split

Homologna rekombinacija

komplementarnim sparivanjem baza.

Roditeljske molekule DNA pokidane su u

mjestima s preklapajućim jednolančanim

krajevima (ljepljivim krajevima) koji su izmijenjeni

putem sparivanja baza s homolognim

slijedovima. Rezultat toga je heterodupleksno

područje u kojem dva DNA lanca potječu iz

različitih roditeljskih molekula.

Page 44: MUTACIJE DNA - University of Split

Hollidayev model rekombinacije

Izvorna verzija Hollidayeva modela predlaže da

rekombinacija započinje uvođenjem ureza (engl.

nick) u istom mjestu obiju roditeljskih molekula.

Lanci DNA s urezom djelomično se razmotaju i

svaki izvrši nukleofilni napad na drugu molekulu na

taj način da se spari s komplementarnim

neprekinutim lancem. Ligacija prekinutih lanaca

stvara zatim ukriženje poznato kao Hollidayeva

veza koja predstavlja glavni međuprodukt u

rekombinaciji.

Page 45: MUTACIJE DNA - University of Split

Izomerizacija i razrješavanje

Hollidayeve veze. Hollidayeva veza

razrješuje se kidanjem i prespajanjem

ukriženih lanaca. Ako se Hollidayeva

veza stvorena inicijalnom izmjenom

lanaca razrješi nastaju heterodupleksni

potomici koji nisu rekombinantni za

genske biljege izvan heterodupleksnog

područja. Ipak, dvije rotacije molekule

s ukriženim lancima stvaraju izomer u

kojem su ukriženi neprekinuti

roditeljski lanci, a ne inicijalno zarezani

lanci. Kidanje i prespajanje ukriženih

lanaca tih izomera daje potomke koji

su rekombinantni heterodupleksi.

Page 46: MUTACIJE DNA - University of Split

Inicijacija rekombinacije

dvolančanim lomom.

Oba lanca DNA na

mjestu dvolančanog

loma razgrađena su

nukleazom u 5'→3'

smjeru. Jednolančani

krajevi zatim zalaze u

drugu roditeljsku

molekulu s pomoću

homolognoga

sparivanja baza.

Pukotine se nakon

toga popunjavaju

sintezom DNA i

zatvaraju ligacijom

stvarajući dvostruku

Hollidayevu vezu.

Page 47: MUTACIJE DNA - University of Split

Enzimi uključeni u homolognu rekombinaciju

Rekombinacija zahtijeva specifične enzime, zajedno s proteinima (DNA-

polimeraza, ligaza i proteini koji vežu jednolančanu DNA)

Središnji protein uključen u homolognu rekombinaciju je RecA

(Rad51 i Dmc1 u eukarioata) koji promovira izmjenu lanaca između

homolognih DNA molekula što rezultira stvaranjem heterodupleksa.

Page 48: MUTACIJE DNA - University of Split

Funkcija RecA proteina.

RecA se inicijalno veže za

jednolančanu DNA stvarajući

nit koja se sastoji od proteina i

DNA. RecA protein koji obavija

jednolančanu DNA se zatim

veže za drugu, dvolančanu

molekulu DNA stvarajući

kompleks u kojem ne dolazi

do sparivanja baza. Nakon

toga slijedi komplementarno

sparivanje baza i izmjena

lanaca pri čemu nastaju

heterodupleksna područja.

Page 49: MUTACIJE DNA - University of Split

U E. coli Hollidayeve veze se razrješavaju

kompleksom od 3 proteina: RuvA, RuvB i RuvC

RuvA prepoznaje Hollidayevu vezu i

mobilizira RuvB koji katalizira

pomicanje mjesta u kojem su lanci

ukriženi (migracija ukriženja). RuvC

razrješava Hollidayevu vezu kidajući

ukrižene lance koji se zatim spajaju

djelovanjem ligaze.

U eukariota, još nisu okarakterizirani

proteini s ovom zadaćom.