Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
MUTACIJE DNA 1
MUTACIJE
1. Prema mjestu nastanka
KROMOSOMSKE - GENSKE
2. Prema tipu stanica
SOMATSKE (tjelesne st.) - GERMINATIVNE (gamete)
3. SPONTANE - INDUCIRANE
2
3
GENSKE MUTACIJE
-događaju se unutar jednog gena
Promjene molekule DNA događaju se u tjelesnim st., ali i
stanicama iz kojih nastaju gamete.
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
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
1.1.1. MISSENSE MUTACIJE
mutacije krivog smisla
7
1.1.2. NONSENSE MUTACIJE
besmislene mutacije
stop kodon (UAA, UAG, UGA) uvjetuje prijevremenu terminaciju polipeptida
8
1.1.3. SILENT MUTACIJE
tihe mutacije
polipeptid je nepromijenjen 9
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
FRAMESHIFT MUTACIJE
• insercija ili delecija baze dovodi do greške u čitanju mRNA te
dodavanje pogrešnih AK u polipeptidni lanac
11
Mutacije gena za Hb
12
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
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
15
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
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
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
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
20
Spontane mutacije
• Reakcije deaminacije:
– 102 / stanici dnevno
– nitritna kiselina kao mutagen; uklanja slobodne amino- skupine
21
...a onda slijedi popravak
22
Spontane mutacije
• Reakcije depurinacije:
– 104 / stanici dnevno
23
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
DNA popravak
25
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
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
Popravak O6-metilgvanina.
O6-metilgvanin-metiltransferaza
prenosi metilnu skupinu s O6-
metilgvanina na cisteinski ostatak
u aktivnom mjestu enzima.
28
Popravak izrezivanjem
29
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
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
XENODERMA PIGMENTOSUM, XP
Greška u popravku timinskih dimera izrezivanjem nukleotida
Rijedak genetički poremećaj
1 / 25000 ljudi
karcinom kože
32
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
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.
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
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
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
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
REKOMBINACIJA
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.
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.
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.