Mutation and DNA repair

Methee Sriprapun, PhD

Faculty of Medical Technology

Huachiew Chalermprakiet University

Objectives

• อธิบายความหมายและจ าแนกประเภทของ mutation แบบต่างๆ ได ้

• อธิบายสาเหตุและผลของการเกิด mutation ได ้• อธิบายกลไกลการซ่อมแซม DNA แบบต่างๆ ได ้

DNA (Deoxyribonucleic acid)

http://www.mun.ca/biology/scarr/iGen3_02-07.html

RNA (Ribonucleic acid)

http://www.contentfy.com/wp-content/uploads/2012/12/dna-and-rna1.png

Purine: A, G Pyrimidine: T, C, U

A=T, CG : DNA

A=U, CG : RNA

Terminology to understand

Mutation (การผ่าเหล่า): “the change in genetic material (DNA, RNA)”

มีผลตอ่ลกัษณะของสิ่งมีชีวิตท่ีแสดงออกมา (phenotype)

Mutant: “novel phenotype resulting from mutation”

Wild type mutant

Wild type : normal phenotype

Mutation

Genetic variation

Wild type & mutant

Selection, adaptation & evolution to survive in new environment

Levels of mutation

• Genome mutation :

change in amount of chromosome

• Chromosome mutation:

change in chromosomal structure

• Gene mutation: DNA (nucleotide change)

DNA VS RNA genome mutation

• Mutation rate: RNA >> DNA (1,000 fold)

• DNA polymerase: proof reading activity

• RNA polymerase : lacking of proof reading activity

• ปัจจบุนัเทคนิคท่ีนิยมใช้ในการศกึษา mutation : Sequencing

Mutation on DNA sequence

• Base substitution or point mutation

Transition: purine purine

pyrimidine pyrimidine

Transversion : purine pyrimidine

(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

Mutation on DNA sequence (II)

• Nonsense mutation (nucleotide change stop codon)

Wild type (AT) Mutant

(Russell PJ, 2010)

Stop codon : UAG, UAA, UGA

• Missense mutation (nucleotide change amino acid change: nonsynonymous substitution)

• Silent mutation (nucleotide change w/o amino acid change: synonymous substitution)

(Russell PJ, 2010)

Mutation on DNA sequence (III)

• Frame-shift mutation: insertion or deletion การอา่น codon เปลี่ยนแปลงไป

Insertion : การแทรกของ base ใน nucleotide sequence

Deletion : การขาดหายไปของ base ใน nucleotide sequence

(Russell PJ, 2010)

http://www.biogem.org/codon.jpg

แบบทดสอบ

• Template DNA: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTC

L T G C K P F

• Mutation 1: CTA CCA GGA TGC AAA CCC TTC

L P G C K P F

• Mutation 2: CTA ACA GGA TGC TAA CCC TTC

L T G C Stop P F

(Missense mutation)

Nonsense mutation

แบบทดสอบ

• Template DNA: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTC

L T G C K P F

• Mutation 3: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTT

L T G C K P F

• Mutation 4: CTA ACA GGA TGC A-A C CC T TC

L T G C N P -

Silent mutation

Frameshift mutation)

Mutation symbol

• Nucleotide sequence

• Amino acid sequence

C134A มีการเปลี่ยนแปลง nucleotide ท่ีต าแหน่ง 134 จาก C เป็น A

nt เดมิ ต าแหน่ง nt ใหม่ 134 (CA) 134C>A

A222K

aa เดมิ ต าแหน่ง aa ใหม่

มีการเปลี่ยนแปลง amino acid ท่ีต าแหน่ง 222 จาก A เป็น K

A= alanine; K = lysine

Mutation can occur in 2 ways

• Spontaneous mutation

• Induced mutation

Spontaneous mutation

• เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึน้ได้เองโดยธรรมชาติ

• Randomly occur without a known cause

• Mostly occur during DNA replication

• Error rate in DNA replication: 10-6 to 10-7 per kilobase pair/each replication

• Deamination, depurination and tautomerization

Deamination

• Removal of amino group (NH2) from base

• Cytosine Uracil

binding with A instead of G

• Adenine Hypoxantine

binding with C instead of T

• DNA repair: base excision repair

• Uracil-DNA-glycosidase ดงึ U ออกจาก DNA และใส ่C แทนท่ี reduce mutation

Deamination

http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/deamination.html

NH3

NH3

H2O

H2O

Depurination

• Loss of purine from DNA sequence

• Apurinic site

• Weak covalent bond

between sugar & purine

• Spontaneous or induced

mechanism

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Apurinic_Site.png

Tautomerization

• Keto form enol form (T,G)

• Amino form imino form (A, C)

• Changing base complementary during replication

• สภาวะปกติ: G (keto) จบักบั C (amino)

• Tautomerization:

G (enol) จบักบั T (keto)

C (imino) จบักบั A (amino)

Tautomeric shift



Induced mutation

• Resulting from the exposure with physical or chemical agent

• Agent “mutagen”

• Agent cause cancer “carcinogen”

Radiation

• Ionizing radiation

* X-ray, gamma ray, cosmid ray เคร่ืองก าเนิดรังสี * alpha, beta & gamma rays radio isotopes

* ท าให้เกิดอิออน, free radical: mutation & DNA and

chromosome damage

* อ านาจทะลทุะลวงสงู

http://serc.carleton.edu/details/images/38143.html

Radiation (II)

• Non-ionizing radiation

* UV light อ านาจทะลทุะลวงต ่า * Mutation > damage cell,

DNA and chromosome

* Thymine dimer (T=T)

อาจเกิด C=C, C=T, T=C ได้บ้าง


Chemical agents

• Alkylating agents

- nitrogen, sulfur mastard, methyl & ethyl

methane sulfonate (MMS & EMS)

- Adding methyl or ethyl group “alkylation”

- transition, transversion or frameshift mutations

- chromosome alteration

http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/alkylating.html

Chemical agents (II)

• Nitrous acid (HNO2) : “deamination”, transition mutation

(Russell PJ, 2010)

Chemical agents (III)

• Intercalating agents or acridine dyes

* Proflavin, acridine orange, ICR-170,

ICR-191

* Ethidium bromide

* แทรกระหวา่งโครงสร้าง DNA interfere DNA

replication

* Frameshift mutation

http://2008.igem.org/File:Ethidium2.jpg

Ethidium bromide

“Minor groove of dsDNA”

Chemical agents (IV)

• Base analogs

* 5-bromouracil

(analog with thymine)

* 2-amino purine

* transition mutation


Chemical agents (V)

• Hydroxylamine (NH2OH)

* Adding OH group to amino group of cytosine

* Hydroxylaminocytosine จบักบั Adenine

* Transition mutation GC to A=T only.

(Russell PJ, 2010)

Mutation results in 2 different ways

http://fposts.com/fbpost/429873190357625_635470786464530 http://www2.med.umich.edu/prmc/media/newsroom/details.cfm?ID=656

DNA repair

• Direct reversal repair of DNA damage

(การแก้ไขสูส่ภาพเดิมของ DNA ที่ถกูท าลายโดยตรง)

• Excision repair of DNA damage

(การตดัสว่นที่ถกูท าลายออกไปและสร้างสว่นที่ถกูต้องแทนที่)

รูปแบบความผดิปกตทิีพ่บได้บ่อย

• การแตกหกัของ DNA จากการโค้งหรือบิดงอ

• การเปลี่ยนแปลง pH ในเซลล์มีผลตอ่ purine base

• โครงสร้าง DNA เปลี่ยนไป

• การเปลี่ยนแปลงที่นิวคลีโอไทด์ เช่น thymine dimer ของ T ที่อยูต่ิดกนัในสาย DNA

Direct reversal repair of DNA damage

• Mismatch repair by proofreading activity

mutation frequency in bacterial gene:

10-7 – 10-11 errors/generation

• 3’-to-5’ exonuclease of DNA polymerase

• Backspacing to remove wrong nucleotide and resuming synthesis in the forward direction

http://www.uic.edu/classes/phar/phar331/lecture4/

Direct reversal repair of DNA damage (II)

• Photorectivation or light-dependent repair

- UV light thymine dimers

- Reparing thymine dimers (T=T) using visible light (320-370 nm)

- DNA Photolyase or photoreactivating enzyme

- Also repairing cytosine or cytosine-thymine dimers

- Eukaryotes : photolyase like enzyme

(defect xeroderma pigmentosum)

“Light repair”


Direct reversal repair of DNA damage (III)

• Removal of methyl groups: แก้ไข DNA ที่ถกูท าลายโดยการเติมหมู ่methyl ด้วย DNA methyltransferase

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9900/figure/A801/?report=objectonly

Excision repair of DNA damage

• เป็นกลไกที่พบได้มากท่ีสดุใน DNA ที่ถกูท าลายจากสาเหตุตา่งๆ

• “ตดัสว่นที่ถกูท าลายออกแล้วสร้างสว่นที่ถกูต้องเติมลงไป”

• Using many mechanisms and enzymes

• Base excision repair & nucleotide excision repair

Mechanism of excision repair

• Endonuclease recognizes, binds to and excises damaged base or bases in DNA

• Repair mechanism in excision gap by DNA polymerase using the undamaged complementary strand as template

• DNA ligase seals the break left by DNA polymerase complete repair process

“Dark repair”


SOS repair

• Response after exposing with high dose of DNA-damaging agents high DNA mutation

• Error-prone repair for cell survival

• Occurring during DNA replication

• การท างานของ DNA polymerase ในการสุม่เบสมาสร้างสายใหมใ่นบริเวณต าแหน่ง template ที่เกิด damage

• ควบคมุโดย sos genes regulon

References

• เอกสารประกอบการสอน MT4021 เทคโนโลยีชีวภาพ เร่ือง การกลายพนัธุ์และการซ่อมแซมการกลายพนัธุ์ คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลยัหวัเฉียวเฉลมิพระเกียรติ 2556.

• นวลทิพย์ กมลวารินทร์. กรดนิวคลีอิกและการท างานของยีน. ใน: เมตาบอลสิมและโภชนาการ.กรุงเทพฯ: ภาควิชาชีวเคมี คณะแพทยศาสตร์ จฬุาลงกรณ์มหาวิทยาลยั; 2541.

• Snustad DP, Simmons MJ. Mutation, DNA repair, and recombination. In: Principles of genetics. 5th ed. Asia: John Wiley & Sons; 2010.

• ตรีทิพย์ รัตนวรชยั. มวิเทชนัและกระบวนการซอ่มแซมดีเอ็นเอ. ใน: อณพูนัธุศาสตร์เบือ้งต้น มหศัจรรย์ของดีเอ็นเอ. พิมพ์ครัง้ท่ี 1. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์แห่งจฬุาลงกรณ์มหาวิทยาลยั; 2552

• Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP. Brock Biology of microorganism. 12ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2009.

• Russell PJ.DNA mutation, DNA repair and transposable elements. In: iGenetics a molecular approach. 3rd ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2010.

• ธีระชยั ธนานนัต์. การกลายและการซ่อมดีเอม็เอ. ใน พนัธุศาสตร์โมเลกลุ. พิมพ์ครัง้ท่ี 1. กรุงเทพฯ: แดเน็กซ์ อินเตอร์คอร์ปอเรชัน่; 2553.

Science

Mutation and DNA repair