Mutações são alterações permanentes da sequência nucleotídica de um determinado organismo. Elas podem surgir devido a erros de replicação de DNA ou mutagênios externos. O efeito de uma mutação pode ser benéfico ou deletério para a célula. No entanto, as células passam por vários tipos de mecanismos para evitar mutações. A DNA polimerase, que é a enzima envolvida na replicação do DNA, está equipada com vários mecanismos para prevenir erros durante a replicação do DNA. Durante a replicação do ADN, as bases defeituosas são substituídas por revisões. Imediatamente após a replicação do ADN, as bases danificadas restantes são substituídas por uma reparação de desfasamentos de fios. Além disso, as mutações causadas por fatores externos são reparadas por vários mecanismos, como reparo de excisão, reversão química e reparo de dupla quebra de fio. Se os danos forem reversíveis, a célula é sujeita a apoptose para evitar a passagem do DNA defeituoso para os descendentes.

Áreas Chave Cobertas

1. O que é uma Mutação
– Definição, Tipos, Causas
2 Como o DNA Polimerase Previne Mutações
– Revisão, Reparação de Incompatibilidade Direcionada por Estresse

Termos Chave: DNA Polimerase, Reparação de Incompatibilidade Direcionada por Cordas, Proteínas Mútuas, Mutação, Revisão de Prova

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O que é uma Mutação

Uma mutação refere-se a uma mudança permanente e hereditária na sequência nucleotídica do genoma. As mutações podem surgir devido a erros de replicação de DNA ou a fatores externos conhecidos como mutagênios. As três formas de mutações são mutações pontuais, mutações frameshift e mutações cromossômicas.

Mutações de pontos

Mutações de pontos são substituições de nucleotídeos simples. Os três tipos de mutações pontuais são: missense, nonsense, e silent mutations. A mutação de missense altera um único códon do gene, alterando o aminoácido na cadeia de polipeptídeos. Embora as mutações sem sentido alterem a sequência do códon, elas não alteram a sequência do aminoácido. Mutações silenciosas alteram um único códon para outro códon que representa o mesmo aminoácido. As mutações pontuais são causadas por erros na replicação do DNA e por mutagênios. Diferentes tipos de mutações pontuais são mostradas na figura 1.

Frameshift Mutações

Mutações Frameshift são inserções ou deleções de um ou vários nucleotídeos do genoma. Inserções, exclusões e duplicações são os três tipos de mutações frameshift. As inserções são a adição de um ou vários nucleotídeos à sequência, enquanto as deleções são a remoção de vários nucleotídeos da sequência. As duplicações são a repetição de vários nucleotídeos. Mutações Frameshift também são causadas por erros na replicação do DNA e por mutagênios.

Mutações cromossômicas

Mutações cromossômicas são alterações de segmentos de cromossomos. Os tipos de mutações cromossômicas são translocações, duplicações de genes, deleções intra cromossômicas, inversões e perda de heterozigosidade. Translocações são as trocas de partes de cromossomos entre cromossomos não-homólogos. Na duplicação gênica, podem aparecer múltiplas cópias de um determinado alelo, aumentando a dosagem gênica. As remoções de segmentos de cromossomos são conhecidas como deleções intra-cromossômicas. Inversões alteram a orientação de um segmento cromossômico. A heterozigosidade de um gene pode ser perdida devido à perda de um alelo em um cromossomo por deleção ou recombinação genética. Mutações cromossômicas são causadas principalmente por mutagênios externos e devido a danos mecânicos ao DNA.

Como a DNA Polimerase Previne Mutações

DNA polimerase é a enzima responsável pela adição de bases nucleotídicas ao cordão de crescimento durante a replicação do DNA. Como a sequência nucleotídica de um genoma determina o desenvolvimento e o funcionamento de um determinado organismo, é vital sintetizar a réplica exata do genoma existente durante a replicação do DNA. Geralmente, a DNA polimerase mantém uma alta fidelidade durante a replicação do DNA, incorporando apenas um único nucleotídeo não compatível por 109 nucleotídeos adicionados. Portanto, se ocorrer um desajuste entre as bases nitrogenadas além dos pares de bases complementares padrão, a DNA polimerase adiciona esse nucleotídeo à cadeia de crescimento, produzindo uma mutação freqüente. Os erros de replicação de DNA são corrigidos por dois mecanismos conhecidos como revisão e reparo de desfasamento de fios.

Revisão

Revisão refere-se a um mecanismo inicial de correção dos pares de bases defeituosas da cadeia de DNA em crescimento, e é realizado pela DNA polimerase. A DNA polimerase efectua a revisão em duas etapas. A primeira revisão ocorre pouco antes da adição de um novo nucleotídeo à cadeia de crescimento. A afinidade dos nucleotídeos corretos para a DNA polimerase é muitas vezes maior do que a dos nucleotídeos incorretos. No entanto, a enzima deve sofrer uma alteração conformacional logo após a entrada do nucleotídeo se ligar ao modelo através de ligações de hidrogênio, mas, antes da ligação do nucleotídeo à cadeia de crescimento pela ação da DNA polimerase. Os nucleotídeos emparelhados com bases incorretas são propensos a se dissociar do molde durante a mudança conformacional da DNA polimerase. Assim, a etapa permite que a DNA polimerase “verifique novamente” o nucleotídeo antes de adicioná-lo permanentemente ao cordão em crescimento. O mecanismo de revisão da DNA polimerase é mostrado na figura 2.

A segunda etapa de revisão é conhecida como revisão exonucleolítica. Ocorre imediatamente após a incorporação de um nucleotídeo não compatível com o filamento em crescimento em um raro caso. A DNA polimerase é incapaz de adicionar o segundo nucleotídeo ao lado do nucleotídeo desencontrado. Um site catalítico separado da DNA polimerase, conhecido como 3′ a 5′, a exonuclease proofreading digere os nucleotídeos defeituosos da cadeia de crescimento.

Strand-Directed Mismatch Repair

Despite proofreading mechanisms, DNA polimerase ainda pode incorporar nucleotídeos incorretos ao cordão de crescimento durante a replicação do DNA. Os erros de replicação que escaparam da revisão são removidos pela reparação de desfasamentos de cordas direcionadas. Este sistema detecta o potencial de distorção na hélice de ADN que se deve a pares de bases desajustados. Entretanto, o sistema de reparo deve identificar a base incorreta a partir da base existente antes de substituir o descasamento. Geralmente, a E. coli depende do sistema de metilação de DNA para reconhecer a antiga cadeia de DNA na dupla hélice, já que a cadeia de DNA recém-sintetizada pode não ser submetida à metilação de DNA em breve. Na E. coli, o resíduo A do GATC é metilado. A fidelidade da replicação de DNA é aumentada por um fator adicional de 102, devido à ação do sistema de reparo de desfasamento de fios. As vias de reparação de DNA não compatível em eucariotas, bactérias e E. coli são mostradas na figura 3.

Na reparação de DNA não compatível dirigida por fios, três proteínas complexas se movem através do fio de DNA recém-sintetizado. A primeira proteína conhecida como MutS detecta e se liga às distorções na dupla hélice do DNA. A segunda proteína conhecida como MutL detecta e se liga ao MutS, atraindo a terceira proteína conhecida como MutH que distingue a fibra não sintetizada ou a fibra recém-sintetizada. Após a ligação, o MutH corta a cadeia de ADN não metilada imediatamente a montante do resíduo G na sequência GATC. Uma exonuclease é responsável pela degradação do cordão a jusante até o desajuste. No entanto, este sistema degrada regiões com menos de 10 nucleotídeos que são prontamente re-sintetizados pela DNA polimerase 1. As proteínas Mut de eucariotas são homólogas às de E. coli.

Conclusão

Mutações são alterações permanentes da sequência nucleotídica do genoma que podem surgir devido a erros na replicação do DNA ou devido ao efeito de mutagênios externos. Os erros de replicação de DNA podem ser corrigidos por dois mecanismos conhecidos como proofreading e strand-directed mismatch repair. A revisão é feita pela própria DNA polimerase durante a síntese do DNA. A reparação de desfasamentos entre fios é realizada pelas proteínas Mut logo após a replicação do ADN. No entanto, estes mecanismos de reparação estão envolvidos na manutenção da integridade do genoma.

Referência:

1. Alberts, Bruce. “Mecanismos de Replicação de DNA.” Biologia Molecular da Célula. 4ª edição., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Disponível aqui.
2. Brown, Terence A. “Mutação, Reparação e Recombinação.” Genomas. 2ª edição, U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Disponível aqui.

Image Courtesy:

1. “Different Types of Mutations” By Jonsta247 – Este arquivo foi derivado de:Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. “DNA polimerase” By I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. “DNA mismatch repair” By Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia