Transcript DNA mutation and repair mechanism

Gene mutation
อ.ดร. นพมาศ โลกคาลือ
สาขาพันธุศาสตร์
สายวิชาวิทยาศาสตร์
คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์
What is mutation?

A mutation is a change in the genetic material
that controls heredity.

What is genetic materials?

What relationship is the genetic material and
chromosome?
Genetic material and
chromosome
homologous
Mutation

Results from unrepaired damage to DNA

Mutation = Damage - repair
Facts of mutation

Mutation are stably inherited changes in the
nucleotide sequence of the genome

A change in nucleotide sequence due to, for
example, damage to DNA is not a mutation
unless it caused changes in DNAs that result
from replication of the damage DNA.
Mutation or polymorphism

DNA sequence variations are sometimes
described as mutations and sometimes as
polymorphisms.

What is the difference between these terms
and how are they applied to the human
genome?
Polymorphism
DNA sequence variation that is common in the
population
 NO standard sequence but two or more
equally acceptable alternatives
 The arbitrary cut-off point between a mutation
and a polymorphism is 1 %
 That is, to be classed as a polymorphism, the
least common allele must have a frequency is
lower that this, the allele is regarded as a
mutation.

ชนิดของ mutation
 การแบ่งแยกตามขนาดที่เกิดขึ้น
◦ Point mutation (gene mutation)
◦ Chromosome mutation
 แหล่งกาเนิด
◦ Spontaneous mutation
◦ Induced mutation
 ผลกระทบ
◦ Missense mutation
◦ Nonsense
◦ Frame shift mutation
◦ Lethal mutation
DNA mutation
(การกลายพันธุใ์ นระดับโมเลกุลดีเอ็นเอ)
Gene mutation
การเปลี่ยนแปลงของสารพันธุกรรม (ดีเอ็นเอ) ที่ทาให้รูปแบบของยีน
จากแอลลีล (allele) แบบหนึ่งกลายไปเป็ นอีกแบบหนึ่ง และการ
เปลี่ยนแปลงดังกล่าวถ้าไม่ได้รบั การซ่อมแซม สามารถถ่ายทอดจาก
รุน่ พ่อแม่ ไปยังรุน่ ลูกได้
ระดับของผลที่เกิดจากการกลายพันธุใ์ นระดับโมเลกุลดีเอ็นเอ
- ส่งเสริมการดารงชีวิตของสิ่งมีชีวิตดังกล่าวให้ดีกว่าเดิม ปรับตัวเข้า
กับสภาพแวดล้อมได้ดีข้ ึน
- ไม่มีผลต่อสิ่งมีชีวิตนั้นๆ
- เกิดผลเสียต่อสิ่งมีชีวิตเพราะเกิดลักษณะที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การ
เกิดโรคทางพันธุกรรมในคน
English peppered moths
คาถาม
วิวฒ
ั นาการของสิ่งมีชีวิตขึ้นอยูก่ บั mutation หรือไม่
 Mutation ส่วนใหญ่ส่งผลเสียต่อสิ่งมีชีวิตใช่หรือไม่
 มี mutation ที่ส่งผลประโยชน์ตอ
่ สิ่งมีชีวิตหรือไม่

คาตอบ
Mutation เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตตามปกติ
 Mutation ส่วนใหญ่จะไม่ส่งผลเสียต่อสิ่งมีชีวิต
 Mutation จะส่งผลเสียหรือผลประโยชน์ให้กบ
ั สิ่งมีชีวิตขึ้นอยูก่ บั
สภาพแวดล้อม

ความสาคัญของ mutation

Mutation เป็ นแหล่งสร้างวัตถุดิบให้กบั การเกิดวิวฒ
ั นาการ
◦ ไม่มี mutation ไม่มียนี ใหม่ ไม่มีแอลลีลใหม่

Mutation = เป็ นการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรมที่ถ่ายทอดไปสู่ชั ่วรุ่น
หน้า
ผลที่ตามมาเมื่อเกิด mutation

เปลี่ยนแปลงลาดับกรดอะมิโนของโปรตีนที่ได้จากการถอดรหัส
(translation) จากยีน
 แล้วมันเกิดขึ้นได้อย่างไร ?
How does this happen?

การเรียงกันของลาดับนิวคลีโอไทด์ในยีนทาหน้าที่กาหนดลาดับของ
กรดอะมิโนซึ่งเรียงประกอบกันเป็ นโปรตีน
 ชนิดของกรดอะมิโนกาหนดด้วยรหัสพันธุกรรม ซึ่งเป็ นลาดับนิ วคลีโอไทด์
ทีละ 3 โมเลกุล ที่เรียกว่าโคดอน (codon)
 ตัวอย่างเช่น ยีนหนึ่งประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ตา่ งๆ เรียงกันดังนี้
thesunwashotbuttheoldmandidnotgethishat
รหัสพันธุกรรม

ถ้าแยกนิวคลีโอไทด์ออกเป็ นรหัสพันธุกรรมทีละ 3 นิวคลีโอไทด์หรือ
เป็ นโคดอน เราจะได้กรดอะมิโนมีใจความเป็ น
The sun was hot but the old man did not get his hat

ถ้าเริ่มต้นมีการอ่านผิด จะเกิดการเลื่อนกรอบการอ่านทาไม่มีใจความ
ดังเดิม
T hes unw ash otb utt heo ldm and idn otg eth ish at หรือ
Th esu nwa sho tbu tth eol dma ndi dno tge thi sha t
Gene mutation
- การเปลี่ยนแปลงของลาดับนิวคลีโอไทด์ภายในยีนหนึ่งๆ แบ่งออกเป็ น base
substitution คือการแทนที่เบส และการเพิ่ม (duplication) หรือขาด
หายไป (deletion) ของเบส เพียง 1 คู่เบส หรือมากกว่า
- point mutation การเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเอ เพียง 1 คู่เบส
- base substitution แบ่งออกเป็ น 2 แบบ
1. transition คือการแทนที่เบสในกลุม่ pyrimidine ชนิดหนึ่งด้วยด้วยเบส
ในกลุม่ pyrimidine ชนิดอื่น เช่น เกิดการแทนที่เบส C ด้วย T หรือการแทนที่
เบสในกลุม่ purine ชนิดหนึ่งด้วยด้วยเบสในกลุม่ purine ชนิดอื่น เช่น เกิดการ
แทนที่เบส A ด้วย G
2. transversion คือการแทนที่เบสในกลุม่ pyrimidine ด้วยเบสกลุม่
purine หรือการแทนที่เบสในกลุม่ purine ด้วยเบสกลุม่ pyrimidine
เช่น เกิดการแทนที่เบส T ด้วย G
base substitution
deletion / addition
ผลของการเกิด point mutation





Silent mutation  neutral mutation  เกิดกรดอะมิโนตัวเดิม
Missense mutation  neutral mutation  เกิด
กรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติทางเคมี คล้ายกับกรดอะมิโนตัวเดิม 
glutamic acid แทนที่ aspartic acid
Missense mutation  เกิดกรดอะมิโนที่มีคุณสมบัตทิ างเคมี
ต่ างกับกรดอะมิโนตัวเดิม
Nonsense mutation
Frameshift mutation
โรคโลหิตจางจากเม็ดเลือดแดงรู ปเคียว
(sickle-cell anemia)
Mutations

Germ-line mutation
◦ sperm and egg  gamete cells
◦ precursor cell ที่จะสร้างเซลล์สืบพันธุ ์
หากเกิดการกลายพันธุใ์ นเซลล์สืบพันธุ ์ เมื่อเกิดการผสมพันธุ ์ (fertilization)
จะทาให้ทุกเซลล์ของลูกนั้นมีการกลายพันธุ ์ เมื่อมีการสร้างเซลล์สืบพันธุ ์ การกลาย
พันธุด์ งั กล่าวก็จะถ่ายทอดไปยัง ลูก หลานได้

Somatic mutation
◦
◦
◦
◦
early or late stages of embryonic development
single embryonic cell
timing of mutation
genetic mosaic
Somatic mutation
การเกิดการกลายพันธุ ์

การกลายพันธุท์ ี่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (spontaneous
mutation)
◦ เป็ นผลมาจากรังสี สารเคมี อุณหภูมิที่มีอยูต่ ามธรรมชาติ
◦ ความผิดพลาดในกระบวนการจาลองดีเอ็นเอ เป็ นสาเหตุให้เกิด
point mutation
◦ ผลผลิตจากขบวนการ metabolism ของสิ่งมีชีวิตซึ่งเป็ นพิษ
ส่งผลต่อโครงสร้างของดีเอ็นเอ เช่น active oxygen
species ได้แก่ superoxide radicals (O2˙),
hydrogen peroxide radicals (OH ˙) ซึ่งเป็ น by
products ของขบวนการ aerobic mechanism
การเกิดการกลายพันธุ ์ (ต่อ)
 การกลายพันธุท
์ ี่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (spontaneous
mutation)
◦ Transposable elements สามารถไปแทรกบริเวณยีนอื่นๆ
ได้ ส่งผลให้ยนี ดังกล่าวทางานผิดปกติ
◦ เกิดจากการ crossing over ที่ผิดปกติ เป็ นสาเหตุให้เกิด deletions,
duplications, translocations และ inversions
◦ เกิดจาก segregation ที่ผิดปกติ เป็ นสาเหตุให้เกิด aneuploidy หรือ
euploidy
Translocation,
duplication
and deletion
Aneuploidy,
euploidy
การเกิดการกลายพันธุ ์ (ต่อ)
 การกลายพันธุท
์ ี่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (spontaneous
mutation)
◦ Dupurination การทาลายพันธะระหว่างเบสในกลุ่ม purine
และ deoxyribose
◦ Deamination การสูญเสียหมู่อะมิโนของเบส ทาให้เกิดการ
เปลี่ยนคุณสมบัตขิ องเบสจากตัวเดิมเป็ นตัวใหม่ เช่น เปลี่ยนจาก
cytocine เป็ น uracil
◦ Tautomeric shifts การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเบส คือการ
เปลี่ยนแปลงตาแหน่ง H-atom ของเบส เกิดการเปลี่ยนแปลง
โครงสร้างจาก keto form เป็ น enol form หรือเปลี่ยนจาก
amino form เป็ น imino form ก่อนที่จะเกิดการจาลองตัวดี
เอ็นเอ
Spontaneous depurination
ปกติมีการเกิด
depurination
ประมาณ 10,000 purines
ทีอ่ ุณหภูมิ 37 ºC เป็ นเวลา 20
ชั่วโมง
และจะเพิม่ ขึน้ เมือ่ โดนสารเคมี
เช่ น สารในกลุ่ม alkyl
(methyl หรือ ethyl)
ซึ่งจะเปลีย่ นชนิดของเบส
Spontaneous deamination of cytosine
and 5-methylcytocine
hot spots for mutation
Tuatomeric shifts
Tuatumeric shifts และการจาลองดีเอ็นเอเป็ น
สาเหตุให้เกิดการกลายพันธุ ์
การเกิดการกลายพันธุ ์
 การกลายพันธุท
์ ี่เกิดจากการชักนา (induced mutation)
◦ เกิดจากสิ่งก่อกลายพันธุ ์ (mutagen)
◦ mutagen แบ่งออกเป็ น 2 แบบ
 สิ่งก่อกลายพันทางกายภาพ (physical mutagen) เช่น แสง UV, รังสี
เอ็กซ์ อุณหภูมิ
 สิ่งก่อกลายพันธุท์ างเคมี (chemical mutagen) เช่น สารเคมีที่มี
โครงสร้างคล้ายเบส, สารเคมีที่ทาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเบส
และสารเคมีที่ทาให้เกิดการเพิ่มหรือขาดหายไปของนิวคลีโอไทด์
Physical mutagen
 อุณหภูมิ:
ทดลองเลี้ยงแมลงหวี่ในอุณหภูมิตา่ งๆ พบว่าเกิดยีน
ด้อยที่ทาให้เกิดการตายบนโครโมโซม X ในอัตราที่แตกต่างกัน
 รังสี
◦ รังสีที่ไม่ก่อให้เกิดไอออน (non-ionizing radiation): เช่น
รังสี UV ทาให้เกิด pyrimidine dimer คือเบสในกลุ่ม
pyrimidine จะจับกันเองด้วยพันธะไฮโดรเจน เช่น
thymine dimer
Thymine dimer
สาเหตุเกิดจากรังสี UV
Physical mutagen (ต่อ)
 รังสี
◦ รังสีที่ก่อให้เกิดไอออน (ionizing radiation): เช่น รังสี X,
γ,α,β, electron, neutron, protron และอนุภาคอื่นๆ ที่
มีการเคลื่อนที่เร็ว
 ก่อให้เกิดไอออนที่มีประจุบวกและลบ เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมี ทาให้เกิดประจุเป็ น
กลาง ส่งผลให้โครโมโซมเกิดการแตกหักในส่วนของน้ าตาลและหมู่ฟอสเฟตของ
สาย DNA (nick) และการหายไปของเบส แล้วเกิดการเปลี่ยนแปลง
โครงสร้างของโครโมโซม
Chemical mutagen

Nitrous acid (HNO2): เกิดการดึงหมู่อะมิโนออกจากเบส ทาให้
เกิดเป็ นหมู่คีโต (keto group) กระบวนการนี้เรียกว่า
deamination
 deaminates base
◦ การเปลี่ยนเบส cytocine
เป็ น uracil
◦ การเปลี่ยนเบส adenine
เป็ น hypoxanthine
Chemical mutagen (ต่อ)
Nitrogen mustard และ ethyl methanesulfonate
(EMS): เกิดการเติมหมู่ alkyl ได้แก่ methyl หรือ ethyl
ให้แก่เบส ส่งผลให้เกิดการจับระหว่างเบสไม่เหมาะสม 
alkylating agent
 Acridine dye เช่น proflavin: ก่อให้เกิด frameshift
mutation  intercalates within DNA helix


Compounds เช่น 5-bromouracil (5BU) และ 2-aminopurine:
5BU คล้ายเบส T แต่จบั ได้ท้งั เบส A และ G ส่วน 2-aminopurine คล้ายเบส
A แต่จบั ได้ท้งั เบส T และ C เมื่อเกิด DNA replication ทาให้เกิด
transition  base analogue
Chemical mutagen
I. DNA damage from environmental agents
Modifying nucleotide bases
 When the DNA strands are separated and
copied. The altered base will pair with an
incorrect base and cause mutation.
 Breaking the phosphate backbone
(phosphodiester bond)

Breaking the phosphate backbone
- Breaking the phosphate
backbone of DNA within a
gene crates a mutated
form of the gene
- It is possible that the
mutated gene will
produce a protein that
functions differently
- Cells with broken DNA
will attempt to fix the
broken ends by joining
these free ends to
other pieces of DNA
within the cell
- This creates a type of
mutation called
“translocation”. If a
translocation breakpoint
occurs within or near a
gene that genes function
may be affected
II. Mistakes created during DNA
replication

Mutations results when the DNA polymerase
makes a mistake. Which happens about once
every 100,000 bases.
E. coli
 DNA polymerase I and III
involved in normal DNA
replication
 DNA polymerase II, IV and V play
a role in DNA repair and the
replication of damaged DNA
 DNA polymerase III contains a 3’
exonuclease site that remove
mismatched bases.
Unusual features of DNA
polymerase function
The synthesis of DNA at the
replication fork
Okazaki fragment (100
to 200 nucleotide)
 to complete the
synthesis of Okazaki
fragments
 removal of RNA
primers
 synthesis of DNA
in the area where
the primers have
been removed
 the covalent
attachment of
adjacent fragments
of DNA
 DNA polymerase I
has a 5’ to 3’
exonuclease activity
 DNA ligase catalyzes
a covalent bond
A three-dimensional view of DNA
replication
Primosome = helicase + primase
Replisome = primosome + two DNA polymerase III
 The term dimeric DNA polymerase is two DNA polymerase
holoenzymes that move as a unit toward the replication fork.
 the lagging strands is looped out.
The proofreading function of
DNA polymerase
 fidelity: DNA polymerase III is so high
because the hydrogen bonding between G
and C or A and T is much more stable than
between mismatched paris. (one mistake
per 10,000 nucleotides)
 proof reading function of DNA
polymerase III decrease the error rate to a
range of 1 in 100,000 to 1 million.
 proof reading occurs by the removal of
nucleotides in the 3’ to 5’ direction at the 3’
exonuclease site (one mistake per 100
million)
The polymerase slippage model
Mutation and the next generation
There are two places where mutation can be
introduced and carried into the next
generation.
 A mutation occurs in the developing germ line
cell, it may persist until that individual
reaches reproductive age.
 A mutation being passed on from parents
during meiosis.

Mutation and the next generation

Mutations also provide a species with the
opportunity to adapt to new environments, as
well as to protect a species from new
pathogens.
◦ “survival of the fittest”, the basic theory of evolution
proposed by Charles Darwin in 1859.
◦ Viral genes have high mutation to serve the virus
well by enabling adaptive traits, such as changes in
the outer protein coat so that it can escape detection
and thereby destruction by the host’s immune
system. Viruses also produce infection for infection
of a host cell. A mutation within such as enzyme may
result in a new form that still allows the virus to
infect its host but that is no longer blocked by an
anti-viral drug. this will allow the virus to propagate
freely in its environment.