Pós-Graduação em Genética

Mutagênese e Instabilidade Genética

Disciplina: Genética Humana Molecular Docente responsável: Profa. Dra. Ana Elizabete Silva Dra. Fernanda da Silva Manoel Caetano Pós-doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Genética

MUTAÇÃO Qualquer mudança na sequência de nucleotídeos

Células somáticas:

Mutação somática

Células germinativas:

Mutação herdável

Espontâneas: Ocorrência natural

 Erros na replicação: pareamento errôneo durante a síntese do DNA levando à substituição de bases - mudança tautomérica, transições, transversões, mudança de matriz de leitura, deleções e duplicações  Lesões espontâneas - desaminação; depurinação; dano oxidativo

Induzidas: Agentes mutagênicos

 Agentes físicos  Agentes químicos  Agentes biológicos

•

Mutações espontâneas

Erros na replicação do DNA: – Cada uma das bases no DNA pode se apresentar como tautômeros (isômeros que diferem nas posições e nas ligações entre seus átomos – forma

ceto

de cada base está normalmente presente no DNA

•

Mutações espontâneas

Erros na replicação do DNA: – Formas

imino

e

eno

l das bases são raras – Mudança tautomérica: pareamentos errados que resultam da mudança de um tautômero para outro

•

Mutações espontâneas

Erros na replicação do DNA: – Mutação por mudança tautomérica

Mutações espontâneas

•

Erros na replicação do DNA

Mutações espontâneas

•

Erros na replicação do DNA

Mutação frameshift

Mutações espontâneas

•

Erros na replicação do DNA

–

Deleções

e

duplicações

ocorrem geralmente em sequências repetidas – Grandes duplicações geram múltiplas cópias de genes – Grandes deleções removem genes do genoma

Mutações espontâneas

•

Lesões espontâneas

Interrupção da ligação glicosídica entre a base e o açúcar e perda de uma G ou A

•

Mutações espontâneas Lesões espontâneas

–

Dano oxidativo Transversão G



T

Mutações induzidas Agentes Mutagênicos

Agentes Mutagênicos

MUTÁGENOS FISICOS  Radiações ionizantes: raios X, radiações alfa, beta e gama Mutações cromossômicas (deleções e translocações)  Radiações não-ionizantes: luz UV Formação de dímeros de pirimidina

Agentes Mutagênicos

MUTÁGENOS QUÍMICOS  Ácido nitroso: desaminação de A e C Incorporação de bases errôneas durante a replicação 

Agentes intercalantes : acridina orange, brometo de etídio...

Intercalam entre 2 pb dando origem à inserções ou deleções de 1 pb  Análogos de base: 5-BU, 2-AP Substituição de bases provocando transições  Agentes alquilantes: EMS, NG Adição de grupos etil ou metil às bases

Agentes Mutagênicos

MUTÁGENOS BIOLÓGICOS  Vírus: HPV, Hep. B 

Transposons

Alteram as sequências do material genético do hospedeiro HPV HBV

Genes de controle do ciclo celular

AGENTES MUTAGÊNICOS CARCINÓGENOS

Divisão celular controlada Divisão celular descontrolada

CÂNCER

Sociedade moderna depende do uso extensivo de químicos

Indústria e agricultura

Novas substâncias químicas são produzidas a cada ano

Mutagenicidade e carcinogenicidade devem ser testadas

•

Teste de Ames para mutagenicidade

1970: Bruce Ames 

forte correlação entre a habilidade de compostos causar câncer e sua habilidade para causar mutações

– medida das taxas de mutação em sistemas bacterianos seria eficiente para avaliar a mutagenicidade de compostos – nem todos os carcinógenos sozinhos são mutagênicos, porém alguns metabólitos de carcinógenos produzidos no corpo por reações enzimáticas no fígado são agentes mutagênicos: tais reações enzimáticas não aconteceriam em bactérias

Teste de Ames para mutagenicidade

• • método rápido, sensível e barato utilizado para identificar químicos que possam ser carcinogênicos http://mbioscience.com/ames-test.html

Fontes de danos no DNA

Falhas em algumas destas vias

INSTABILIDADE GENÔMICA

Sancar et al., 2004

LESÕES NO DNA E MECANISMOS DE REPARO

Reparo por Excisão de Base – Base Excision Repair (BER)

• • Depois da leitura de prova (DNA

proofreading) pela DNA polimerase, é o

mecanismo de reparo mais importante para a remoção de bases danificadas ou incorretas.

Sistema de reparo que depende complementariedade da fita molde.

da

Base Excision Repair (BER)

http://www.nature.com/emm/journal/v46/n7/fig_tab/emm201442f3.html

Reparo por Excisão de Nucleotídeo – Nucleotide Excision Repair

(NER)

• • • Principal sistema de reparo para a remoção de lesões volumosas no DNA formadas pela exposição à radiação ou químicos

Reparo por excisão de nucleotídeo acoplado à transcrição (TC-NER):

repara regiões transcritas de DNA e é ativado por complexos de transcrição paralisados

Reparo genômico global (GGR):

corrige lesões em qualquer lugar do genoma e é ativado por forquilhas de replicação paralisadas

Nucleotide Excision Repair (NER)

Reparo de mal pareamento – Mismatch repair )MMR)

• • • Principal via que corrige erros remanescentes da replicação Reduz a taxa de erro para durante a replicação  1 0 -9 : reconhece e repara bases mal pareadas e pequenos loops causados por inserção e deleção de nucleotídeos 3 passos: – – reconhecimento dos pares de base mal pareados determinação de qual base do par está errada – excisão da base incorreta e síntese de nova base

E. coli

http://gizmodo.com/dna-repair-earned-the-nobel-prize-in-chemistry-and-her-1735347676

Junção de extremidades não-homólogas –

Nonhomologous end joining (NHEJ)

• • Sistema de reparo propenso a erro Ativado quando fitas não danificadas ou cromátides irmãs não estão presentes Gent and Burg, 2007

Recombinação homóloga – Homologous Recombination (HR)

  Mecanismo livre de erro Ativado quando DSBs ocorrem após a replicação de uma região cromossômica de uma célula em divisão http://mpmp.huji.ac.il/maps/dsbRecomb.html

DOENÇAS HUMANAS HEREDITÁRIAS COM DEFEITOS NO REPARO DO DNA Xeroderma Pigmentoso Síndrome de Cockaine Tricotiodistrofia Anemia de Fanconi Ataxia telangiectasia Síndrome de Bloom



defeitos nos mecanismos de reparo e replicação do DNA



freqüência



aberrações cromossômicas



incidência



câncer

XERODERMA PIGMENTOSUM (XP)

• • • indivíduos extremamente sensíveis à luz do sol risco elevado de desenvolver câncer de pele deficiência de reparo de dano no DNA induzido • por UV (dímeros de T) -

NER

resulta de defeitos de qualquer um de 8 genes diferentes • (XPA, XPB, XPC, XPD XPE, XPF, XPG e XPV) ~30% dos indivíduos XP desenvolvem anormalidades neurológicas progressivas

SÍNDROME DE COCKAYNE (CS)

• • defeitos nos genes CSA e CSB (

TCR-NER

) indivíduos com CS exibem sensibilidade à luz UV (sem risco para câncer de pele), retardo do crescimento e das habilidades mentais e envelhecimento precoce

TRICOTIODISTROFIA

• • defeitos nos genes TTDA, XPB, XPD (

TCR-NER

) indivíduos exibem baixa estatura, cabelos frágeis e pele escamosa, sensibilidade à luz UV, distúrbios neurológicos e retardo mental

ANEMIA DE FANCONI (FA)

• • • • • • • células dos indivíduos com FA exibem defeitos na remoção de ligações cruzadas inter-cadeia no DNA (inter-stand cross-links) formadas pelo antibiótico mitomicina C, por ex.

envolve 8 genes (FANCA-FANCH) em 5 cromossomos diferentes início dos sintomas: 5-10 anos mais frequente em homens (2:1) baixa estatura hiperpigmentação da pele (manchas “café com leite” ausência do polegar ou do rádio, hipogonadismo, distúrbios renais, anomalias oculares, microcefalia, deficiência mental

ATAXIA TELANGECTASIA (AT)

• • • • células de pacientes com AT exibem sensibilidade anormal à radiação ionizante ataxia cerebelar (12-14 meses); disfunção neuromotora telangiectasia olhos e pele (3 e 5 anos) retardo de crescimento (70%) • • • • incidência  neoplasias (linfoma e leucemia linfóide) e imunodeficiências incidência: 1/40.000

risco  câncer de mama (heterozigotos AT) células AT: rearranjos espontâneos dos cromossomos 7 e 14

ATAXIA TELANGECTASIA (AT)

• mutações no gene ATM (11q22-23) http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n3/fig_tab/nrg0301_196a_F2.html

SÍNDROME DE BLOOM (SB)

•  peso ao nascimento • retardo de crescimento pré e pós-natal • telangiectasias e fotossensibilidade (borboleta) • cabeça alongada, microcefalia, inteligência normal • imunodeficiência: infecções (respiratórias e gastrointestinais)

SÍNDROME DE BLOOM (SB)

• Incidência: 1/58.000 judeus (Ashkenazi) • Cromossomos em figuras quadrirradiais • mutações no gene BLM (15q26.1) • DNA helicase ( RecQ) papel na replicação e reparo do DNA Risco maior de câncer: carcinomas, Leucemias e linfomas

Por quê indivíduos com algumas destas doenças hereditárias com defeitos no reparo do DNA apresentam risco elevado de desenvolver alguns tipos de câncer

Instabilidade Genética – uma característica evolutiva do câncer

•

Formas de instabilidade genética em câncer

– instabilidade cromossômica (aberrações numéricas e estruturais) – instabilidade de microssatélite (expansão ou contração de repetições de oligonucleotídeos em sequências de microssatélite) – frequência aumentada de mutações de pares de base

Formas de instabilidade genética em cânceres hereditários

Mutações em genes de reparo do DNA

Fornece suporte para a “hipótese do mutador” A instabilidade genética está presente em lesões pré-cancerosas e direciona o desenvolvimento do tumor Por aumentar a taxa de mutação espontânea

Instabilidade genética em leões pré cancerosas Mutações em genes “guardiões” (caretaker genes)

Genes que funcionam primariamente para manter a estabilidade genômica (

TP53, ATM

)

TP53 e ATM - Resposta aos danos no DNA http://clincancerres.aacrjournals.org/content/14/13/4032/F1.expansion.html

CÂNCERES HEREDITÁRIOS  Mutações na linhagem germinativa tendo como alvo genes de reparo estão presentes em todas células do corpo do paciente  Um único evento (perda do alelo selvagem remanescente) levaria à instabilidade genômica e direcionaria o desenvolvimento do tumor (hipótese do mutador)

http://sphweb.bumc.bu.edu/otlt/MPH-Modules/PH/PH709_Cancer/PH709_Cancer4.html

DNA DAMAGE RESPONSE - DDR

• • DDR pode sofrer regulação pós-transcricional por miRNAs miRNAs podem reduzir direta ou indiretamente a expressão de genes de resposta aos danos no DNA

Biogênese de miRNA

Liu and Lu, 2012

miRNAs na DDR

• • Defeitos na DDR e repressão global de miRNA são atualmente consideradas características de muitos tipos de câncer humano Várias proteínas cruciais da via DDR são reguladas por miRNAs • miRNA regulados pela DDR e miRNAs que regulam os genes da DDR estão envolvidos na iniciação e progressão da tumorigênese • podem fornecer uma nova visão para a sensibilidade ou resistência das células cancerosas às drogas genotóxicas e possivelmente levar ao desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas Han et al., 2012

2015 Nobel Prize in Chemistry for Understanding DNA Repair Tomas Lindahl

Francis Crick Institute and Clare Hall Laboratory, Hertfordshire, UK

(via BER) Paul Modrich

Howard Hughes Medical Institute and Duke University School of Medicine, Durham, NC, USA

(via MMR) Aziz Sancar

University of North Carolina, Chapel Hill, NC, USA (

via NER

)

“for mechanistic studies of DNA repair"