Mutações são mudanças permanentes na sequência de nucleotídeos de um organismo específico. Eles podem surgir devido a erros de replicação do DNA ou mutagênicos externos. O efeito de uma mutação pode ser benéfico ou deletério para a célula. No entanto, as células sofrem vários tipos de mecanismos para prevenir 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 DNA, as bases pareadas são substituídas por revisão. Imediatamente após a replicação do DNA, as bases pareadas restantes são substituídas por reparo de incompatibilidade dirigido por fio. Além disso, as mutações causadas por fatores externos são reparadas por vários mecanismos, como reparo por excisão, reversão química e reparo de quebra de fita dupla. Se o dano for reversível, a célula é submetida à apoptose para evitar a passagem do DNA defeituoso para a prole.

Principais áreas cobertas

1. O que é uma mutação - Definição, Tipos, Causas 2. Como a DNA polimerase previne mutações - Revisão, Reparo de incompatibilidade direcionada por fios

Termos-chave: DNA polimerase, reparo de incompatibilidade direcionada por cadeia, proteínas Mut, mutação, revisão

O que é uma mutação

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

Mutações pontuais

As mutações pontuais são substituições de um único nucleotídeo. Os três tipos de mutações pontuais são mutações sem sentido, sem sentido e silenciosas. Mutação Missense altera um único códon do gene, alterando o aminoácido na cadeia polipeptídica. No entanto mutações sem sentido alteram a sequência do códon, eles não alteram a sequência de aminoácidos. Mutações silenciosas alterar um único códon para outro códon que representa o mesmo aminoácido. As mutações pontuais são causadas por erros na replicação do DNA e por mutágenos. Diferentes tipos de mutações pontuais são mostrados na figura 1.

Figura 1: Mutações pontuais

Mutações Frameshift

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

Mutações Cromossômicas

Mutações cromossômicas são alterações de segmentos de cromossomos. Os tipos de mutações cromossômicas são translocações, duplicações de genes, deleções intracromossômicas, inversões e perda de heterozigosidade. Translocações são as trocas de partes de cromossomos entre cromossomos não homólogos. Na duplicação do gene, várias cópias de um alelo específico podem aparecer, aumentando a dosagem do gene. As remoções de segmentos de cromossomos são conhecidas como deleções intracromossômicas. As inversões mudam 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 mutágenos externos e devido a danos mecânicos ao DNA.

Como a DNA polimerase previne mutações

A DNA polimerase é a enzima responsável pela adição de bases de nucleotídeos à fita em crescimento durante a replicação do DNA. Uma vez que a sequência de nucleotídeos 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 alta fidelidade durante a replicação do DNA, incorporando apenas um único nucleotídeo incompatível por 10⁹ nucleotídeos adicionados. Portanto, se ocorrer um pareamento incorreto entre as bases nitrogenadas, além dos pares de bases complementares padrão, a DNA polimerase adiciona esse nucleotídeo à cadeia crescente, produzindo uma mutação frequente. Os erros de replicação do DNA são corrigidos por dois mecanismos conhecidos como revisão e reparo de incompatibilidade dirigido por fita.

Revisão

A revisão refere-se a um mecanismo inicial de correção dos pares de bases incorretos da fita de DNA em crescimento e é realizada pela DNA polimerase. A DNA polimerase realiza a revisão em duas etapas. A primeira revisão ocorre pouco antes da adição de um novo nucleotídeo à cadeia crescente. A afinidade dos nucleotídeos corretos pela DNA polimerase é muitas vezes maior do que a dos nucleotídeos incorretos. No entanto, a enzima deve sofrer uma mudança conformacional logo após o nucleotídeo de entrada se ligar ao molde através de ligações de hidrogênio, mas, antes da ligação do nucleotídeo à fita em crescimento pela ação da DNA polimerase. Os nucleotídeos emparelhados incorretamente são propensos a se dissociar do molde durante a mudança conformacional da DNA polimerase. Portanto, a etapa permite que a DNA polimerase "verifique" o nucleotídeo antes de adicioná-lo à fita em crescimento permanentemente. O mecanismo de revisão da DNA polimerase é mostrado na figura 2.

Figura 2: revisão

A segunda etapa de revisão é conhecida como revisão exonucleolítica. Ocorre imediatamente após a incorporação de um nucleotídeo incompatível à fita em crescimento em um caso raro. A DNA polimerase é incapaz de adicionar o segundo nucleotídeo próximo ao nucleotídeo incompatível. Um sítio catalítico separado da DNA polimerase, conhecido como exonuclease de revisão 3 ′ a 5 ′, digere os nucleotídeos pareados incorretamente da cadeia em crescimento.

Reparo de incompatibilidade direcionado por fios

Apesar dos mecanismos de revisão, a DNA polimerase ainda pode incorporar nucleotídeos incorretos à fita em crescimento durante a replicação do DNA. Os erros de replicação que escaparam da revisão são removidos pelo reparo de incompatibilidade direcionado à fita. Este sistema detecta o potencial de distorção na hélice do DNA devido a pares de bases incompatíveis. No entanto, o sistema de reparo deve identificar a base incorreta da base existente antes de substituir a incompatibilidade. Geralmente, a E. coli depende do sistema de metilação do DNA para reconhecer a velha fita de DNA na dupla hélice, pois a fita recém-sintetizada pode não sofrer metilação de DNA em breve. Em E. coli, o resíduo A do GATC é metilado. A fidelidade da replicação do DNA é aumentada por um fator adicional de 10² devido à ação do sistema de reparo de incompatibilidade direcionado ao cordão. As vias de reparo de incompatibilidade de DNA em eucariotos, bactérias e E. coli são mostradas na figura 3.

Figura 3: Reparo de incompatibilidade de DNA em eucariotos, bactérias e E. coli

No reparo de incompatibilidade direcionado à fita, três proteínas complexas se movem através da fita de DNA recém-sintetizada. 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 fita não metilada ou a fita recém-sintetizada. Após a ligação, o MutH corta a cadeia de DNA não metilada imediatamente a montante do resíduo G na sequência GATC. Uma exonuclease é responsável pela degradação da fita a jusante da incompatibilidade. No entanto, este sistema degrada regiões com menos de 10 nucleotídeos que são prontamente re-sintetizados pela DNA polimerase 1. As proteínas Mut dos eucariotos são homólogas às de E. coli.

Conclusão

Mutações são alterações permanentes da sequência de nucleotídeos do genoma que podem surgir devido a erros na replicação do DNA ou devido ao efeito de mutágenos externos. Os erros de replicação do DNA podem ser corrigidos por dois mecanismos conhecidos como revisão e reparo de incompatibilidade dirigido por fita. A revisão é realizada pela própria DNA polimerase durante a síntese do DNA. O reparo de incompatibilidade direcionado à fita é realizado pelas proteínas Mut logo após a replicação do DNA. No entanto, esses mecanismos de reparo 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 de janeiro de 1970, disponível aqui. 2. Brown, Terence A. “Mutation, Repair and Recombination.” Genomas. 2ª edição, U.S. National Library of Medicine, 1 de janeiro de 1970, disponível aqui.

Cortesia de imagem:

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