Mutação Gênica

 

Como o DNA codifica a informação genética?

Desde a publicação de Watson & Crick (1953) sobre a estrutura do DNA e da carta de George Gamow a eles endereçada, desenvolvendo a ideia da existência de um código genético onde o DNA serviria de molde para a síntese de proteínas, muitas perguntas surgiram e vários experimentos fascinantes foram realizados na tentativa de respondê-las.

hemoglobina_abJá em 1949, Linus Pauling havia demonstrado que a hemoglobina normal (HbA) apresentava uma carga aniônica cerca de duas unidades mais negativa do que a da hemoglobina  de células falcêmicas (HbS), caracterizando a anemia falciforme como doença molecular e desenvolvendo um teste diagnóstico rápido para a doença ao submeter as moléculas de hemoglobina a um campo elétrico.

A hemoglobina (Hb) é uma proteína das células vermelhas do sangue (eritrócitos) cuja função é transportar oxigênio.  A Hb é constituída de quatro cadeias polipeptídicas (tetrâmero): duas cadeias α (alfa) idênticas, com 141 aminoácidos cada, e duas cadeias β (beta) idênticas, com 147 aminoácidos cada.

'EM Unit, UCL Medical School, Royal Free Campus' Em 1956, Vernon Ingram demonstrou que a diferença entre falcêmicos e normais residia na substituição do sexto aminoácido da cadeia β da hemoglobina onde o ácido glutâmico (GLU) é substituído por valina (VAL), provocando alteração conformacional na molécula. A hemoglobina com tal mutação (HbS) não permite ligação eficiente ao oxigênio (desoxigenada), agregando-se em filamentos suficientemente grandes para deformar os eritrócitos que apresentam forma de foice. No segmento da cadeia β, onde esta mutação pode ocorrer, a sequência de aminoácidos da hemoglobina normal (HbA) é Val His Leu Thr Pro Glu Glu. Na hemglobina falcêmica (HbS) o ácido glutâmico (GLU) é substituído por valina (VAL) e a sequência resultante é Val His Leu Thr Pro Val Glu.

A anemia falciforme já era conhecida como uma doença hereditária, de acordo com as leis da Genética Mendeliana, apresentando caráter de codominância ao nível da molécula:

  • HbA/HbA – células vermelhas normais; hemoglobina tipo HbA
  • HbS/ HbS - células vermelhas em forma de foice; praticamente 100% da hemoglobina é tipo HbS; geralmente a anemia é fatal
  • HbA/HbS- células vermelhas em forma de foice só ocorrem sob baixa concentração de oxigênio.

Curiosamente, os heterozigotos (HbA/HbS) apresentam resistência aumentada à malária, o que confere uma vantagem seletiva a estes indivíduos em regiões onde a malária é endêmica. Nos heterozigotos 40% da hemoglobina é tipo HbS.

Que tipo de alteração ocorrera na molécula de DNA provocando a substituição de um aminoácido por outro na proteína?

Por esta época, nada se sabia sobre a natureza do Código Genético e várias propostas estavam sendo feitas e analisadas pelos pesquisadores.

O Código Genético é a fórmula que converte a informação hereditária dos genes em proteínas. Uma sequência de bases poderia especificar uma sequência de aminoácidos de diferentes maneiras. Uma vez que existem apenas 4 bases diferentes para os 20 tipos de aminoácidos encontrados nas células, a combinação de algumas bases seria necessária para especificar cada um dos aminoácidos. A esta combinação de bases especificando um determinado aminoácido, dá-se o nome de códon.

De quantas bases seria constituído cada códon?

Uma combinação dos quatro tipos de bases, dois a dois, seria insuficiente para especificar todos os aminoácidos: 42 = 16. Assim, uma combinação de bases três a três seria minimamente necessária: 43 = 64. Todavia, num código de trincas, ou 44 códons não especificariam nenhum aminoácido ou então, cada aminoácido poderia ser especificado por mais de um códon. Neste caso, o código seria degenerado.

Assumindo-se que o códon é uma trinca, como as trincas estariam organizadas para codificar proteínas? Haveria ou não sobreposição das trincas?

CODIGO SOBREP

Na sequência ilustrada na figura, se houvesse sobreposição, a trinca ABC codificaria o primeiro aminoácido, BCB o segundo, CBD o terceiro, e assim sucessivamente. Não havendo sobreposição o primeiro aminoácido seria codificado pela trinca ABC, o segundo por BDA, o terceiro por DCB e assim por diante.

Observe a figura: Se o código é sobreposto, uma mudança no primeiro C afetaria os aminoácidos 1, 2 e 3. Se o código não é sobreposto, uma mudança no primeiro C afetaria apenas o aminoácido 1.

Outras questões que se colocavam na época:

  • Existiria pontuação na leitura do código? Ou seja, na sequência ABC , BDA , DCB , ACD, as vírgulas entre os códons seriam representadas por uma das bases, por uma combinação delas ou, simplesmente, não existiriam?
  • Como identificar o início e o final das sequências a serem “lidas”?

A resposta a estas questões foi resultado do trabalho intensivo de Crick, Barnett, Brenner & Wats-Tobin (1961)  no final dos anos 50 e início dos 60, culminando com a demonstração de que o Código Genético é lido a partir de um ponto fixo, não tem vírgulas, não se sobrepõe, está organizado em trincas e é degenerado.

Abaixo, o primeiro parágrafo do trabalho publicado na revista Nature acerca das propriedades do código:

“There is now a mass of indirect evidence which suggests that the amino-acid sequence along the polypeptide chain of a protein is determined by the sequence of the bases along some particular part of the nucleic acid of the genetic material. Since there are twenty common amino-acids found throughout Nature, but only four common bases, it has often been surmised that the sequence of the four bases is in some way a code for the sequence of the amino-acids. In this article we report genetic experiments which, together with the work of others, suggests that the genetic code is of the following general type: A group of three bases (or, less likely, a multiple of three bases) codes one amino-acid. The code is not of the overlapping type. The sequence of the bases is read from a fixed starting point. This determines how the long sequences bases are to be correctly read off as triplets. There are no special ‘commas’ to show how to select the right triplets. If the starting point is displaced by one base, then the reading into triplets is displaced, and thus becomes incorrect. The code is probably ‘degenerate’; that is, in general, one particular amino-acid can be coded by one of several triplets of bases”

Os trabalhos desenvolvidos para decifrar as características do Código Genético encontram-se em Desvendando o Código.

Abaixo, a Tabela do Código. Analise atentamente e imagine que mudanças poderiam ter ocorrido na sequência de bases que codificam o gene para hemoglobina, de sorte que o Ácido Glutâmico (Glu) pudesse ser substituído por Valina (Val).

código genetico last1 Voltando à questão das Mutações.

Mutação é um processo natural, bastante comum, que altera a sequência do DNA.

No momento da replicação do DNA uma única base, ao acaso, pode ser substituída por outra; ou então, pode ser perdida (deletada) ou adicionada o que alteraria toda a sequência de leitura após o evento. Todavia, o próprio mecanismo de replicação do DNA o qual, aliás, é bastante sofisticado, tem condições de detectar o erro e repará-lo. Mas nem sempre.

Em algumas ocasiões o erro não é reparado e se a mutação ocorreu numa célula germinativa será transmitida às próximas gerações. Surgem assim, na população, versões levemente diferentes de um mesmo gene as quais denominamos alelos. Estas pequenas diferenças na sequência do DNA é que permitem a enorme variedade entre os indivíduos de uma mesma espécie e o desenvolvimento de tantas espécies diferentes no planeta no decorrer destes milhares de anos

Olhe os organismos à sua volta: diferenças nas cores, no tamanho, na resistência ou na fragilidade, na susceptibilidade a doenças, no comportamento, etc. Animais, vegetais, microrganismos, todos apresentam variação dentro da mesma espécie.  Tente observar os formatos de nariz na espécie humana, por exemplo.  Ou ainda, o timbre das vozes!

As mutações também podem ser provocadas por agentes ambientais tais como radiação, radicais livres, produtos químicos, etc. Em geral afetam o nucleotídeo propriamente dito, convertendo uma base em outra, quebrando a fita de DNA ou expulsando uma base.

As mutações tanto podem ocorrer no segmento de DNA que codifica uma proteína como nos segmentos de DNA que controlam a expressão gênica ou em sequencias que exerçam funções ainda não conhecidas.

Agentes que provocam uma alteração permanente na composição química de um gene, alterando a mensagem ou sua expressão, são denominados mutagênicos.

A anemia falciforme discutida acima é uma das centenas de desordens provocada pela troca de um único nucleotídeo dos três bilhões que constituem o genoma humano. Este é um exemplo de mutação deletéria. Mas existem mutações “silenciosas”, ou seja, não afetam o fenótipo do indivíduo e só serão detectadas por uma análise de sequência. Por outro lado algumas mutações trazem vantagens ao indivíduo quando lhe fornecem características que o tornam mais adaptado a mudanças ambientais e que, portanto, terão influência no futuro da espécie.

 A existência de variantes morfológicos em uma população de mesma espécie é denominada polimorfismo:  ocorrência, na mesma população, de dois ou mais alelos em um lócus, cada um com uma frequência apreciável que é tipicamente considerada como 1%, no mínimo.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f6/Jaguar_head_shot.jpg

By Ron Singer (U.S. Fish and Wildlife Service) [Public domain], via Wikimedia Commons

 

 

 

 

A BELEZA DO JAGUAR (um caso de polimorfismo)

A SEGUIR: Tipos de Mutação
 Links interessantes:
Variation and Mutation: Universidade de Utah
Genetic Mutation:   Nature/Scitable
 Polymorphism: Wikipedia
 DNA desde o começo
Mutação: (IB.USP)