Tipos de Mutações

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codon_aminoacidoOs segmentos de DNA que codificam proteínas, estão organizados em blocos sequenciais de três bases (códon) os quais serão  transcritos (mRNA) e posteriormente traduzidos na proteína especificada.  A cada códon do mRNA corresponde um aminoácido. Os códons de parada (stop) sinalizam o término da síntese daquela proteína. O códon de iniciação é o mesmo que codifica para Metionina. As sequências de ácidos nucleicos estão sujeitas a alterações, basicamente dos seguintes tipos:

 Mutações de Ponto ou Substituição de Base -

São mutações que levam à substituição de um aminoácido por outro na cadeia polipeptídica resultante da troca de uma única base no polímero de ácido nucleico, ou seja, num único ponto do gene.

Acredita-se que grande parte das variações genéticas observadas entre indivíduos de uma população (polimorfismo) seja decorrente de alterações em um único nucleotídeo no gene, recebendo a denominação SNP, do inglês single nucleotide polymorphism. As mutações de ponto podem ser sinônimas ou não-sinônimas.

mutação ponto

Observe o Código Genético: alguns aminoácidos são codificados por mais de um códon, ou seja, o código é degenerado. Isto implica que, eventualmente, um nucleotídeo possa ser alterado e o novo códon continuar codificando o mesmo aminoácido. Por exemplo, uma mutação que substitua Adenina (A), no códon CUA por Guanina (G), transformando-o em CUG, continuará codificando Leucina e não terá efeito sobre a proteína. Ou seja, o novo códon é sinônimo do anterior. A maioria dos sinônimos difere apenas na 3a posição e, assim, estão agrupados na mesma caixa da Tabela, exceto os que possuem 6 códons (Leu, Arg) e, portanto, ocupam mais de uma caixa. Em geral, substituições na 3a posição não provocam mudanças de aminoácidos sendo fenotipicamente silenciosas (mutações ou substituições silenciosas).

código genetico last1Por outro lado se a mutação é não-sinônima, a consequência pode ser alteração na conformação da proteína ou   parada prematura da síntese, caso seja criado um códon de parada (UAA, UAG, UGA), ou ainda, alongamento da síntese, caso o códon de parada tenha sido substituído por um códon especificando um aminoácido. Em qualquer destes casos a proteína é alterada.

Outra observação interessante acerca da tabela é que códons com pirimidinas na 2a posição codificam, em geral, aminoácidos hidrofóbicos (Phe; Leu; Ile; Val; Ala; Pro). Códons com purinas na 2a posição codificam, em geral, aminoácidos polares (Asn; Gln; Cys; Tyr) ou carregados (Asp; Glu; Lys; Arg).

Substituição de um aminoácido hidrofóbico por um polar/carregado ou vice-versa, pode alterar a conformação da proteína afetando sua função. Em geral, qualquer mudança deste tipo no sítio ativo de uma enzima provoca um decréscimo em sua atividade enzimática.

Substituições de uma base pirimídica por outra (U/C ou C/U), ou de uma base púrica por outra (A/G ou G/A), são denominadas mutações de transição (4 possíveis). Por outro lado, quando bases pirimídicas são substituídas por púricas, ou vice-versa, são denominadas mutações de transversão (8 possibilidades):

Pirimidina/Purina: U/A,U/G, C/A ou C/G Ι Purina/Pirimidina: A/U, A/C, G/U ou G/C

 Quando uma mutação ocorrida na região codificadora de um gene resulta na troca de um aminoácido da cadeia polipeptídica é denominada missense (sentido errado). Um exemplo clássico do efeito fenotípico deste tipo de mutação é aquele que provoca anemia falciforme, doença hereditária humana, discutida em Mutação, onde o ácido glutâmico (polar carregado) da cadeia B da hemoglobina foi substituído por valina (hidrofóbico).

Por outro lado, quando o efeito da mutação é criar um códon de parada, gera-se  quase sempre, um fragmento de polipeptídio não funcional. Este tipo de mutação é denominada nonsense (sem sentido).

Mutações por inserção ou deleção de nucleotídeos -

Ocorrem quando um ou dois pares de base são inseridos ou deletados de uma sequência gênica codificadora de proteína. Este tipo de mutação é denominado indel e inevitavelmente altera o quadro de leitura (frameshift) uma vez que a “leitura” é sequencial, de três em três bases, sem pontos nem vírgulas, a partir do início (AUG) até o sinal de parada (UAA ou UAG ou UGA).

 Observe o efeito da inserção de uma Adenina (A) ou da deleção de uma Citosina (C) na sequência do quadro. A partir do evento a leitura será alterada e, a menos que tenha ocorrido bem próxima ao terminal carboxila da proteína a mutação frameshift terá como consequência a síntese de uma proteína não funcional.

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  Mutações por elementos transponíveis -

Os elementos transponíveis (Transposons) ou TEs (de Transposable Elements) são sequências de DNA com capacidade de se mover pelo genoma buscando novas localizações nos cromossomos. Ao se inserirem, por ex., no meio de uma sequência gênica codificadora, podem interromper as funções deste gene ou ativar genes adormecidos ou ainda, produzir novos genes.

Alguns transposons classificados como tipo I (Retrotransposons) necessitam de um mRNA para se deslocarem de um ponto a outro do DNA. Os classificados como tipo II (Transposons de DNA) deslocam-se diretamente para outro local.

Estes elementos foram identificados na década de 40 por Barbara McClintock ao fazer análise genética do milho (Zea mays), um excelente modelo de estudo uma vez que cada grão é um embrião resultante de fertilização individual, de sorte que centenas de descendentes podem ser analisados em uma única espiga.

A comunidade científica foi bastante cética, inicialmente, em relação às proposições de Barbara McClintock  que apresentava o genoma não como  uma unidade estática mas, pelo contrário, como uma entidade sofrendo alterações e rearranjos constantes. Nas décadas seguintes, todavia, foi ficando cada vez mais claro que os TEs não apenas “saltavam” (genes saltadores) de um local para outro no genoma do milho, mas eram encontrados em quase todos os tipos de organismos, tanto procariotos como eucariotos. Só para ter uma ideia, os TEs constituem cerca de 50% do genoma humano e mais do que 90% do genoma do milho, compreendendo a maior classe molecular da maioria dos genomas do Reino Animal (Metazoa).

No princípio os TEs foram encarados como “DNA lixo” até sairmos de nossa ignorância categorizante e nos darmos conta de sua influência na estrutura e função dos genomas, uma vez que aumentam o repertório genético codificador e não-codificador do hospedeiro estimulando, consequentemente, o processo evolutivo.

 Efeitos das mutações -

Mutações podem ser benéficas, danosas ou neutras, dependendo do contexto, como vimos anteriormente. É preciso esclarecer que as mutações são aleatórias, ou seja, não acontecem para suprir uma necessidade do organismo. Em geral ocorrem espontaneamente e por um erro durante a duplicação do DNA que tenha escapado à reparação (edição). A ação de mutagênicos químicos ou físicos aumenta a frequência de mutações.

Quando a mutação ocorre numa célula somática (que constituem todas as células do corpo exceto as células reprodutivas), seu efeito será localizado e o setor mutado será maior ou menor dependendo do momento do desenvolvimento em que ocorreu a mutação. Esta mutação, todavia, não será transmitida à progênie. Caso ocorra mutação em uma célula germinativa (células que dão origem aos gametas, i.e. óvulos e espermatozoides), a mutação passará para as próximas gerações.

 Joshua e Esther Lederberg, em 1952, demonstraram que as mutações não são direcionadas e sim aleatórias detectando, em populações de bactérias, mutantes resistentes a antibióticos. A técnica utilizada, denominada replica-plating, consistia em identificar as colônias mutantes antes de sua exposição ao antibiótico. Veja a seguir, os passos do experimento. 

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Quadrados de 12 cm de veludo esterilizados eram presos em blocos de madeira de 9 cm de diâmetro. As placas de Agar contendo as colônias originais (passo 1) eram invertidas e pressionadas suavemente sobre o veludo (passo 2), transferindo desta forma, algumas células de cada colônia. O padrão original é mantido. Em seguida uma placa de Agar + Estreptomicina era pressionada sobre o veludo que já continha as células (passo 3) e incubada para desenvolvimento das colônias (passo 4). Nesta placa somente mutantes resistentes poderiam crescer.

Os mutantes teriam sido induzidos pela presença da estreptomicina? Fácil verificar. Como as posições das colônias foram mantidas pelo método de replica-plating era só testar as colônias da placa original transferindo algumas poucas células de cada colônia para diferentes tubos de ensaio contendo meio liquido com estreptomicina (passo 5).

Nesta sequência fica demonstrado que não foi o meio com antibiótico que induziu o aparecimento de células resistentes, pois elas existiam antes da réplica em placa com estreptomicina (passo 5). Ou seja, o mutante resistente surgiu aleatoriamente na população de bactérias. O ambiente (placa com antibiótico) apenas selecionou o mutante, uma vez que os não-mutantes pereceram:

“We conclude that resistance to streptomycin, as to phage, is a spontaneous mutation that occurs independently of the presence of the seletive agent.” (Lederberg & Lederberg, 1952).

Links interessantes:

DNA is constantly changing through the process of mutation

The effects of mutations

Mutação

Mutações