Mutaciones
Cap 16
(16.1-16.2)
Slides 1-36
Asignadas Slides 37-44
Biol 3306 – Lab Genética
JA Cardé, PhD
UPRAg
Verano 2014
1
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Objetivos
• Al completar la discusión de esta presentación los
estudiantes podrán:
• Explicar lo que es una mutación y los distintos
tipos de mutaciones
• Mencionar las consecuencias de una mutación
• Mencionar las distintas causas de las mutaciones
• Explicar estrategias para probar agentes como
mutagénicos.
• Analizar una autoradiografía para detectar una
mutación.
INTRODUCCIÓN
• Mutacion: se referiere a un cambio heredable en el
material genético
• proveen variaciones alélicas
– Por el lado positivo, son la base para cambios evolutivos,
permitiendo a las especies adaptarse al ambiente
– (Ej:piel clara en latitudes polares)
– En el lado negativo, son mas perjudiciales que beneficiosas y
muy a menudo causa de enfermedades
– Hemofilia
• Son un área activa de investigación.
• Como muchas son detrimentales se han desarrollado
sistemas de reparación del DNA.
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3
16.1 CONSECUENCES DE LAS
MUTACIONES
• Se pueden dividir en tres tipos principales
– 1. Cromosomales
• Cambios en la estructura de los cromosomas
– 2. Genomicas
• Cambios en el número cromosomico
– 3. De Genes
• Cambios relativamente pequeños en la estructura del DNA que
ocurren en un gen en particular
4
Mutaciones de Genes Cambian la
Secuencia del DNA

mutación de punto: cambio en un sólo par de bases

Por ejemplo una sustitución de bases
5’ AACGCTAGATC 3’
3’ TTGCGATCTAG 5’



5’ AACGCGAGATC 3’
3’ TTGCGCTCTAG 5’
transición un cambio de una pirimidina por otra (C, T)
pirimidina o una purina (A, G) por otra purina
transversión es un cambio de una pirimidina por una
purina o viceversa
Las transiciones son mas comunes que las
transversiones
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5
Mutaciones de Genes Cambian la
Secuencia del DNA

Tambien involucran las deleciones o adiciones de
secuencias cortas de DNA
5’ AACGCTAGATC 3’
3’ TTGCGATCTAG 5’
5’ AACGCTC 3’
3’ TTGCGAG 5’
Deletion of four base pairs
5’ AACGCTAGATC 3’
3’ TTGCGATCTAG 5’
5’ AACAGTCGCTAGATC 3’
3’ TTGTCAGCGATCTAG 5’
Addition of four base pairs
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6
Las Mutaciones de Genes Pueden Alterar
la Secuencia Codificante dentro del Gene

Mutaciones en la secuencia codificante de un gen
estructural puede tener varios efectos en la proteína:

Silenciosas: susituciones de bases que no alteran la
secuencia de aminoácidos (AA) de un polipéptido


Debido a que el código es degenerado
Cambio de sentido: sustituciones de bases en donde
cambia un aminoácido



Ej: Sickle-cell anemia (Figura 16.1)
Neutral: Si el AA sustituido no tiene efecto detectable en la función
de la proteína.
Esto puede ocurrir porque el nuevo AA tiene una química similar
que el reemplazado.
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7
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© Phototake/Alamy
Normal red blood cells
© Phototake/Alamy
10 μm
Sickled red blood cells
10 μm
(a) Micrographs of red blood cells
NORMAL: NH2 – VALINE – HISTIDINE – LEUCINE – THREONINE – PROLINE – GLUTAMIC ACID – GLUTAMIC ACID...
SICKLE
: NH2 – VALINE – HISTIDINE – LEUCINE – THREONINE – PROLINE – VALINE– GLUTAMIC ACID...
CELL
(b) A comparison of the amino acid sequence between normal b-globin and sickle-cell b-globin
Figure 16.1
8
Mutaciones de Genes Cambian la
Secuencia del DNA

Mutaciones en la secuencia codificante de un gen
estructural puede tener varios efectos en la proteína:

Sin sentido sustituciones de bases donde cambian un
codón normal por uno de terminación

De marco de lectura: Se dan por la adición o deleción de
un número de nucleótidos que NO es divisible por tres


Esto cambia el marco de lectura asi que la traducción del mRNA
resulta en una secuencia de AA completamente diferente luego del
punto de la mutación
Tabla 16.1 – Resume las mutaciones
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9
10
Mutaciones de Genes fuera de la secuencia
codificante pueden afectar el fenotipo




Mutatciones en el
promotor puede
afectar el nivel de
expresion del gen.
Mutaciones de
aumento de
expresión
Disminución de
expresión.
Tabla 16.2 otras
mutaciones
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11
Mutaciones de Genes y sus Efectos
en el Genotipo o Fenotipo

wild-type (tipo salvaje): el genotipo prevalente en la
poblacion natural. En alelos multiples pueden haber
dos o mas WT

Forward (prospectiva)- cambian el WT a una nueva
variante

Reverse (de reversión)- revierten un mutante al WT
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12


Tambien se describen en base a su efecto en el
fenotipo WT
Tambien se caracterizan por su habilidad
diferencial para sobrevivir

Detrimentales – disminuyen las probabilidades de
sobrevivir l




Letales las mas detrimentales (polidactilia homocigota en gatos)
Beneficiosas – aumentan la supervivencia o exito
reproductivo
El ambiente puede determinar si una mutacion es D o B
Algunas son condicionales


Afectan el fenotipo solo bajo cierta condiciones
EJ: mutaciones de sensitividad a temperaturas
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13
Hemingway Cats
14


Una segunda mutación puede a veces afectar la
expresión fenotípica de otra:
Supresoras- mutaciones en un segundo lugar que
afectan negativamente otra
 Intragénicas
 La segunda mutacion ocurre en el mismo gen
que la primera
 intergénicas –
 La segunda mutación ocurre en un gen
diferente al de la primera
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15
Cambios en la Estructura Cromosomal
puede afectar la Expresión de un Gen


Un rearreglo cromosomal puede afecta un gen
porque se altere la continuidad
El gen puede quedar intacto pero su expresión
afectarse por su nueva localización


Esto se conoce como efecto de posición
Porque ocurre esto?:

1. Se mueve cerca de secuencias reguladoras


Figure 16.2a
2. Se mueve a regiones de heterocromatina

Figure 16.2b AND 16.3
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16
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B
A
Coding
sequence
Core
promoter
B
Gene B
A
Regulatory
sequence
Coding
sequence
Core
promoter
Regulatory sequences
are often bidirectional
Inversion
Core promoter
for gene A is
moved next to
regulatory
sequence of
gene B.
Gene A
(a) Position effect due to regulatory sequences
Active
gene
Gene
is now
inactive.
Translocation
Heterochromatic
chromosome
(more compacted)
Euchromatic
chromosome
Translocated
heterochromatic
chromosome
Shortened euchromatic
chromosome
(b) Position effect due to translocation to a heterochromatic
chromosome
Figure 16.2-3
17
Mutaciones: pueden ocurrir en
células Somáticas o Germinales

Geneticistas clasifican las células en:

Germinales


Somáticas


Todas las demás células del cuerpo
Mutaciones de linea germinal: ocurren directametne en
los gametos o en sus precursoras.


Dan lugar a gametos: espermatozoides y ovulos y sus
precursores
Figure 16.4a
Mutaciones somáticas: occuren directamente en una
célula corporal o en precursoras de ellas

Figure 16.4b AND 16.5
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18
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Germ-line
mutation
Gametes
Embryo
Somatic
mutation
The size of the patch
will depend on the
timing of the mutation
The earlier the mutation,
the larger the patch
Therefore, the
mutation can be
passed on to future
generations
Mutation is
found
throughout
the entire
body.
Mature
individual
An individual who has
somatic regions that are
genotypically different
from each other is called
a genetic mosaic
Therefore, the mutation cannot be
passed on to future generations
Half of
the gametes
carry the
mutation.
Figure 16.4
Patch of
affected
area
(a) Germ-line mutation
None of
the gametes
carry the
mutation.
(b) Somatic cell mutation
19
20
16.2 CAUSAS DE MUTACIONES
• Pueden ser espontáneas o inducidas
• Espontáneas
– Resultan de anormalidades en procesos celulares o
biológicos
• Erores en replicación del DNA replication
– La causas principales estan en la célula
• Inducidas
– Causadas por factores ambientales
– Agentes mutagenos: causan mutaciones
• Agentes físicos o químicos
• Ver Tabla 16.4
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21
•
-
Espontáneas
Recombinaciones aberrantes
Segregaciones aberrantes
Errores de replicación
Transposones
Depurinaciones
Deaminaciones
Tautomerimos
Toxicidad
• Inducidas
- Químicas
- Físicas
22
Las espontáneas son eventos del azar

Ocurren por casualidad o son provocadas por factores
ambientales?

Jean Baptiste Lamarck: Teoría de adaptación fisiológica
 Proponía que el uso y desuso determina que rasgos se
pasan genéticamente

Charles Darwin: Teoría de mutación aleatoria
 La variación genética ocurre por el azar
 La selección natural escoge las que mejor lo adaptan
23
Mutaciones al azar pueden conferir
ventajas adaptativas


Joshua y Ester Lederberg(1950s) diseñaron una
estrategia para evaluar esto
Estudian la resistencia de E. coli a la infeccion del
bacteriofago T1



tonr (T one resistance)
Hipotesis: célula de E. coli que sobrevivan a la infección
de T1 eran ya resistentes antes de la exposición al fago
 Debido a mutaciones aleatorias
"Replica plating” – técnica de replicar siembras
24





El experimento de
Lederberg:
A few tonr colonies were
observed at the same
location on both plates!!!
This indicates that mutations
conferring tonr occurred
randomly on the primary
(nonselective plate)
The presence of T1 in the
secondary plates simply
selected for previously
occurring tonr mutants
This supports the random
mutation theory
Figure 16.7 Replica plating
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Master plate containing
many colonies that were
grown in the absence of
T1 phage
A velvet cloth (wrapped over a
cylinder) is pressed gently onto the
master plate and then lifted. A little
bit of each bacterial colony adheres
to the velvet cloth, thereby creating
a replica of the arrangement of
colonies on the master plate.
Velvet cloth
The replica is then gently pressed
onto 2 secondary plates that
contain T1 phage.
Petri plate
with T1 phage
Petri plate
with T1 phage
Incubate overnight to
allow bacterial growth.
25
Frecuencia de Mutaciones

Frecuencia de mutación: la probabilidad de que un
gen sea afectado por una nueva mutación



La frecuencia de mutacion para un gen dado no es
constante


Se expresa como el numero de mutaciones nuevas en un
gen dado por generacion de celulas.
Esta en el rango de 10-5 a 10-9 por generación
Puede ser aumentada por agentes mutagenicos
Esta frecuencia varia entre especies y entre cepas o
lineas de la misma especie
26
Mutation Rates and Frequencies

En el mismo individuo algunos genes mutan mas
que otros

Genes mas grandes que otros


Localizaciones de algunos genes en el cromosoma los
hacen mas propenso a mutar


Proveen mas oportunidades para mutar que los pequeños
hot spots – regiones con mas tendencia a mutar
Hot spot: pueden encontrarse en un mismo gen

Bases específicas y regiones específicas mas propensas
27
Causas de mutaciones espontáneas

Mutaciones espontáneas pueden surgir por tres
mecanismos



1. Depurinación
The most common; We will focus here
2. Deaminación – por lo general de las C, resulta en U, si
no se corrige: en lugar de C-G aparecerá U-A
3. Tautomerismo – cambio temporero en la estructura de
la base, por migraciones de hidrogenos, pasan de AT/GC
a TG/CA, es reversible pero si ocurred justo antes de
replicación causa la mutación.
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28
Causas de mutaciones espontáneas

Depurinación: resulta de remoción de una purina
(G/A) del DNA

El enlace covalente enter la deoxiribosa y la purina es
algo inestable

Ocasionalmente reacciona espontáneamente con el agua y la
base se suelta de la azucar

Esto se conoce como un sitio apurinico

Esos sitios apurinicos se pueden reparar,

Cuando este sistema de reparacion falla, una mutacion puede
resultar durante las rondas de replicacion
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29
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5′
3′
C G
A T
T A
C G
G C
5′
C G
A T
T A
C
G C
Depurination
5′
3′
3′
Apurinic site
3′
5′
5′
3′
(a) Depurination
3′
5′
C G
A T
T A
C
G C
3′
Three out of four (A, T and G)
are the incorrect nucleotide
C G
A T
T A
C G
G C
DNA replication
3′
5′
5
3′
C G
A T
T A
X
G C
5′
3′
There’s a 75% chance
of a mutation
X could be
A, T, G, or C
5′
(b) Replication over an apurinic site
Figure 16.8
Spontaneous depurination
30
Mutaciones por Repeticiones de Trinucleótidos

Trinucleotide repeat expansion (TNRE)



Ejemplos



The term refers to the phenomenon that a sequence of 3
nucleotides can increase from one generation to the next
Causa para muchas condiciones severas
Huntington disease (HD)
Fragile X syndrome (FRAXA)
Ver Tabla 16.5 para estas y otros ejemplos.
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31
Desórdenes por TNRE
SBMA – Spinal and Bulbar Muscular Atrophy
HD
- Huntintong Disease
SCA1 – Spinocerebellar Ataxia
FRAXA(E) – Fragile X Syndromes
DM
- Myotonic Muscular Distrophy
32

Ciertas regiones del cromosoma contienen
secuencias de trinucleotidos repetidas en tandas


En individuos normales estas secuencias se transmiten a la
progenie sin mutación
En personas con el desorden TNRE, la longitud del trinucleótico
se extiende mas alla de un tamaño crítico



Causa sintomas de la condición
Se siguen expandiendo
Se conoce como repetición del trinucleótido CAG
CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG
n = 11
CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG
n = 18
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33

Si la expansión es dentro de la secuencia codificante


Si el trinucleotido repetido es CAG (glutamine)
La proteina codificada tendrá extensiones de Glut corridas



Las proteínas se agregan entre si
Esto exhacerba los síntomas
Si la expansión es fuera de la secuencia codificante



Causan cambios en la estructura del mRNA
Generan islas CpG que se asocian a silenciar genes
Dos aspectos comunes:
 Progresión en severidad en generaciones
(anticipación), depende de que padre pasa la herencia
 HD de padres mientras que MD de madres
 No se entienden por completo
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34
Tipos de agentes mutágenos


Muchisimos agentes puede afectar el DNA
La preocupación esta porque:



1. Los mutagenos por lo general estan involucrados en
producir cancer
2. Mutagenos pueden generar cambios que se pasan a
las siguientes generaciones
Se clasifican en
 Físicos
 Químicos

Ver Tabla 16.6
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35
Ejercicio
• Objetivo:
• Analizar una autoradiografia de una secuenciacion
de DNA para detectar una mutación
• Comparar la secuencia deducida con la siguiente
• 5’AGCTTGGCTGCAGGTCGACGGATCCCCGGGAATTCGTAATCATGGT3’
36
Protocolo
• Obtener una autoradiografia y leerla segun el
orden: GATC
• Comienza el analisis da abajo hacia arriba.
• Compara la secuencia deducida con la
secuencia mostrada por el profesor.
• Identifica la localizacion del nucleotido
mutante.
– Que tipo de mutacion es?
– Hay mas de una mutación?
– Cual es el efecto en los codones y AA codificados:
37
Protocolo
– BONO: Análisis de Blast
– 1. Identificar a quien pertenece la secuencia.
– 2. BLAST para comparar secuencias
•
•
•
•
•
•
NCBI
BLAST
Specialized BLAST
Align
Comparar las dos secuencias:
Identifica la homologia, parecido y señala lugares de
cambios
38
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39
Mutagens Alter DNA Structure in
Different Ways

Chemical mutagens come into three main types

1. Base modifiers

2. Intercalating agents

3. Base analogues
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40

Base modifiers covalently modify the structure of a
nucleotide


For example, nitrous acid, replaces amino groups with
keto groups (–NH2 to =O)
This can change cytosine to uracil and adenine to
hypoxanthine

These modified bases do not pair with the appropriate nucleotides
in the daughter strand during DNA replication

Refer to Figure 16.15

Some chemical mutagens disrupt the appropriate pairing
between nucleotides by alkylating bases within the DNA

Examples: Nitrogen mustards and ethyl methanesulfonate (EMS)
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41
Template strand
H
After replication
H
NH2
O
N
H
N
N
H
HNO2
N
N
N
Sugar
O
Sugar
H
Cytosine
N
N
H
Sugar
N
O
H
Uracil
These mispairings
create mutations in the
newly replicated strand
Adenine
H
N
H
N
H
NH2
O
H
H
N
HNO2
N
N
Sugar
N
Sugar
N
N H
H
N
N
H
Adenine
N
H
Hypoxanthine
O
Sugar
Cytosine
Figure 16.15 Mispairing of modified bases
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42

Intercalating agents contain flat planar structures
that intercalate themselves into the double helix

This distorts the helical structure

When DNA containing these mutagens is replicated, the
daughter strands may contain single-nucleotide additions
and/or deletions resulting in frameshifts

Examples:


Acridine dyes
Proflavin
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43

Base analogues become incorporated into daughter
strands during DNA replication

For example, 5-bromouracil is a thymine analogue

It can be incorporated into DNA instead of thymine
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H
O
Br
N
H
H
N
O
5-bromouracil
(keto form)
O
N
N
Sugar
Sugar
H
H
H
N
O
O
This tautomeric shift
occurs at a relatively
high rate
H
H
N
N
N
5-bromouracil
(enol form)
Adenine
Normal pairing
Figure 16.16
Br
H
N
N
N
Sugar
N
N
Sugar
N
H
Guanine
Mispairing
(a) Base pairing of 5BU with adenine or guanine
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44
In this way, 5-bromouracil can promote a change
of an AT base pair into a GC base pair
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5′
5′
3′
A 5BU
3′
3′
A T
DNA
replication
3′
5′
5′
5′
5′
3′
G 5BU
3′
5′
3′
G C
DNA
replication
3′
5′
5′
3′
G or A 5BU
3′
5′
(b) How 5BU causes a mutation in a base pair during DNA replication
Figure 16.16
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45

Physical mutagens come into two main types



1. Ionizing radiation
2. Nonionizing radiation
Ionizing radiation





Includes X-rays and gamma rays
Has short wavelength and high energy
Can penetrate deeply into biological molecules
Creates chemically reactive molecules termed free radicals
Can cause





Base deletions
Oxidized bases
Single nicks in DNA strands
Cross-linking
Chromosomal breaks
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46
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H
O

Nonionizing radiation





Includes UV light
Has less energy
Cannot penetrate deeply
into biological molecules
Causes the formation of
cross-linked thymine
dimers
Thymine dimers may
cause mutations when that
DNA strand is replicated
O
P
O
CH2
O–
H
H
H
N
CH3
H
H
Thymine
CH3
O
O
P
O
CH2
O–
H
H
O
O
H
H
N
N
H
H
O
Thymine
H
Ultraviolet
light
O
O
P
O
O
H
O
CH2
O–
H
H
N
O
O
O
H
H
N
H
CH3
H
H
CH3
O
O
P
O
CH2
O–
Figure 16.17
N
O
H
H
H
O
O
H
H
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N
H
N
H
O
Thymine dimer
47
Animations
48
Please note that due to differing
operating systems, some animations
will not appear until the presentation is
viewed in Presentation Mode (Slide
Show view). You may see blank slides
in the “Normal” or “Slide Sorter” views.
All animations will appear after viewing
in Presentation Mode and playing each
animation. Most animations will require
the latest version of the Flash Player,
which is available at
http://get.adobe.com/flashplayer.
49
Referencias
• Brooker, Robert J. (2014). Genetics Analysis & Principles.
(Quinta Edición). New York, McGraw-Hill Companies, Inc.
• http://learn.genetics.utah.edu/content/variation/mutation/
• http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/MUT/Mut.Defin
ition.html
• https://www.youtube.com/watch?v=eDbK0cxKKsk
• http://www.hgmd.org/