Μεταλλάξεις DNA Επιδιόρθωση DNA Μοριακή βάση µεταλλαξεων και επιδιόρθωσης του DNA 1
Tι είναι µετάλλαξη Τι προκαλεί τις µεταλλάξεις Τύποι των µεταλλάξεων Tύποι των µεταλλαξογόνων Μεταλλάξεις και ασθένειες ΕΠΙΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ DNA Tι είναι επιδιόρθωση του DNA Ποιά είναι τα κύρια επιδιορθωτικά συστήµατα 2
: Tι είναι µετάλλαξη(εις); Μεταλλάξεις είναι οι δοµικές µεταβολές που υφίσταται το µόριο του DNA από την επίδραση βιολογικών, χηµικών και φυσικών παραγόντων. Ρυθµός εµφάνισης µεταλλάξεων: Ένα ζεύγος βάσεων µεταλλάσσεται µε ρυθµό 10-9 - 10-10 ανά γενιά Ένα γονίδιο 1.000 bp µεταλλάσσεται µε ρυθµό ~10-6 ανά γενιά Ενα βακτηριακό γονιδίωµα µεταλλάσσεται µε ρυθµό 3 x 10-3 ανά γενιά 3
Αυθόρµητες µεταλλάξεις συµβαίνουν σε όλο το γονίδιο, αλλά η συγκέντρωσή τους αυξάνεται στα θερµά σηµεία. 4
Τι προκαλεί τις µεταλλάξεις; Ενδογενείς ή αυτογενείς ή αυθόρµητες 1. Ενζυµικά σφάλµατα 2. Στο εκµαγείο 3. Ελεύθερες ρίζες 4. Σφάλµατα ανασυνδιασµού 5. Δράση κινητών γενετικων στοιχείων Είδος της βλάβης που υφίσταται το γονιδίωµα 1. Αφύσικες βάσεις 2. Απουρινικές ή απυριµιδινικές περιοχές 3. Έλλειµµα ενός ή περισσοτέρων νουκλεοτιδίων 4. Εντοµές στη δοµή των δύο κλώνων 5. Ρήξη του DNA και στους δύο κλώνους 6. Σταυροσυνδέσεις 5
Τι προκαλεί τις µεταλλάξεις; 1. Λάθη κατά την αντιγραφή του DNA 2. Λάθη οφειλόµενα σε φαινόµενα ανασυνδιασµού του DNA 3. Χηµικά µεταλλαξογόνα 4. Ακτινοβολία (ιονίζουσα υπεριώδης µικροκύµατα κλπ) 5. Τυχαίες χηµικές αλλαγές του DNA Ενδογενείς (1, 2, 5) Εξωγενείς (3, 4, 5) 6
Τι προκαλεί τις µεταλλάξεις; 1. Λάθη κατά την αντιγραφή του DNA Κατά την διαδικασία της αντιγραφής του DNA οι βάσεις προστίθενται στο µητρικό DNA βάσει της αρχής της συµπληρωµατικότητας. Mια σειρά ενζυµικών ενεργοτήτων φροντίζουν για υψηλή πιστότητα µέσω µηχανισµών επιδιόρθωσης. Παρόλα αυτά έχουµε 1 λάθος ανά 10 9 βάσεις κατά την διαδικασία της αντιγραφής. 7
Τι προκαλεί τις µεταλλάξεις; 2. Λάθη οφειλόµενα σε φαινόµενα ανασυνδιασµού του DNA Τ DNA στα κύτταρα έχει µια εντυπωσιακή κινητικότητα και συχνά επαναδιατάσσεται ή ανασυνδιάζεται. Συνήθως κάποια σφάλµατα στο επίπεδο αυτό επισκευάζονται. Αδυναµία επισκευής κοµβικών γονιδίων->πρωτεϊνών οδηγεί στην απόπτωση (αυτοκτονία) και κυτταρικό θάνατο. 8
Tύποι των µεταλλαξογόνων 3. Χηµικά ανάλογα βάσεων Ενσωµατώνονται στο DNA, κάποια αναστέλλουν την αντιγραφή ενω άλλα προάγουν λάθος ζεύξη βάσεων. Παραδείγµατα 5-Brmuracil (BrdU)=ανάλογο της Τ (κετο-ενολική µετατόπιση) Κέτο µορφή ζευγαρώνει µε Α Ενολ µορφή ζευγαρώνει µε G 2-Aminpurine (A*)=ανάλογο της Α Α=Τ -> Α*-C 9
Tύποι των µεταλλαξογόνων 3. Χηµικά µεταλλαξογόνα βάσεων Παρεµβλητικοί παράγοντες Acridines-EtBr Σταυροσυνδετικοί παράγοντες 10
Tύποι των µεταλλαξογόνων 3. Χηµικά µεταλλαξογόνα βάσεων Μη αλκυλιωτικοί παράγοντες Φορµαλδεϋδη (ΝΗ 2 - συνδέει οµοιοπολικά ΝΟ µε πρωτείνες Υδροξυλαµίνη (αντιδρά µε C -> C*=A) Νιτρικό οξυ (απαµινώνει C->U, A->Hypxanthine και G->xanthines) Αλκυλιωτικοί παράγοντες EMS (ethylmethane sulfnate) Δηµιουργεί ασθενή Ν-γλυκοζιτικό δεσµό και αφήνει αποπουρινοµένη θέση. NNG(N-methyl-N -nitr-n-nitrsguanidine: πολύ τοξικό διότι δρά κατά την αντιγραφή και δεν επισκευάζεται εύκολα. 11
Tύποι των µεταλλαξογόνων 3. Χηµικά µεταλλαξογόνα βάσεων Απαµινωτικοί παράγοντες Η αυθόρµητη απαµίνωση της κυτοσίνης παράγει ουρακίλη, ενώ η απαµίνωση της 5-µεθυλοκυτοσίνης παράγει θυµίνη. Οξειδωτική απαµίνωση Η απαµίνωση της 5- µεθυλοκυτοσίνης παράγει θυµίνη (προκαλώντας µεταπτώσεις από C G σε T A). Η απαµίνωση της κυτοσίνης παράγει ουρακίλη (η οποία συνήθως αποµακρύνεται και αντικαθίσταται από κυτοσίνη). 12
Tύποι των µεταλλαξογόνων 4. Ακτινοβολίες Ιονίζουσα ακτινοβολία: Χ-, γ-ακτίνες εκτεταµένη καταστροφή του DNA. Ανοίγονται πουρινικοί δακτύλιοι και αποπουρινώνεται το DNA, σπάνε φωσφοδιεστερικοί δεσµοί. Υπεριώδης ακτινοβολία: (200-400nm) επάγει διµερισµό γειτονικών πυριµιδινών (Τ-Τ) 13
Tύποι των µεταλλαξογόνων 5. Τυχαίες χηµικές αλλαγές του DNA Είναι αλλαγές που συµβαίνουν τυχαία στη φύση χωρίς να µπορούµε να εντοπίσουµε το ουσιαστικό αίτιο. Πολύ πιθανόν είναι οφείλονται σε πολυεπίπεδη επιβάρυνση του κυττάρου (αθροιστικοί παράγοντες). 14
: Τύποι των µεταλλάξεων Σηµειακές ή απλές µεταλλάξεις 1. Μεταλλάξης αντικατάστασης βάσης: Μετάπτωση (πουρίνη σε πουρίνη, πυριµιδίνη σε πυριµιδίνη) Αµφιµετατροπή (πουρίνη σε πυριµιδίνη και vice versa) Συνώνυµη ή σιωπηλή µετάλλαξη (δεν αλλάζει το α.α.) Μη συνώνυµη ή παρανοηµατική µετάλλαξη (αλλάζει το α.α.) Μη νοηµατική µετάλλαξη (πρόωρη λήξη της µετάφρασης) 2. Προσθήκη µιας ή περισσοτέρων βάσεων 3. Αποµάκρυνση µιας ή περισσοτέρων βάσεων 15 Πολλαπλές µεταλλάξεις
Μεταλλάξεις µετατόπισης αναγνωστικού πλαισίου Προσθήκη µιας βάσεως Έλλειµµα µιας βάσεως Διπλή µετάλλαξη, δύο βάσεις, στο ORF Τριπλή µετάλλαξη, τρεις βάσεις, στο ORF 16
ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ ΤΟΥ DNA 17 Μετάλλαξη-πρωτεϊνη Οι µεταλλάξεις που δεν επηρεάζουν την πρωτεϊνική αλληλουχία ή λειτουργία ονοµάζονται σιωπηλές. Οι µεταλλάξεις που καταργούν εντελώς τη λειτουργία της πρωτεΐνης ονοµάζονται εκµηδενιστικές. Οι σηµειακές µεταλλάξεις που προκαλούν απώλεια λειτουργίας είναι υποτελείς, ενώ αυτές που προκαλούν απόκτηση λειτουργίας είναι επικρατείς.
Ποιές µεταλλάξεις είναι αντιστρέψιµες; Οι σηµειακές µεταλλάξεις και οι προσθήκες µπορεί να αναστραφούν, ενώ τα ελλείµµατα δεν αναστρέφονται ποτέ. 18
Μεταλλάξεις και ασθένειες Διαταραχές του µεταβολισµού Αιµοσφαιρινοπάθειες-θαλασσαιµίες Καρκίνος και νεοπλασία Ογκογονίδια Αντι-ογκογονίδια Πρωτο-ογκογονίδια Μηχανισµός καρκίνου 19
ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ ΘΕΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΑΡΝΗΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ Οι µεταλλάξεις δεν είναι µόνο βλαβερές αλλά και χρήσιµες" Οι µεταλλάξεις είναι η κινητήρια δύναµη της φυσικής επιλογής Η λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήµατος βασίζεται σε µεταλλάξεις λεµφοκυττάρων 20