KATEDRA I ZAKA
AD BIOLOGII
OGÓLNEJ MOLEKULARNEJ
I GENETYKI, SUM.
KATOWICE-LIGOTA
UL. MEDYKÓW 18, BUD. C-1,
WITRYNA
http://biolmolgen.slam.katowice.pl
Aleksander L. Sieroń (2009)
Aleksander L. SIEROC

Mutacje i mechanizmy
ich powstawania
i naprawy DNA
KATEDRA I ZAKA
AD
BIOLOGII OGÓLNEJ, MOLEKULARNEJ I GENETYKI
ŚL
SKI UNIWERSYTET MEDYCZNY
*KATOWICE 2009*
MUTAGEN
MUTAGEN to substancja lub czynnik, który powoduje
wzrost częstości zmian w genach.
Te mutacje mogą być następnie przekazywane
komórkom potomnym, a czasami mogą również prowadzić
do powstawania komórek nieprawidłowych lub
nowotworowych.
Klasz MUTAGENÓW obejmują ale nie są ograniczone
do:
-czynników biologicznych
-czynników chemicznych
-Fizycznych
-wystawienie na działanie światła ultrafioletowego
-wystawienie na działanie promieniowania jonizującego.
Jest wiele rodzajów mutacji,
niektóre z nich są  obojętne ,
a inne mogą mieć istotny wpływ na
działanie organizmu.
Mutageny można wykrywać np.: Testem Ames a
lub innymi metodami biochemicznymi.
Test Ames a jest sposobem oznaczania czy badany czynnik
posiada zdolność wywoływania mutacji genetycznych.
W tym celu wyciąg komórek wątroby zwierzęcej miesza się
ze specjalnym szczepem bakterii Salmonella.
Mieszanina jest następnie poddawana działaniu badanej
substancji lub badanego czynnika. Po zakończeniu ekspozycji
wykrywa się występowanie zmutowanych bakterii (powstanie
mutacji pod wpływem badanego czynnika nazywa się
MUTAGENEZ
).
Test Ames a nie wskazuje bezpośrednio, czy badany czynnik
posiada właściwości kancerogenne (wywołuje nowotwory).
Zazwyczaj istnieje jednak, w badaniach na modelach
zwierzęcych, związek między potencjałem mutagennym
czynnika i jego potencjałem kancerogennym.
UWAGA!!!
NIE MYLIĆ
MUTAGENU
Z
KANCEROGENEM
(CZYNNIKIEM WYWOA
UJ
CYM RAKA)
MUTAGENY MOG
,
ALE NIE MUSZ
WYWOA
YWAĆ RAKA !!!
Kancerogenem jest substancja, która powoduje raka (lub
jest podejrzana o to, że powoduje raka).
Czynnikiem kancerogenny jest czynnik, który podejrzewa
się o powodowanie raka. Proces tworzenia komórek raka z
normalnych komórek to KANCEROGENEZA.
UWAGA!!!
NIE MYLIĆ MUTAGENU
Z
TERATOGENEM
(CZYNNIKIEM POWODUJ
CYM
ZMIAN

LUB
SZKOD

W ROZWIJAJ
CYM SI
PA
ODZIE LUB ZARODKU)
Teratogen to czynnik, który może powodować wady w
zarodku lub u płodu. Może to być substancja chemiczna,
wirus lub promieniowanie jonizujące.
Teratogen jest bliski toksynom płodowym, wywołującym
objawy toksyczne w rozwijającym się płodzie.
Zarówno toksyny płodowe, jak i teratogeny są toksynami
rozrodczymi czyli czynnikami, powodującymi uszkodzenie
w układzie rozrodczym i/lub wewnątrz-wydzielniczym
matki i/lub rozwijającym się płodzie.
TYPY
MUTACJI
MUTACJA TO:
Dziedziczna zmiana w sekwencji zasad DNA
wynikająca z działania mutagenów. Różne typy
mutacji obejmują przesunięcie ramki odczytu,
zmianę sensu kodu, i kod nonsensowny.
TYPY MUTACJI
I. CHROMOSOMOWE
1. LICZBOWE  dotyczą braku (monosomia) lub
nadmiaru (trisomia) pojedynczych chromosomów
(aneupolidia), lub zwielokrotnienia całego
haploidalnego garnituru chromosomów (poliploidia)
2. STRUKTURALNE - dotyczą bardzo długich odcinków
DNA (milionów par zasad), które powodują
zaburzenia funkcji pojedynczego genu lub częściej
wielu genów)
TYPY MUTACJI
I. CHROMOSOMOWE
1. STRUKTURALNE - dotyczą bardzo długich odcinków
DNA (milionów par zasad), które powodują
zaburzenia funkcji pojedynczego genu lub częściej
wielu genów)
Najczęściej odnoszą się one do mutacji dotyczących całych
chromosomów, takich jak inwersja części jednego chromosomu
powodująca, że odwrócona część nie ma już odpowiednika w parze
homologicznej. Translokacje części chromosomu do innego
chromosomu, po delecji części chromosomów, lub wypadkach, które
zdarzają się podczas podziału jądra komórkowego, takich jak
nierówny rozdział chromosomów do komórek potomnych.
TYPY MUTACJI
II. PUNKTOWE
To zmiana w kodowanym przez zmutowany gen produkcie
spowodowana przez:
a) zamianę pojedynczej zasady substytucja (na ten sam
rodzaj zasady azotowej  tranzycja, na inny rodzaj
zasady azotowej  transwersja),
b) dodanie jednej lub większej liczby zasad - insercja
c) ubytek jednej lub większej liczby zasad  delelecja
d) odwrócenie odcinka DNA - inwersja
MUTACJE PUNKTOWE
DOTYCZ
KONDONÓW
MUTACJE KODONÓW
1. KODON JEST
podstawową jednostką kodu genetycznego, zbudowanym
z trójnukleotydowych sekwencji w rybonukleinowym
kwasie informacyjnym (mRNA). Każdy kodon
podlega translacji do jednego aminokwasu w
syntetyzowanym białku.
2. KODON POCZ
TKOWY - INICJUJ
CY
Sekwencja, która koduje pierwszy aminokwas w
sekwencji polipetydu. Jest nim zwykle kodon AUG u
eukariota i czasem GUG u prokariota.
3. KODON NONSENS
sygnalizuje koniec łańcucha polipeptydowego.
Nie koduje on żadnych aminokwasów.
MUTACJE KODONÓW
TERMINUJ
CY (stop kodon)
Są to kodony UAA, UAG i UGA, sygnalizujące koniec
syntezy łańcucha polipeptydowego.
KODON AMBER
Nonsensowy kodon UAG, jeden z trzech kodonów które
zamiast aminokwasów sygnalizują zakończenie
translacji mRNA do łańcucha aminokwasowego.
ANTYKODON
Specyficzna sekwencja trzech nukleotydów w
transportującym RNA, komplementarna do kodonu
specyficznego aminokwasu w informacyjnym RNA.
Skutki mutacji punktowych
A. Substytucji
1. zmiana sensu kodu  kodon po zmianie koduje inny
aminokwas niż przed zmianą
2. mutacja milcząca  nowy kodon koduje taki sam
aminokwas
3. nonsens/STOP powstaje kodon nie kodujący żadnego
aminokwasu. Prowadzi do przedwczesnego
zakończenia translacji np.: KODON AMBER - UAG.
4. zaburzenie składania mRNA ze skutkiem pomijania
egzonów, jeżeli nastąpiła w sekwencji intronu
rozpoznawanie przez kompleks wycinający.
Skutki mutacji punktowych
B. Insercji
1. przesunięcie fazy (ramki) odczytu), co prowadzi do
zmiany kodonów i/lub powstanie kodonu nonsens.
2. wstawienie jednego lub więcej aminokwasów, gdy
nastąpiła insercja jednego lub więcej kodonów.
Wynikiem jest nowy, dłuższy produkt o innych
właściwościach niż produkt oryginalny
Skutki mutacji punktowych
C. Delecji
1. przesunięcie fazy (ramki) odczytu), co prowadzi do
zmiany kodonów i/lub powstanie kodonu nonsens.
2. ubytek jednego lub więcej aminokwasów, gdy
nastąpiła delecja jednego lub więcej kodonów.
Wynikiem jest nowy, krótszy produkt o innych
właściwościach niż produkt oryginalny
Skutki mutacji punktowych
D. Inwersji
1. przesunięcie fazy (ramki) odczytu), co prowadzi do
zmiany kodonów i/lub powstanie kodonu nonsens.
2. zmiana sensu kodu od miejsca inwersji z końca 5
i/lub powstanie kodonu nonsens
3. zaburzenie składania mRNA ze skutkiem pomijania
egzonów, jeżeli objęła część intronu.
INNE TYPY MUTACJI
SPONTANICZNA
Mutacja występująca samoistnie, bez działania
mutagenu, na przykład podczas replikacji DNA.
Mutacje spontaniczne pojawiają się ze stałą
regularnością. Częstość pojawiania się mutacji
spontanicznych służy jako  zegar ewolucyjny do
określania pokrewieństwa dwóch (lub więcej) odrębnych
gatunków.
INNE TYPY
MUTACJI
WARUNKOWE
Mutacje, których znaczenie ujawnia się jedynie w
określonych warunkach, takich jak na przykład niska
lub podwyższona temperatura.
ZA PROMOTOREM
Mutacje (polegające na zmianie w sekwencji par zasad)
w odcinku promotora; zwykle powodują one słabszą
ekspresję genu (zachodzi słabsza transkrypcja genu).
INNE TYPY MUTACJI
POLARNE
Mutacja w pojedynczym genie, która zmienia tempo
ekspresji genów sąsiadujących na tym samym
chromosomie.
WSTECZ
Powoduje odwrócenie zmutowanego genu w porównaniu z
rodzimą sekwencją zasad nukleotydowych.
WPRZÓD
Odwrócenie mutacji wstecz.
INNE TYPY MUTACJI
SUPRESOROWA
Mutacja odtwarzająca, przynajmniej w tym samym
stopniu, funkcję utraconą w wyniku mutacji pierwotnej
(mutacja supresorowa dotyczy innego miejsca niż
mutacja pierwotna).
NIESTABILNA
Mutacja, która ma duże prawdopodobieństwo powrotu
to postaci wyjściowej.
INNE TYPY
MUTACJI
POWYŻEJ
Odnosi się do każdej mutacji w obrebie promotora
genu lub w sekwencji poprzedzającej promotor, która
może zaburzać rozpoczęcie transkrypcji.
Mechanizmy powstawania
mutacji i naprawy DNA
1. Molekularne mechanizmy mutacji punktowych
2. Naprawa DNA:
- fotoreaktywacja
- naprawa przez wycinanie
- naprawa przez sprawdzanie poprawności
replikacji i wykrywanie nie sparowanych
zasad
- naprawa po replikacji
- naprawa pęknięć podwójnej helisy u ssaków
3. Przyczyny aberracji chromosomowych i
poliploidy
DNA podlega w komórkom licznym modyfikacjom
chemicznym, z który większość powoduje uszkodzenia
zawartej w nim informacji genetycznej (fakt o którym często
zapominamy w ferworze podniecenia, że możemy
sekwencjonować DNA z różnych próbek, w tym wysuszonych,
jak i zamrożonych). Jeżeli informacja genetyczna
zakodowana w DNA ma być poprawna to wszelkie
modyfikacje chemiczne muszą być na bieżąco korygowane.
Niezdolność do naprawy DNA
Prowadzi do utrwalenia mutacji.
Czynniki uszkadzające DNA
Określone długości fali promieniowania jonizującego, takie jak
promienie gamma i promienie X
Promienie ultrafioletowe, szczególnie UV-C (~260 nm) które są
absorbowane silnie przez DNA, ale również o większej długości UV-B,
które przenika przez warstwę ozonu.
Wysoko-reaktywne rodniki tlenowe produkowane w normalnym
oddychaniu komórkowym jak również w innych szlakach
biochemicznych.
Związki chemiczne w środowisku.
wiele węglowodorów, w tym niektóre występujące w dymie
papierosowym.
Niektóre produkty roślinne i mikroorganizmów, np.: aflatoksyny
wytwarzane w pleśni orzeszków ziemnych (fistaszków).
Związki chemiczne stosowane w chemioterapii, szczególnie w
chemioterapii nowotworów.
Rodzaje uszkodzenia DNA
Wszystkie cztery rodzaje zasad w DNA (A, T, C, G) mogą być
kowalencyjnie modyfikowane w różnych miejscach.
Najczęściej występuje utrata grupy aminowej ("deaminacja") 
prowadząca, np.: do zmiany C w U.
Brak parowania normalnych zasad wynikające z błędnego odczytu
podczas replikacji DNA. Częstym przykładem jest wbudowanie
pyrimidine U (normalnie występującej wyłącznie RNA) zamiast T.
Złamania w szkielecie. Mogą występować w jednej z dwóch nici
(złamanie jednej nici - ang. single-stranded break, SSB) lub w
obydwu niciach (złamanie obydwu nici  ang. double-stranded break
(DSB). Promieniowanie jonizujące jest częstą przyczyną złamań,
chociaż niektóre związki chemiczne również mogą powodować
pęknięcia nici.
Wiązania krzyżowe Kowalencyjne wiązania mogą powstawać między
zasadami w tej samej nici DNA (wewnątrzniciowe - ang.
"intrastrand") lub między różnymi niciami (międzyniciowe - ang.
"interstrand"). Liczne leki chemoterapeutyczne stosowanie w
leczeniu nowotworów mogą tworzyć wiązania krzyżowe w DNA.
Mechanizmy powstawania
mutacji i naprawy DNA
1. Molekularne mechanizmy mutacji punktowych
2. Naprawa DNA:
- fotoreaktywacja
- naprawa przez wycinanie
- naprawa przez sprawdzanie poprawności
replikacji i wykrywanie nie sparowanych
zasad
- naprawa po replikacji
- naprawa pęknięć podwójnej helisy u ssaków
3. Przyczyny aberracji chromosomowych i
poliploidy
Naprawa uszkodzonych zasad
Uszkodzone lub nieprawidłowe zasady mogą być naprawiane
przez kilka mechanizmów:
Bezpośrednie chemiczne odwrócenie uszkodzenia
Naprawa przez wycięcie, które usuwa uszkodzoną zasadę lub
kilka zasad i zastępuje je prawidłowymi na drodze lokalnej
syntezy DNA. Uznawane są trzy typy naprawy przez wycinanie,
z których każdy zależy od zestawu wyspecjalizowanych
enzymów.
Wycinanie zasad  ang. Base Excision Repair (BER)
Wycinanie nukleotydów  ang. Nucleotide Excision
Repair (NER)
Nparawa niesparowanych zasad  ang. Mismatch
Repair (MMR)
Naprawa uszkodzonych zasad
Bezpośrednie chemiczne odwrócenie uszkodzenia
Najczęstszą przyczyną mutacji punktowych u człowieka jest spontaniczne
dodanie grupy (CH3-) (alkilacja) do Cytydyn i następnie deaminacji do T.
Szczęśliwie większość tych zmian jest naprawiana przez enzymy zwane
glikozylazami, które usuwają nie sparowane T odtwarzając prawidłową C. Ta
naprawa przebiega bez konieczności przerwania ciągłości nici DNA
(przeciwnie niż w mechanizma wycinania opisanych dalej).
Niektóre leki stosowane w chemioterapii ("chemo") również uszkadzają DNA
przez alkilację. Niektóre grupy metylowe są usuwane przez białkowy produkt
genu MGMT. Jednakże, cząsteczka tego białko może katalizować tę reakcję
tylko jeden raz. W związku z tym usunięcie każdej nowej grupy metylowej
wymaga nowej cząsteczki białka.
Ilustruje to poważny problem mechanizmów bezpośredniego odwracania
uszkodzeń DNA, które cechuje rozrzutność. Każdy z niezliczonych typów
chemicznych uszkodzeń zasad wymaga własnego mechanizmu naprawczego.
Komórki potrzebują bardziej uniwersalnych mechanizmów zdolnych do
korekcji każdego rodzaju uszkodzeń chemicznych. Wymaganiu tego rodzaju
odpowiada mechanizm naprawy przez wycinanie.
Mechanizmy powstawania
mutacji i naprawy DNA
1. Molekularne mechanizmy mutacji punktowych
2. Naprawa DNA:
- fotoreaktywacja
- naprawa przez wycinanie
- naprawa przez sprawdzanie poprawności
replikacji i wykrywanie nie sparowanych
zasad
- naprawa po replikacji
- naprawa pęknięć podwójnej helisy u ssaków
3. Przyczyny aberracji chromosomowych i
poliploidy
Naprawa uszkodzonych zasad
Naprawa przez wycięcie zasady  ang. Base Excision
Repair (BER)
Etapy i kluczowi gracze:
Usunięcie uszkodzonej zasady (szacunkowo występuje około 20.000
razy dziennie w naszym organizmie!) przez glikozylazę DNA. Mamy co
najmniej 8 genów kodujących różne glikozylazy DNA, z których każda
odpowiada za identyfikację i usunięcie specyficznego rodzaju
uszkodzenia zasady.
Usunięcie fosforanu deoksyrybozy w szkielecie, tworzące przerwę.
Mamy dwa geny kodujące enzymy o tej funkcji.
Zastąpienie prawidłowym nukleotydem. Ta funkcja zależy od beta
polimerazy DNA, jednej z co najmniej 11 polimeraz DNA, których
geny znajdują się w naszym genomie.
Ligacja przerwanej nici. Dwa enzymy poznano dotychczas, które
katalizują tę reakcję, obydwa wymagają ATP jako z
ródła energii.
Naprawa uszkodzonych zasad
Naprawa przez wycięcie nukleotydu  ang. Nucleotide
Excision Repair (NER)
NER różni się od BER!!!
Wymaga innych enzymów!!!
Jeżeli nawet tylko jedna  zła zasada jest do naprawienia, to wraz z
uszkodzonym nukleotydem usuwanych jest kilka sasiednich; a zatem,
NER robi dużą  dziurę wokół uszkodzenia.
Naprawa uszkodzonych zasad
Naprawa przez wycięcie nukleotydu  ang. Nucleotide
Excision Repair (NER)
Etapy i kluczowi gracze:
Uszkodzenie jest rozpoznawane przez jedno lub więcej białek
tworzących kompleks w miejscu uszkodzenia.
DNA jest rozplatany i tworzy się "bąbel". Układ enzymów
uczestniczących to czynnik transkrypcyjny IIH, TFIIH, (który działa
także w normalnej transkrypcji).
Nacięcia wykonywane są po obydwu stronach 3' i 5' uszkodzenia celem
usunięcia ciągu zawierającego uszkodzenie.
Zachodzi miejscowa synteza DNA de nowo  używając nieszkodzonej
(komplementarnej) nici jako matrycy  wypełniając lukę prawidłowymi
nukleotydami.
Polimerazy DNA odpowiedzialne to polimerazy delta i epsilon.
Ligaza DNA łączy kowalencyjnie nowe końce przerwanej nici.
Mechanizmy powstawania
mutacji i naprawy DNA
1. Molekularne mechanizmy mutacji punktowych
2. Naprawa DNA:
- fotoreaktywacja
- naprawa przez wycinanie
- naprawa przez sprawdzanie poprawności
replikacji i wykrywanie nie sparowanych
zasad
- naprawa po replikacji
- naprawa pęknięć podwójnej helisy u ssaków
3. Przyczyny aberracji chromosomowych i
poliploidy
Naprawa uszkodzonych zasad
Naprawa niesparowanych zasad, ang. Mismatch repair (MMR)
MMR dotyczy korekty nukleotydów które nie spełniają zasady parowania zasad
Jeżeli polimeraza II RNA, posuwająca
według Watsona-Cricka (A:T, C:G). Mechanizm ten wymaga udziału licznych
się wzdłuż matrycy (antysens),
enzymów, które uczestniczą zarówno w mechanizmie BER, jak i w NER, a także
inne wyspecjalizowane enzymy. Brak parowania zasad jest rozpoznawany przez
napotka uszkodzoną zasadę może
kilkanaście enzymów w tym produkty genów MSH2 i MLH1. Mutacja każdego z
nich predestynuje nosiciela do dziedzicznej postaci raka jelita grubego. Geny te
rekrutować inne białka, takie jak
są więc uważane za geny supresorowe rozwoju guzów. Synteza  łatki
naprawczej jest katalizowana przez te same enzymy, które działają w
CSA i CSB i dokonywać błyskawicznej
mechanizmie NER, a więc polimerazy DNA delta i epsilon. Komórki
wykorzystują mechanizm MMR także do kontroli przebiegu rekombinacji, na
naprawy zanim zakończy transkrypcję
przykład upewniając się, że tylko odcinki homologiczne dwóch cząsteczek DNA
genu.
parują się po crossing over i rekombinują odpowiednie segmenty.
Mechanizmy powstawania
mutacji i naprawy DNA
1. Molekularne mechanizmy mutacji punktowych
2. Naprawa DNA:
- fotoreaktywacja
- naprawa przez wycinanie
- naprawa przez sprawdzanie poprawności
replikacji i wykrywanie nie sparowanych
zasad
- naprawa po replikacji
- naprawa pęknięć podwójnej helisy u ssaków
3. Przyczyny aberracji chromosomowych i
poliploidy
Naprawa pęknięć nici
Promieniowanie jonizujące i niektóre
związki chemiczne wywołują
zarówno:
Pęknięcia jednej nici (SSBs),
jak i obydwu (DSBs)
szkieletu DNA.
Naprawa pęknięć nici
Pęknięcia jednej nici
Single-Strand Breaks (SSBs)
Są naprawiane przez te same
enzymy, które uczestniczą
Base-Excision Repair (BER).
Naprawa pęknięć nici
Pęknięcia dwóch nici
Double-Strand Breaks (DSBs)
Dwa mechanizmy, przez które komórka
naprawia pęknięcia nici DNA:
1. Bezpośrednie łączenie końców pękniętej nici.
Wymaga to udziału białek, które rozpoznają i wiążą wolne końce i
zbliżają je do siebie celem ligacji. Enzymy preferują komplementarne,
lepkie końce, ale równie dobrze radzą sobie przy braku takowych.
2. A
ączenie niehomologicznych końców (NHEJ).
Naprawa pęknięć nici
Pęknięcia obydwu nici Double-Strand Breaks
(DSBs)
Błędy w bezpośrednim łączeniu mogą być przyczyną
różnych translokacji, które wiążą się z
nowotworami.
Przykłady:
Białaczka Burkitt a
chromosom Filadelfia w ostrej białaczce
szpikowej
Białaczka typu B
Naprawa pęknięć nici
Pęknięcia obydwu nici - Double-Strand Breaks (DSBs)
2. Rekombinacja homologiczna.
Końce pękniętej nici są łączone w oparciu o informację nie
uszkodzonej chromatydy siostrzanej (w G2 po duplikacji
chromosomów), lub na chromosomie homologicznym (w G1;
tzn., zanim chromosomy uległy duplikacji). Proces wymaga
poszukiwania homologu w jądrze komórkowym 
przedsięwzięcie wysoce niepewne (w G1 komórki preferują
naprawę DSBs przez NHEJ.
Dwa białka uczestniczą w homologicznej rekombinacji, a
mianowicie produkty genów BRCA-1 i BRCA-2.
Dziedziczne mutacje tych genów predysponują kobiety do
raka piersi i jajnika.
Naprawa pęknięć nici
Pęknięcia obydwu nici Double-Strand Breaks (DSBs)
Mejoza również charakteryzuje się powstawaniem DSBs
Rekombinacja między chromosomami homologicznymi
podczas mejozy cechuje się powstawaniem DSBs i
koniecznością ich naprawy.
Proces ten wymaga udziału takich samych enzymów jak
pęknięcia nici z innych przyczyn.