Em formação

Você consegue detectar se uma mutação é espontânea ou induzida?


É possível determinar se uma determinada mutação específica teve uma origem espontânea (por exemplo, de um erro da DNA polimerase) em oposição a uma origem induzida (por exemplo, de algum agente genotóxico)?


Aqui está uma resposta rápida; espero que alguém dê um mais completo. Mas enquanto isso você tem algo.

Alguns agentes genotóxicos apresentam resultados previsíveis. Por exemplo, eles fazem com que Gs substitua Cs ou causam mutações em pontos específicos do genoma. Então, se você tivesse um monte de mutações em uma única célula (ou coleção de células relacionadas) que correspondiam ao modus operandus de um agente genotóxico conhecido, então seria razoável concluir que as mutações foram induzidas. Mas nem todos os agentes genotóxicos são assim. E se você tiver apenas 1 ou 2 mutações, isso não é suficiente para provar que foram induzidas. Além disso, é claro, depende do tamanho da amostra e dos controles.


A resposta acima está quase certa. No laboratório, pode-se mostrar que as mutações induzidas são causadas pela exposição, em comparação com controles não expostos (por exemplo, em bactérias). As mutações induzidas terão uma frequência, posição e tipo que podem ser tipificados. Como um grupo, eles podem representar um "espectro" de mutações. Em um problema de caso real, como humanos expostos à exaustão de diesel, o número de mutações e seu tripé geralmente serão poucos para ter um "espectro". Ocorrência natural (uma designação incorreta grave por si só) também pode ocorrer nessas mesmas posições e tipos. A linguagem usual é que as mutações observadas são consistentes com uma exposição, mas não prova que a exposição as causou.


2.9: Mutações

Os erros que ocorrem durante a replicação do DNA não são a única maneira pela qual as mutações podem surgir no DNA. Mutações, variações na sequência de nucleotídeos de um genoma, também podem ocorrer devido a danos físicos ao DNA. Essas mutações podem ser de dois tipos: induzidas ou espontâneas. Mutações induzidas são aqueles que resultam de uma exposição a produtos químicos, raios ultravioleta, raios X ou algum outro agente ambiental. Mutações espontâneas ocorrem sem qualquer exposição a qualquer agente ambiental, são o resultado de reações bioquímicas espontâneas que ocorrem dentro da célula (incluindo erros de replicação).

As mutações podem ter uma ampla gama de efeitos. Algumas mutações não têm efeito sobre a função do gene, são conhecidas como mutações silenciosas. Mutações pontuais são aquelas mutações que afetam um único par de bases. As mutações de nucleotídeos mais comuns são as substituições, nas quais uma base é substituída por outra. As mutações também podem ser o resultado da adição de um nucleotídeo, conhecido como inserção, ou a remoção de uma base, também conhecida como deleção. Às vezes, um pedaço de DNA de um cromossomo pode ser unido a outro cromossomo ou a outra região do mesmo cromossomo, isso é conhecido como translocação.

Quando uma mutação ocorre em uma região codificadora de proteína, ela pode ter vários efeitos. As substituições de nucleotídeos podem não levar a nenhuma mudança na sequência da proteína (conhecido como mutações silenciosas), altere a sequência de aminoácidos (conhecido como mutações missense) ou crie um códon de parada (conhecido como mutação sem sentido) Inserções e deleções em sequências de codificação de proteínas levam a mutações frameshift. Mutações missense que levam a mudanças conservadoras resultar na substituição de aminoácidos semelhantes, mas não idênticos. Por exemplo, o aminoácido ácido glutamato substituído pelo aminoácido aspartato seria considerado conservador - eles têm a mesma carga. Em geral, não esperamos que esses tipos de mutações missense sejam tão graves quanto não conservador alteração de aminoácidos, como um glutamato substituído por uma valina (mudando de carregado para hidrofóbico). Com base em nossa compreensão da química do grupo funcional, podemos inferir corretamente que esse tipo de substituição pode levar a consequências funcionais graves, dependendo da localização da mutação.

Observe que o parágrafo anterior tinha muito vocabulário potencialmente novo - seria uma boa ideia aprender esses termos.

As mutações podem levar a alterações na sequência da proteína codificada pelo DNA.

Com base em sua compreensão da estrutura da proteína, quais regiões de uma proteína você acha que são mais sensíveis a substituições, mesmo substituições conservadas de aminoácidos? Porque?

Uma mutação de inserção que resulta na inserção de três nucleotídeos é freqüentemente menos deletéria do que uma mutação que resulta na inserção de um nucleotídeo. Porque?

Mutações: algumas nomenclaturas e considerações

Mutação

O termo mutação significa simplesmente uma mudança ou alteração. Em genética, uma mutação é uma mudança no material genético - sequência de DNA - de um organismo. Por extensão, um mutante é o organismo no qual ocorreu uma mutação. Mas a que é a mudança comparada? A resposta a esta pergunta é que ele & quotdepende & quot. A comparação pode ser feita com o progenitor direto (célula ou organismo) ou com padrões vistos em uma população do organismo em questão. Depende principalmente do contexto específico da discussão. Uma vez que os estudos genéticos frequentemente examinam uma população (ou subpopulações-chave) de indivíduos, começamos descrevendo o termo "tipo selvagem". Diferentes formas de um gene, incluindo aqueles associados com "tipo selvagem" e respectivos mutantes, em uma população são denominadas alelos.

Tipo selvagem vs mutante

O que queremos dizer com & quottipo selvagem & quot? Uma vez que a definição pode depender do contexto, esse conceito não é totalmente direto. Aqui estão alguns exemplos de definições que você pode encontrar:

Possíveis significados de & quotwild-type & quot

  1. Um organismo com uma aparência que é característica da espécie em uma população reprodutora natural (ou seja, manchas de chita e listras escuras em forma de lágrima que se estendem dos olhos à boca).
  2. A forma ou formas de um gene ocorrendo mais comumente na natureza em uma determinada espécie.
  3. Um fenótipo, genótipo ou gene que predomina em uma população natural de organismos ou linhagem de organismos em contraste com as formas mutantes naturais ou de laboratório.
  4. Também é geralmente seguro dizer que um alelo completamente defeituoso (digamos, um alelo com um códon de parada precoce), que não pode codificar uma versão funcional do gene, é um derivado mutante do alelo de tipo selvagem.

Dito isso, no entanto, pode ser a & quotnorm & quot para um espécie inteira a falta de uma versão funcional de um gene que serve a um propósito em uma espécie intimamente relacionada. Nesse caso, uma pessoa razoável poderia descrever esse gene não funcional como o alelo de tipo selvagem para aquela espécie! No entanto, genes que não podem ser, e nunca são, expressos em uma espécie são referidos como psuedogenes.

O traço comum a todas as definições listadas acima é baseado na "norma" para um conjunto de características com respeito a uma característica específica em comparação com a população geral. Na "Idade de sequenciação pré-DNA", as espécies foram classificadas com base em fenótipos comuns (como eram, onde viviam, como se comportavam, etc.). Uma "norma" foi estabelecida para a espécie em questão. Por exemplo, os Corvos apresentam um conjunto comum de características, são pássaros grandes e pretos que vivem em regiões específicas, comem certos tipos de alimentos e se comportam de uma determinada maneira característica. Se virmos um, sabemos que é um corvo com base nessas características. Se víssemos um com cabeça branca, pensaríamos que ou é um pássaro diferente (não um corvo) ou um mutante, um corvo que tem alguma alteração da norma ou um tipo selvagem.

Nesta aula, pegamos o que é comum sobre essas definições variáveis ​​e adotamos a ideia de que o "tipo selvagem" é simplesmente um padrão de referência com o qual podemos comparar os membros de uma população.

Se você estivesse atribuindo características de tipo selvagem para descrever um cão, quais seriam elas? Qual é a diferença entre uma característica mutante e variação de uma característica em uma população de cães? Existe um tipo selvagem para um cão que possamos usar como padrão? Como começaríamos a pensar sobre esse conceito em relação aos cães?

As mutações podem levar a mudanças na sequência da proteína codificada pelo DNA que, então, afeta a aparência externa do organismo. Fonte: http: //blogs.brandeis.edu/flyonthewa. y-na-vida /

Mutações são simplesmente mudanças do "tipo selvagem", referência ou sequência parental para um organismo. Embora o termo & quotmutação & quot tenha conotações coloquialmente negativas, devemos lembrar que a mudança não é inerentemente & quot ruim & quot. Na verdade, as mutações (mudanças nas sequências) não devem ser pensadas principalmente como "ruins" ou "boas", mas simplesmente como mudanças e uma fonte de diversidade genética e fenotípica na qual a evolução por seleção natural pode ocorrer. Em última análise, a seleção natural determina o destino de longo prazo das mutações. Se a mutação conferir uma vantagem seletiva ao organismo, a mutação pode eventualmente se tornar muito comum na população. Por outro lado, se a mutação for deletéria, a seleção natural garantirá que a mutação será perdida da população. Se a mutação for neutra, ou seja, não oferece vantagem nem desvantagem seletiva, pode persistir na população.

Consequências de mutações

Para um indivíduo, a consequência das mutações pode significar pouco ou pode significar vida ou morte. Algumas mutações deletérias são nulo ou Nocaute mutações que resultam na perda de função do produto do gene. Essas mutações podem surgir por uma deleção de todo o gene, uma parte do gene, por uma mutação pontual em uma região crítica do gene que torna o produto do gene não funcional, por meio de uma mutação sem sentido no início da sequência de codificação, ou através de uma mutação frame-shift. Esses tipos de mutações também são chamados de perda de função mutações. Alternativamente, as mutações podem levar a uma modificação de uma função existente (ou seja, a mutação pode alterar a eficiência catalítica de uma enzima, uma mudança na especificidade do substrato ou uma mudança na estrutura). Em casos raros, uma mutação pode criar uma função nova ou aprimorada para um produto gênico, muitas vezes chamada de ganho de função mutação. Por último, as mutações podem ocorrer em regiões de DNA não codificantes de proteínas. Se essas mutações ocorrerem em regiões do gene que não são codificantes, mas ainda assim importantes para a expressão do gene (como um promotor), elas também podem afetar fortemente a função do gene.

Na discussão acima, que tipos de cenários permitiriam a tal mutante de ganho de função a capacidade de competir com um indivíduo de tipo selvagem dentro da população? Como você acha que as mutações se relacionam com a evolução?

Mutações e câncer

As mutações podem afetar células somáticas ou células germinativas. Às vezes, as mutações ocorrem nos genes de reparo do DNA, comprometendo a capacidade da célula de consertar os danos e, possivelmente, aumentando a taxa de mutação. Se, como resultado de mutações nos genes de reparo do DNA, muitas mutações se acumulam em uma célula somática, elas podem levar a problemas como a divisão celular descontrolada observada no câncer. Cânceres, incluindo formas de câncer de pâncreas, câncer de cólon e câncer colorretal, foram associados a mutações como essas em genes de reparo de DNA. Da mesma forma, os defeitos de reparo podem ser transmitidos de geração em geração (devido à sua natureza recessiva). Embora a frequência de tais mutações na população em geral seja baixa, ocasionalmente indivíduos inconscientemente heterozigotos para o defeito de reparo têm filhos que herdam os dois alelos defeituosos. No caso de indivíduos homozigotos XP com processos de reparo de DNA comprometidos tornam-se muito sensíveis à radiação UV. Em casos graves, esses indivíduos podem ter queimaduras solares graves com apenas alguns minutos de exposição ao sol. Quase metade de todas as crianças com essa condição desenvolve seu primeiro câncer de pele aos 10 anos.

Consequências de erros na replicação, transcrição e tradução

Algo importante para se pensar:

As células desenvolveram uma variedade de maneiras para garantir que os erros de replicação sejam detectados e corrigidos, desde a revisão pelas várias DNA polimerases dependentes de DNA até sistemas de reparo de incompatibilidade mais complexos. Por que tantos mecanismos diferentes evoluíram para reparar erros no DNA? Em contraste, mecanismos semelhantes de revisão de provas NÃO evoluíram para erros na transcrição ou tradução. Por que isso pode ser? Quais seriam as consequências de um erro no transcrição? Tal erro afetaria a descendência? Seria letal para a célula? A respeito tradução? Faça as mesmas perguntas sobre o processo de tradução. O que aconteceria se o aminoácido errado fosse acidentalmente colocado no polipeptídeo em crescimento durante a tradução de uma proteína? Compare isso com a replicação do DNA.

Mutações como instrumentos de mudança

As mutações são como as populações podem se adaptar às mudanças nas pressões ambientais.

As mutações são criadas aleatoriamente no genoma de cada organismo e isso, por sua vez, cria diversidade genética e uma infinidade de alelos diferentes por gene por organismo em cada população do planeta. Se as mutações não ocorressem e os cromossomos fossem replicados e transmitidos com 100% de fidelidade, como as células e os organismos evoluiriam? Se as mutações são retidas em uma população depende em grande parte se a mutação fornece vantagem seletiva (ou seja, aumenta a frequência de reprodução desse alelo), apresenta algum custo seletivo ou é, pelo menos, não prejudicial. Na verdade, as mutações que parecem neutras podem persistir na população por muitas gerações e só ter significado quando uma população é desafiada por um novo desafio ambiental. Neste ponto, as mutações aparentemente neutras podem fornecer uma vantagem seletiva.

Exemplo: resistência a antibióticos

A bactéria E. coli é sensível a um antibiótico chamado estreptomicina, que inibe a síntese de proteínas ao se ligar ao ribossomo. A proteína ribossomal L12 pode sofrer mutação de modo que a estreptomicina não se ligue mais ao ribossomo e iniba a síntese de proteínas. Os mutantes de tipo selvagem e L12 crescem igualmente bem e a mutação parece ser neutra na ausência do antibiótico. Na presença do antibiótico, as células do tipo selvagem morrem e os mutantes L12 sobrevivem. Este exemplo mostra como a diversidade genética é importante para a sobrevivência da população. Se as mutações não ocorressem aleatoriamente, quando a população fosse desafiada por um evento ambiental, como a exposição à estreptomicina, toda a população morreria.

Erros não corrigidos na replicação do DNA levam à mutação. Neste exemplo, um erro não corrigido foi transmitido para uma célula filha bacteriana. Esse erro está em um gene que codifica uma importante proteína ribossômica. A mutação resulta em uma estrutura 3D final diferente da proteína do ribossomo. Embora o ribossomo selvagem possa se ligar à estreptomicina (um antibiótico que mata a célula bacteriana ao inibir a função do ribossomo), o ribossomo mutante não pode se ligar à estreptomicina. Esta bactéria agora é resistente à estreptomicina e irá naturalmente superar as bactérias que carregam a sequência do tipo selvagem, na presença da droga.
Fonte: Intelligent Design Center (sim, realmente)


Mutação: Definição, Detecção e Tipos | Genética

A hereditariedade resulta na reprodução precisa dos genes. Durante a divisão celular, os cromossomos e os shysomes se dividem para dar origem aos cromossomos filhos. Os cromossomos são cercados de genes e, conseqüentemente, a duplicação de cromossomos significa, de certa forma, a duplicação de genes.

Os genes sempre surgem de genes existentes, embora o material para a síntese venha de fontes nutricionais. O gene recém-formado é uma réplica exata do gene pai.

O processo de reprodução do gene, embora exato, às vezes apresenta um erro de cópia. A cópia do gene difere do original e o gene modificado produz novamente sua estrutura alterada. Este erro na cópia é mutação.

Assim, a mutação é uma mudança no gene, potencialmente capaz de ser transmitida na forma alterada. A mutação ocorre nos genes (mutação do gene) e também nos cromossomos (mutação cromossômica). Os cromossomos geralmente se reproduzem e se reproduzem com fidelidade e precisão. Às vezes, um cromossomo pode ser alterado pela perda de algumas partes dos genes, por reduplicação, por translocação ou por inversão.

Os casos de aparecimento súbito de novos tipos hereditários em plantas e animais foram registrados pelos criadores. Esses novos tipos foram chamados de esportes. O apelo e afastamento do cordeiro Ancon (cordeiro com pernas curtas e arqueadas), gado sem chifres, gatos com dois dedos, ratos albinos são todos exemplos de mutações espontâneas e tímidas.

Na época de Darwin, esses esportes foram considerados insignificantes. Eles foram considerados como monstruosidades, e não como a origem de novos tipos viáveis. O aparecimento de uma série de esportes em Oenothera lamarckiana levou de Vries a apresentar sua teoria da mutação e da timidez.

Os mutantes marcantes em Oeno e shythera são formas como gigantes que tinham tamanho grande, nanelas que eram anãs e muitas outras formas que diferem em cor, tamanho ou formato de várias partes. De Vries introduziu o termo & # 8216Mutação & # 8217 ou & # 8216Saltação & # 8217 para designar esses esportes.

3. Aniridia no homem como um caso de mutação:

Os genes são responsáveis ​​pelos personagens. No homem é conhecida a existência de um gene que regula a formação da íris normal do olho. Às vezes, esse gene fica tão alterado que a íris não se desenvolve. A falha de desenvolvimento da íris é conhecida como aniridia. A mutação e inibição desse gene ocorre na célula germinativa de um homem e é transferida para o zigoto, que finalmente se desenvolve em um novo homem.

O gene mutado é um gene dominante e, como resultado, o novo indivíduo nasce sem íris no olho. O gene mutado permeia as células germinativas desse homem anirídico que acabará por produzir metade das células germinativas com esse gene mutante (Fig. 2.28).

4. Detecção de mutação:

As mutações produzem efeitos visíveis e letais e é possível detectar ambos os efeitos.

eu. Detecção de mutação visível:

As mutações podem ser produzidas artificialmente pela aplicação de diferentes métodos. Se uma mutação não letal visível for produzida, ela será detectada prontamente, desde que o gene que sofre mutação seja dominante.

Em uma cepa peculiar de Drosophila melanogaster conhecida como & # 8216attached-X & # 8217, uma condição muito favorável está presente e, por causa dessa condição, uma mutação visível, mas recessiva, pode ser detectada facilmente. Na cepa & # 8216attached-X & # 8217, as fêmeas têm dois cromossomos X ligados um ao outro nas extremidades mais próximas do centro & shymere e um cromossomo Y.

Como os dois cromossomos X estão ligados, eles sempre tendem a ir para o mesmo pólo durante a meiose. Quando tal mulher é cruzada com um homem normal, surge a possibilidade teórica da formação de quatro tipos de indivíduos.

(a) X + Y anexado - quando os dois X anexados da mulher se unem ao cromossomo Y do homem.

(b) X + Y masculino - Quando o cromossomo Y e o tímido da mulher se unem com o cromossomo X e o tímido do homem. Este é um homem normal.

(c) X + X anexado - Quando os dois X anexados da fêmea se unem com o X do macho. Esses indivíduos estão com um total de três cromossomos X? e são chamadas de superfemininas, que morrem em um estágio muito inicial de desenvolvimento.

(d) Y + Y — Quando o cromossomo Y da mulher se une ao cromossomo Y do homem. Esses são indivíduos incompletos e morrem em um estágio inicial.

Assim, um cruzamento entre mulheres X apegadas e tímidas e machos normais produz fêmeas X apegadas & # 8217, machos normais e algumas super fêmeas não tímidas e indi & tímidos incompletos. A característica mais digna de nota de tal cruzamento é que o macho normal da prole recebe seu cromossomo X do macho e não da fêmea.

No método X anexado, os machos normais são tratados com raios X & # 8217 e então acasalados com fêmeas X anexadas. Como os filhos em tal cruzamento recebem seu cromossomo X e tímido do pai, torna-se muito fácil detectar qualquer mutação que possa ocorrer no cromossomo X tratado - do homem.

ii. Detecção de letais induzidas:

Para estimar a frequência das mutações letais induzidas que são produzidas nos cromossomos X, as moscas Drosophila machos são expostas a radiação de tipo e intensidade conhecidos. Eles são então acasalados com fêmeas normais ou não irradiadas.

Se um letal for produzido no cromossomo X do homem, não será detectado na primeira geração das mulheres porque elas serão & # 8216 mascaradas & # 8217 pelo & # 8216não letal & # 8217 do cromossomo X da mãe . Mas se os descendentes femininos resultantes forem novamente acasalados com machos normais, a mutação reaparecerá na próxima geração e se manifestará como uma deficiência na população masculina.

É óbvio que o cromossomo X tratado do homem passa para uma mulher e, subsequentemente, novamente para o homem. Esses netos não têm cromossomo X diferente daquele recebido do avô e a presença de um cromossomo X letal resulta na morte prematura de todos os machos.

Uma técnica muito simples e padrão foi desenvolvida por Muller para a detecção e inibição de novos letais no cromossomo X de Drosophila melanogaster. A técnica é conhecida como método CIB.

O método emprega um estoque especial de mosca Drosophila fêmea. Um cromossomo X de tal mosca fêmea carrega um gene letal recessivo (1) um gene dominante (B) para o olho de barra e um gene dominante (G) que é um supressor cross & shyover além de outros genes.

Essas fêmeas com um cromossomo X como marcador são acasaladas com machos irradiados. Um quarto dos descendentes produzidos a partir de tal cruzamento receberá um cromossomo X CIB e um cromossomo X irradiado e serão fêmeas.

Um quarto dos descendentes será do sexo masculino com um cromossomo GIB e acabará morrendo por causa da presença do caráter letal (1). A metade restante da progênie não terá o cromossomo GIB e, como tal, eles serão normais em sua estrutura ocular. Essas moscas serão descartadas. As fêmeas CIB com cromossomo X tratado serão então acasaladas com machos normais.

Deve ser lembrado que, em uma mulher normal, o cruzamento ocorre entre os dois cromossomos X. Mas no cromossomo CIB esse cross-over não é possível devido à presença do gene C, que é um supressor de cross-over.

Assim, a chance de transferência do letal induzido do cromossomo irradiado para o cromossomo não irradiado torna-se nula. O uso do gene B é para iden e tificar as moscas que possuem o supressor de cross-over (Fig. 2.29).

Assim, quando as fêmeas com um cromossomo X CIB e um cromossomo X tratado e tímido são acasaladas com machos normais, metade dos filhos machos não conseguirá sobreviver devido à tímida presença do gene letal, 1. No caso de a irradiação induzir qualquer novo letal, a outra metade dos machos morrerão.

5. Tipos de mutação:

As mutações que ocorrem nos genes que são somáticos ou vegeta & tímidos neste local foram denominadas mutação somática. A maioria das mutações observadas por de Vries em Oenothera lamarkiana eram mutações somáticas. Posteriormente, a presença de mutação somática no tecido endospérmico do milho foi demônios e tímida por Emerson.

A mutação que ocorre nas células germinativas (espermatozoides ou óvulo) foi denominada mutação germinativa. Essas mutações são novamente divididas em gaméticas quando ocorrem nos gametas e zigóticas quando ocorrem no zigoto.

iii. Mutação espontânea:

As mutações que ocorrem naturalmente são as mutações espontâneas. Agências naturais são responsáveis ​​pela produção de tais mutações. O aparecimento de um homem de olhos brancos em uma cultura de Drosophila de Morgan do tipo selvagem é um caso clássico de mutação espontânea. A presença de tal mutação fala a favor da evolução.

É possível inibir a mutação pela aplicação de meios artificiais. Qualquer agente que pode produzir mutação é denominado agente mutagênico. Muitos desses agentes são conhecidos. Os mais importantes são os raios X, raios ultravioleta, rádio, calor e temperatura, gás mostarda, alcatrão de carvão, formaldeído, café, etc.

v. Mutação anomozigótica:

Mutações devido a mudanças estruturais de um cromossomo ou de um conjunto de cromossomos foram denominadas mutação anomozigótica. Mudanças estruturais nos cromossomos são causadas por translocação, inversão, duplicação e deficiência.

vi. Mutação bioquímica:

Mutações que afetam processos bioquímicos específicos são chamadas de mutação bioquímica. Tal mutação que ocorre em um indivíduo inibe sua capacidade de sintetizar mate e shyrials essenciais como vitaminas ou aminoácidos. A inibição pode ser total ou parcial.

Na inibição parcial ocorre um bloqueio parcial nas etapas de um processo de síntese. Mutações bioquímicas e tímicas de Neurospora são bem estudadas. A alcaptonúria e fenil & shicetonúria do homem são exemplos de mutações bioquímicas e tímicas.

A maioria das mutações é letal. Essas mutações causam perda ou alteração e alteração de uma função durante a embriogênese. Mutações bioquímicas são principalmente letais. Mas, em alguns casos, organismos com mutações bioquímicas e tímicas podem prosperar bem se o metabólito que eles não podem sintetizar for fornecido exogenamente e, em tais casos, as mutações bioquímicas não são consideradas letais.


Notas rápidas sobre mutação genética

Aqui está uma compilação de notas sobre a mutação genética. Depois de ler essas notas, você aprenderá sobre: ​​1. Introdução à mutação genética 2. Origem da mutação genética 3. Efeitos 4. Direção 5. Tipos 6. Indução 7. Base molecular 8. Detecção 9. Importância.

  1. Notas sobre a introdução à mutação genética
  2. Notas sobre a origem da mutação genética
  3. Notas sobre os efeitos na mutação genética
  4. Notas sobre a direção da mutação genética
  5. Notas sobre os tipos de mutação genética
  6. Notas sobre a indução da mutação genética
  7. Notas sobre a base molecular da mutação genética
  8. Notas sobre a detecção de mutação genética
  9. Notas sobre a importância da mutação genética

Nota # 1. Introdução à mutação genética:

A herança é baseada em genes que são transmitidos fielmente de pais para filhos & # 8217s durante a reprodução. Diferentes mecanismos evoluíram para facilitar a transmissão fiel de materiais genéticos (informações) de geração em geração. No entanto, erros ou alterações no material genético ocorrem. Essas mudanças repentinas e hereditárias no material genético são chamadas de mutações.

Hugo de Vries usou o termo & # 8216mutação & # 8217 para descrever alterações fenotípicas que eram herdáveis. O termo & # 8216mutação & # 8217 refere-se tanto à mudança no material genético quanto ao processo pelo qual a mudança ocorre.

Um organismo que exibe um novo fenótipo como resultado da presença de mutação é denominado mutante. No entanto, o termo mutação é freqüentemente usado em um sentido bastante estrito para cobrir apenas as mudanças que alteram a estrutura química do gene no nível molecular.

Essas são comumente chamadas de mutações genéticas ou mutações pontuais. Um gene que representa um segmento particular de DNA com sequência de base característica transcreve m-RNA com sequência de código particular, o códon é tripleto para ser traduzido em proteína de sequência de aminoácidos definida. A mutação envolve a mudança na sequência de bases do DNA, que se reflete na sequência de aminoácidos da proteína por meio do RNA.

Nota # 2. Origem da mutação genética:

A. Mutação espontânea - a mutação ocorre durante atividades celjulares normais, principalmente replicação e reparo de DNA.

B. Mutação induzida - a mutação ocorre como resultado do tratamento com um agente mutagênico ou a taxa de mutação do ambiente é geralmente mais alta do que os níveis de fundo.

eu. A radiação ionizante - raios α-, β-, y- ou X geralmente resulta em deleções ou inserções de DNA.

ii. Radiação não ionizante - a luz ultravioleta faz com que as timinas adjacentes em uma fita de DNA se liguem (dímero de timina), resultando em uma estrutura que deve ser reparada para que a replicação do DNA prossiga. O reparo ineficiente pode levar a mutações pontuais.

iii. Produtos químicos - substâncias químicas que interagem com o DNA para criar mudanças de base.

(a) Análogos de base - produtos químicos que são estruturalmente semelhantes às bases no DNA, mas podem ter diferentes propriedades de emparelhamento de bases, o bromouracil (BU) é estruturalmente semelhante à timina, então será incorporado em uma fita de DNA em crescimento no lugar de T, mas devido ao seu propriedades ele pares de bases mais frequentemente com G do que com A. O efeito mutagênico é principalmente devido ao pareamento incorreto de bases com G, levando a transições GC-AT.

(b) Modificadores de base - produtos químicos que fazem alterações em uma base específica alterando sua capacidade de emparelhar de forma adequada, por exemplo, a desaminação da citosina cria uma base de uracila que irá emparelhar com um A em vez do G anteriormente designado pelo C original, ou agentes alquil e shylating que adicionam um grupo metil fazendo com que a guanina pareie incorretamente com a timina.

(c) Agentes intercalantes - substâncias químicas que se inserem na hélice do DNA, impedindo a replicação do DNA e os problemas de transcrição geralmente resultam em deleções ou inserções.

C. Mutações mutantes - mutações que influenciam a mutabilidade de outros genes.

eu. Mutadores específicos - limitados a um locus.

ii. Mutadores inespecíficos - o efeito não é específico para um locus, essas mutações são genéticas e timidamente em genes que controlam o reparo do DNA.

Nota # 3. Efeitos na mutação genética:

eu. Efeito na proteína (códons):

A. Mutação silenciosa - mudança em um códon (geralmente na terceira posição) que não altera o aminoácido codificado.

B. Mutação sem sentido - mudança em um códon da especificidade do aminoácido para um códon de parada resulta na terminação prematura da cadeia de aminoácidos durante a tradução.

C. Mutação missense - mudança em um códon que muda a especificidade para um aminoácido diferente muda a sequência primária da cadeia polipeptídica e altera a função da proteína.

D. Mutação neutra - mudança no códon de modo que um aminoácido diferente seja especificado como e quando, o novo aminoácido se comporta de forma semelhante ao original (por exemplo, tem uma função e grupo shynal semelhantes) e não altera a função da proteína.

E. Mutação de deslocamento de quadro - um deslocamento do quadro de leitura causado por uma deleção ou inserção de um ou alguns nucleotídeos cria numerosos códons sem sentido e sem sentido a jusante do evento mutacional.

ii. Efeito na função do gene:

A. Mutação de perda de função - uma mutação que resulta na falta de função do gene, pode resultar de vários tipos diferentes de mutações e é de natureza recessiva.

B. Mutação de ganho de função - uma mutação que resulta em uma função de gene nova ou diferente, que pode resultar de vários tipos diferentes de mutações e é de natureza dominante.

iii. Efeito no DNA:

A. Mutações estruturais - mudanças no conteúdo de nucleotídeos do gene.

1. Mutações de substituição de base - substituição de um nucleotídeo por outro.

(a) Mutações de transição substituem uma purina por outra purina ou uma pirimidina por outra pirimidina.

(b) Mutações de conversão substituem uma purina por uma pirimidina ou vice-versa.

2. Mutações de deleção - perda de alguma porção do DNA.

3. Mutações de inserção - adição de um ou mais nucleotídeos extras.

B. Rearranjos cromossômicos - alterar a localização de um pedaço de DNA dentro do genoma pode resultar em grandes mudanças estruturais (translocações ou inversões) nos genes ou pode alterar a expressão de um gene, colocando-o sob o controle de um promotor diferente (chamado de & # 8220 efeito de posição & # 8221).

1. Translocations — movement of DNA to a nonhomologous chromosome usually an exchange occurs between two nonhomologous chromosomes.

2. Inversions — movement of DNA within the same chromosome a 180° rotation or “flip”.

4. Magnitude of phenotypic effect:

A. Change in mutation rate — alleles mutate at different rates some can be distinguished based on their rate of mutation.

B. Isoalleles — produce identical phenotypes in homozygous or heterozygous combinations with each other, but prove to be distinguishable when in combination with other alleles.

C. Mutants affecting viability

1. Subvitals — relative viability is greater than 10% but less than 100% compared with wild type.

2. Semilethals — cause more than 90% but less than 100% mortality.

3. Lethals — kill all individuals before adult stage.

Note # 4. Direction of Gene Mutation:

A. Forward mutation — creates a change from wild type to abnormal phenotype.

B. Reverse or back mutation — changes an altered nucleotide sequence back to its original sequence.

C. Suppressor mutations — produces a change from abnormal (i.e., mutated) phenotypes back to wild type. There are two types of suppressor mutations.

1. Intragenic suppressor — a mutation in the same gene as was originally mutated, but at a different site, that results in restoration of wild-type function (e.g., if an arginine codon CGU was originally mutated to serine codon-, AGU, the suppression causes a change back to an arginine codon, AGA also, restoration of a reading frame by additions or deletions)

2. Intergenic suppressor — a mutation in another gene that results in restoration of wild- type function (e.g., a nonsense mutation may be suppressed by a mutation in the tRNA for that codon so that it now inserts an amino acid). These are sometimes referred to as suppressor genes or extragenic suppressors.

Note # 5. Types of Gene Mutation :

eu. Morphological Mutation:

This involves changes in morphology including colour, shape, size, etc., e.g., albino ascospores in Neurospora, kernel colour in corn, curly wings in Drosophila, and dwarfism in pea.

This involves genotypic changes leading to death of an individual. Example includes albino mutation resulting from chlorophyll deficiency in plants.

iii. Biochemical Mutation:

Biochemical mutations are identified by a deficiency, so that the defect can be overcome by supply­ing the nutrient or any other chemical com­pound, for which the mutant is deficient. Such mutation has been studied in bacteria and fungi, as well as blood disorders in human.

4. Resistant Mutation:

Resistant mutations are identified by their ability to grow in pres­ence of an antibiotic (e.g., streptomycin, ampicillin, cycloheximide) or a pathogen, to which wild type is susceptible.

v. Conditional Mutation:

Conditional muta­tions are those which permit the mutant phenotype to be expressed only under cer­tain restrictive conditions (e.g., high temp.). Under normal condition termed as permis­sive condition the mutants express normal phenotype.

vi. Somatic and Germinal Mutation:

During development of organisms, mutation may occur in any cell at any stage of the cell cycle. If a mutation occurs in the somatic cell of the organism, it immediately reproduces other cells like itself resulting chimera, but not the whole organism being mutated. When the new individual develops from such cells through vegetative means, it is said to be somatic mutation.

When, however, mutation occurs in the germ cells, it can pro­duce entirely a new organism and the type of mutation is known as germinal mutation.

vii. Missense Mutation:

A missense mutation is one which results in replacement of one amino acid in a polypeptide chain by ano­ther. As a result of mutation, one base of a codon may be substituted by another base. The changed codon may then code for another amino acid.

viii. Nonsense Mutation:

Of the 64 codons 61 code for amino acids, while three are termi­nation codons which do not specify any amino acid. The three termination codons are UAA, UGA and UAG. Any mutation resulting in the alteration of a codon speci­fying an amino acid to a termination codon is called nonsense mutation. Thus if the codon UAC (for tyrosine) undergoes a one base substitution (C G) it becomes UAG, a termination codon.

A nonsense mutation leads to termination of polypeptide synthe­sis. As a result the polypeptide is incom­plete. Such chains are likely to be biologi­cally inactive. A nonsense mutation causes a relatively drastic change in the enzyme synthesized and as such likely to have a deleterious effect on the phenotype.

A mutation which does not result in phenotypic change is called a silent mutation. Silent mutations are of different types.

(a) The genetic code is degenerate, i.e., more than one codon may specify an amino acid. Therefore, when a mutated codon codes for the same amino acid as the original, there is no change in amino acid.

(b) The codon change may result in one amino acid substitution but this is not sufficient to modify the function of pro­tein appreciably.

(c) The mutation may occur in a non­functional gene.

x. Suppressor Mutation:

The effect of a muta­tion on the phenotype can be reversed so that original wild type phenotype is brought back. A second mutation at a different site neutralizes the effects of the first mutation.

XI. Spontaneous and Induced Mutation:

Mutations may arise spontaneously in nature. They may be artificially induced, or may be caused by environment agents. Induced mutations are thus resulting from exposure of organisms to mutagenic agents such as ionizing irradiation, ultraviolet light or various chemicals which react with genes. Mutations can be classified on the basis of several criteria (Table 13.1).

Note # 6. Induction of Gene Mutation:

Mutations can be artificially induced with the help of mutagenic agents or mutagens which can be broadly grouped into physical mutagens and chemical mutagens (Table 13.2).

These include various kinds of radiations including X-rays whose mutagenic effect was first demonstrated by Muller and Stadler. Radiations may be ionizing or non-ionizing. Ionizing radiations will cause ionization and will force ejection of an electron from the atom it attacks. X-rays, gamma rays, beta rays and neutrons are common ionizing radiations used for inducing mutations.

Non­-ionizing radiations like UV do not cause ioniza­tion, but cause excitation through energy trans­fer.

Auerbach in Drosophila was the first to demonstrate that mutation can be induced by certain chemicals. Later Oehelkers demonstrated the same effect in plants. At pre­sent, there are a variety of chemical substances known which cause mutations in plants and ani­mals.

Majority of chemicals, even water from certain sources may cause dis-balance in metabolism and mutation. As such, any com­mercial or medical products, before being released, are tested for the mutagenic effects. Mustard gas, EMS have been most extensively used for induction of mutation.

In addition, low pH as well as high temperature may cause mutation. Mutation rate is also influenced by aging of the organism.

Clastogens, Carcinogens and Teratogens:

Clastogens are agents causing effects include chromosomal alterations — breaks, gaps, fragments, lagging, sticky bridge, pulve­rization, stickiness, waviness, wooliness, poly­ploidy, inversion, translocation, sister chromatid exchanges and associated aberrations. Clasto­gens include both chemical (gammexene) and physical (X-ray) agents.

The clastogenic effects are often used as parameters of genotoxicity. The end points for the test of genotoxicity at the microscopic level are chromosomal changes, fragments and micronuclei, mostly observed at the metaphase and later stages.

The standard test system used in higher plants are Allium cepa, Tradescantia virginiana, Vicia faba, Hordeum vulgare and Zea mays. All clastogens, in general, are mutagens as well, but all mutagens are not necessarily clastogens. Specially those which cause point mutation like X-rays in low dosage is a mutagen whereas in high dosage it may be clastogen.

Carcinogens are a group of chemicals which causeancer in animals and humans. The carcino­gens affect DNA, preventing it from giving the necessary directions for the synthesis of sub­stances which control cell growth. Most carcino­gens act as mutagens and both kinds of effects are related to DNA damage.

Radiation and many chemical carcinogens act by damaging DNA and inducing mutations. Most common carcinogens are aflatoxin, dimethyl nitrosamine, nickel- carbonyl, benzo (α-) pyrene, α-naphthylamine, vinyl chloride, etc.

Teratoma are considered as abnormal body developments in early embryogenesis. The agents either physical (X-ray) or chemical (cocaine) which cause such abnormalities are termed as teratogens. The susceptibility to terato­gens is also a factor controlled by individual genetic system.

Ames test, developed by Bruce Ames, is a rapid inexpensive and easy test for mutagens. This is a screening method for measuring the ability of potential carcinogens to induce mutations (most carcinogens act as mutagens). He worked with a strain of Salmonella typhimurium that requires histidine to grow.

However, it will grow in presence of a carcinogenic muta­gen that causes the defective gene in histidine pathway to revert to the wild type.

Histidine auxotrophic bacteria are plated onto agar containing very little histidine and treated with substance under test. Only those bacteria that revert to the wild type, be able to synthesize histidine, will form colonies (Fig. 13.1A). Colony counting indicates the mutagenicity of the substance to be tested.

The test can be modified to detect pro-carcinogens by adding rat liver homogenates to the medium which causes biochemical modifications of the chemi­cal to become carcinogenic.

Note # 7. Molecular Basis of Gene Mutation:

The mutation may arise out of:

A. Base-pair Substitution:

Base-pair sub­stitution results in the incorporation of wrong bases during replication or repair of DNA. In base-pair changes, one base of triplet codon is substituted by another, resulting in changed codon. If the original message or reading frame is CAC GAC CAC GAC CAC, after A being substi­tuted by G in the third codon, it will be CAC GAC CGC GAC CAC.

Sickle cell anaemia in human is due to base- pair substitution, a kind of point mutation. The RBC of such individual contains an abnormal haemoglobin and are elongated filamentous sickle shaped. It is inheritable and recessive in nature.

B. Frame Shift Mutation:

A mutation in which there is deletion or insertion of one or a few nucleotides is called frame shift mutation. The name is derived from the fact that there is shift in the reading frame backward or forward by one or two nucleotides. Addition or deletion of one or two bases results in new sequence of codons which may code for entirely different amino acids and the proteins often become non­functional.

If shift involves three nucleotides, the resulting protein is with minor changes in amino acid sequence (only against the region from first base change to third base change of the reading frame). If the original message or reading frame is CAC GAC CAC GAC CAC GAC, then dele­tion of base C at seventh position will change the sequence to CAC GAC ACG ACC ACG AC.

Similarly, the insertion of base G at same position will make the message out of frame — CAC GAC GCA CCA CCA CGA C.

Note # 8. Detection of Gene Mutation:

Different methods have been devised for detection of mutations in different organisms.

A. Sex-linked Lethals Detection (Drosophila):

Lethal mutations induced on sex chromo­some of Drosophila have been detected by the following methods:

This method involves use of a GIB stock of Drosophila which carries

(i) An inversion in heterozygous state to work as crossover suppressor (C)

(ii) A recessive lethal (I) on X-chromosome in heterozygous state, and

(iii) A dominant marker Bar (B) for barred eye. One of the two X-chromosomes in a female fly carried all these 3 features and the other X chromosome was normal.

Male flies irradiated for induction of mutations were crossed to GIB females (Fig. 13.20). Male progeny receiving GIB X-chromosome will die. The GIB female flies obtained in progeny can be detected by barred phenotype.

These are crossed to normal males. In the next generation 50% of males receiving GIB X-chromosome will die. The other 50% males will receive X-chromosome which may or may not carry induced mutation. In case lethal mutation was induced, no males will be observed.

On the other hand, if no lethal mutation was induced, 50% males will survive. Thus, GIB method of Muller was the most effi­cient method for detecting sex linked lethal mutations.

Muller-5 Drosophila stock carries two marker genes-barred and apricot eye on X chromosome and a complex inversion with better crossover suppressor. Muller-5 stock when crossed with irradiated normal male, the F1 generation shows that 50% males are barred, apricot and remaining 50% are normal. But if lethal mutation is induced in X-chromosome of irradiated male, no wild male would appear.

Therefore, absence of wild type males in F2 is an indication of an induced lethal mutation (Fig. 13.21).

B. Fluctuation Test (Bacteria):

Variations occurring in bacteria, e.g., resistance to phage or antibiotics is due to genetic changes through mutation or due to adaptation to environmental condition, was confirmed by fluctuation test carried out by Luria and Delbruck. They allowed the growth of E. coli cells (10 3 cells per ml) in two sets: independent culture – 40 tubes each with aliquots of 0.5 ml bulk culture – one tube with 20 ml.

After an incubation of 36 hours at 37°C small aliquots (0.1 ml) from each tube of the independent cultures, as well as bulk culture were spread over a large number of replica plates coated with T, phage.

Number of phage-resistant colonies growing on each plate was counted which revealed a much greater fluctuation (i.e., a wider variation) exists among the plates prepared from independent cultures than the plates prepared from bulk culture.

The greater fluctuation in independent cultures is mainly due to origin of spontaneous mutation arising independently in different tubes at diffe­rent times during growth.

The number of each resistant mutant arising at different times in inde­pendent culture multiplied during incubation and final number of resistant bacteria in different tubes was widely variable at the time of plating (before coming in contact with phage).

In contrast, the bulk culture contained a uniform population of both sensitive and resistant bacte­ria at the time of plating, i.e., before the bacteria come in contact with phage. Development of resistance due to adaptation will occur only after the bacteria come in contact with phage. This experiment thus proved that resistance appeared due to random mutation, not due to physiological adaptation (Fig. 13.22).

Note # 9. Importance of Gene Mutation:

Mutation is the major source of genetic variation it provides raw mate­rial for evolution. Without mutation all genes will exist in only one form, alleles would not exist. Different organisms would not be able to evolve and adapt to environmental changes.

(b) Application in Plant Breeding:

Mutations are normally deleterious. Gustaffsson estimated that less than one in thousand mutants produced, may be useful in plant breeding. Several important mutants have, however, been obtained in different crops.

(i) In wheat, several useful mutations, viz, branched ears, lodging resistance, amber seed colour and awned spikelet were obtained and utilized in plant breeding. The most remarkable mutation obtained by Swaminathan is Sharbati Sonora. Other important varieties released in India are Pusa Lerma, NP 836.

(ii) In rice, several high yielding elite vari­eties – Reimei, Japonica, Indica have been obtained through mutations. Mutants were also obtained in rice for increased protein and lysine content. Jagannath, I/T48, l/TGO are the products of induced mutation in India.

(iii) In barley, mutant known as erectoides is of high yield. RBD-1, DL-253 are induced mutants in India.

(iv) In Legumes, Hans-pea, Ranjan-lentil, MUM 2-mung bean are mutants developed in India.

(v) Other important mutant varieties relea­sed in India are S 12-tomato, Rasmi-cotton, RLM 514-mustard, Co997-sugarcane, JRC 7447-Jute.

Regular survey by joint FAO and IAEA reported that there has been a highly significant increase in the number of mutant varieties deve­loped in different crops.

(c) Another valuable application of induced mutation is the increased production of antibio­tics, such as penicillin from species of Penicillium.

(d) Somatic mutations have also been found useful in many ornamentals. In tissue cul­ture as well, several somaclonal mutants leading to somatic mutants have been obtained in horti­cultural species.


Clinical Significance

Antibiotic Resistance

Antibiotics work through a variety of mechanisms:[17]

When an antibiotic loses theꃊpacity to kill or control bacterial growth, antibiotic resistance occurs. This can occur in two ways:

These circumstances exacerbate under selective pressure (i.e., the use of antibiotics). Antibiotic resistance can spread both vertically and horizontally through a population. Horizontal transfer is considered the primary mediator of antibiotic resistance. The following are non-comprehensive examples of how two of the classes of antibiotics mentioned above encounter resistance mutations.

DNA Synthesis Inhibitor

In gram-negative bacteria, such as Helicobacter pylori, mutation resistance occurs relatively quickly to fluoroquinolones and thereby poses clinical issues for these therapies. Levofloxacin, moxifloxacin, and ciprofloxacin, examples of fluoroquinolones, inhibit DNA synthesis by targeting two homologous enzymes (DNA topoisomerase II and IV).[18] These enzymes are necessary for the supercoiling of bacterial DNA.  

Gram-negative bacterial resistance to fluoroquinolones includes the accumulation of substitution mutations in the coding regions for particular subunits of DNA topoisomerase II. Resistance can be enhanced further by efflux pump modification.[19]਌iprofloxacin targets only the parC subunit while other quinolones target one or more of these subunits.[20]ਏor example, garenoxacin targets both DNA topoisomerases II and IV thus is less prone to resistance. Resistance to Garenoxacin requires both proteins to have resistance mutations.[21]

Combination therapy for Helicobacter pylori typically includes clarithromycin (protein synthesis inhibitor), metronidazole (DNA synthesis inhibitor), amoxicillin (Cell wall synthesis inhibitor), or tetracycline (protein synthesis inhibitor), and a proton pump inhibitor.[22][23][24]

Protein Synthesis Inhibitor

Linezolid prevents protein synthesis and is active against resistant Gram-positives.[25] Linezolid inhibits the formation of the 70S ribosomal initiation complex through binding to the 23S portion of the 50S subunit.[26] Infrequent resistance found in strains of S.ਊureus,ਊnd coagulase-negative staphylococci has mutations in the central loop of the domain V region of the 23S rRNA gene. More specifically,਌linical isolates had a substitution of Thymine for Guanine at the 2576 position.[27][28]

Intrinsically, resistant bacteria have a characteristic resistance within all members of a species or genus. Such resistance may arise because:

Antibiotic resistance mechanisms can also occur by incorporating resistance genes into plasmids, transposons, and integrons. These genes spread through horizontal transfer by conjugation, transformation, or transduction mechanisms. However, the mutation is essential for the evolution or assortment of these genes.


Single-strand viruses show higher mutation rates than double-strand viruses

Single-strand DNA viruses tend to mutate faster than double-strand DNA viruses, although this difference is based on work with bacteriophages, as no mutation rate estimates have been obtained for eukaryotic single-strand DNA viruses [1]. Within RNA viruses, there are no obvious differences in mutation rate among Baltimore classes (Fig.  2 a). The mechanisms underlying these differences are not well understood. One possible explanation for the differences between single and double-strand viruses is that single-strand nucleic acids are more prone to oxidative deamination and other types of chemical damage. Elevated levels of reactive oxygen species (ROS) and other cellular metabolites during viral infections can induce mutations in the host cell and in the virus. For instance, ethanol is likely to synergize with virus-induced oxidative stress to increase the mutation rate of HCV [21]. Differences among single- and double-strand DNA viruses may also be explained in terms of their access to post-replicative repair. Work with bacteriophage ϕX174 has provided interesting clues on this issue. In enterobacteria, methyl-directed mismatch repair (MMR) is performed by MutHLS proteins and Dam methylase. Dam methylation of GATC sequence motifs is used to differentiate the template and daughter DNA strands and is thus required to perform mismatch correction [22]. Mismatches are recognized by MutS, which interacts with MutL and leads to the activation of the MutH endonuclease, which excises the daughter strand. However, the genome of bacteriophage ϕX174 has no GATC sequence motifs, even if approximately 20 such sites are expected by chance. As a result, the ϕX174 DNA cannot undergo MMR. This contributes to explaining the relatively high mutation rate of this virus, which falls on the order of 10 𢄦  s/n/c, a value three orders of magnitude above that of Escherichia coli and highest among DNA viruses [23]. Avoidance of GATC motifs may be a consequence of selection acting on mutation rate, but also of other selective factors. For instance, inefficient methylation of the phage DNA may render it susceptible to cleavage by MutH, therefore imposing a selection pressure against GATC sequence motifs [24].

As opposed to bacteriophage ϕX174, the link between post-replicative repair and mutation rate is still unclear in eukaryotic viruses. Numerous studies have shown that viruses interact with DNA damage response (DDR) pathways by altering the localization or promoting the degradation of DDR components [25, 26]. For instance, the adenoviral E4orf6 protein promotes proteasomal degradation of TOPBP1, a DDR component [27]. DDR activation can occur as an indirect consequence of cellular stress due to the infection per se or as a part of an antiviral response, which would be in turn counteracted by viruses. Although DNA viruses tend to promote genomic instability in the host cell, it remains to be shown whether DDR dysregulation can determine DNA virus mutation rates.


Can you detect if a mutation is spontaneous or induced? - Biologia

Most mistakes during replication are corrected by DNA polymerase during replication or by post-replication repair mechanisms.

Objetivos de aprendizado

Explain how errors during replication are repaired

Principais vantagens

Pontos chave

  • Mismatch repair enzymes recognize mis-incorporated bases, remove them from DNA, and replace them with the correct bases.
  • In nucleotide excision repair, enzymes remove incorrect bases with a few surrounding bases, which are replaced with the correct bases with the help of a DNA polymerase and the template DNA.
  • When replication mistakes are not corrected, they may result in mutations, which sometimes can have serious consequences.
  • Point mutations, one base substituted for another, can be silent (no effect) or may have effects ranging from mild to severe.
  • Mutations may also involve insertions (addition of a base), deletion (loss of a base), or translocation (movement of a DNA section to a new location on the same or another chromosome ).

Termos chave

  • mismatch repair: a system for recognizing and repairing some forms of DNA damage and erroneous insertion, deletion, or mis-incorporation of bases that can arise during DNA replication and recombination
  • nucleotide excision repair: a DNA repair mechanism that corrects damage done by UV radiation, including thymine dimers and 6,4 photoproducts that cause bulky distortions in the DNA

Errors during Replication

DNA replication is a highly accurate process, but mistakes can occasionally occur as when a DNA polymerase inserts a wrong base. Uncorrected mistakes may sometimes lead to serious consequences, such as cancer. Repair mechanisms can correct the mistakes, but in rare cases mistakes are not corrected, leading to mutations in other cases, repair enzymes are themselves mutated or defective.

Mutações: In this interactive, you can “edit” a DNA strand and cause a mutation. Take a look at the effects!

Most of the mistakes during DNA replication are promptly corrected by DNA polymerase which proofreads the base that has just been added. In proofreading, the DNA pol reads the newly-added base before adding the next one so a correction can be made. The polymerase checks whether the newly-added base has paired correctly with the base in the template strand. If it is the correct base, the next nucleotide is added. If an incorrect base has been added, the enzyme makes a cut at the phosphodiester bond and releases the incorrect nucleotide. This is performed by the exonuclease action of DNA pol III. Once the incorrect nucleotide has been removed, a new one will be added again.

DNA polymerase proofreading: Proofreading by DNA polymerase corrects errors during replication.

Some errors are not corrected during replication, but are instead corrected after replication is completed this type of repair is known as mismatch repair. The enzymes recognize the incorrectly-added nucleotide and excise it this is then replaced by the correct base. If this remains uncorrected, it may lead to more permanent damage. How do mismatch repair enzymes recognize which of the two bases is the incorrect one? No E. coli, after replication, the nitrogenous base adenine acquires a methyl group the parental DNA strand will have methyl groups, whereas the newly-synthesized strand lacks them. Thus, DNA polymerase is able to remove the incorrectly-incorporated bases from the newly-synthesized, non-methylated strand. In eukaryotes, the mechanism is not very well understood, but it is believed to involve recognition of unsealed nicks in the new strand, as well as a short-term continuing association of some of the replication proteins with the new daughter strand after replication has been completed.

Mismatch Repair: In mismatch repair, the incorrectly-added base is detected after replication. The mismatch-repair proteins detect this base and remove it from the newly-synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly-paired base.

In another type of repair mechanism, nucleotide excision repair, enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3′ and 5′ ends of the incorrect base. The segment of DNA is removed and replaced with the correctly-paired nucleotides by the action of DNA pol. Once the bases are filled in, the remaining gap is sealed with a phosphodiester linkage catalyzed by DNA ligase. This repair mechanism is often employed when UV exposure causes the formation of pyrimidine dimers.

DNA Ligase I Repairing Chromosomal Damage: DNA damage, due to environmental factors and normal metabolic processes inside the cell, occurs at a rate of 1,000 to 1,000,000 molecular lesions per cell per day. A special enzyme, DNA ligase (shown here in color), encircles the double helix to repair a broken strand of DNA. DNA ligase is responsible for repairing the millions of DNA breaks generated during the normal course of a cell’s life. Without molecules that can mend such breaks, cells can malfunction, die, or become cancerous. DNA ligases catalyse the crucial step of joining breaks in duplex DNA during DNA repair, replication and recombination, and require either Adenosine triphosphate (ATP) or Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) as a cofactor.

Nucleotide Excision Repairs: Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

DNA Damage and Mutations

Errors during DNA replication are not the only reason why mutations arise in DNA. Mutations, variations in the nucleotide sequence of a genome, can also occur because of damage to DNA. Such mutations may be of two types: induced or spontaneous. Induced mutations are those that result from an exposure to chemicals, UV rays, X-rays, or some other environmental agent. Spontaneous mutations occur without any exposure to any environmental agent they are a result of natural reactions taking place within the body.

Mutations may have a wide range of effects. Some mutations are not expressed these are known as silent mutations. Point mutations are those mutations that affect a single base pair. The most common nucleotide mutations are substitutions, in which one base is replaced by another. These can be of two types: transitions or transversions. Transition substitution refers to a purine or pyrimidine being replaced by a base of the same kind for example, a purine such as adenine may be replaced by the purine guanine. Transversion substitution refers to a purine being replaced by a pyrimidine or vice versa for example, cytosine, a pyrimidine, is replaced by adenine, a purine. Mutations can also be the result of the addition of a base, known as an insertion, or the removal of a base, known as a deletion. Sometimes a piece of DNA from one chromosome may get translocated to another chromosome or to another region of the same chromosome.


Spontaneous and ultraviolet-induced mutations on a single-stranded shuttle vector transfected into monkey cells

The shuttle vector plasmid PCF3A, carrying the supF target gene, can be transfected into monkey COS7 cells as single-stranded or double-stranded DNA. Single strand-derived plasmid progeny exhibited a 10-fold higher spontaneous mutation frequency that double strand-derived progeny. The location of spontaneous mutations obtained after transfection of the single-stranded vector shared similarities with that for double-stranded vectors. However, the nature of base changes was very different. Single-stranded PCF3A DNA was used to study ultraviolet-induced mutagenesis. An earlier report (Madzak and Sarasin, J. Mol. Biol., 218 (1991) 667–673) showed that single-stranded DNA exhibited a lower survival and a higher mutation frequency than double-stranded DNA after ultraviolet irradiation. In the present report, sequence analysis of mutant plasmids is presented. The use of a single-stranded vector allowed us to show the targeting of mutations at putative lesion sites and to determine the exact nature of the base implicated in each mutation. Frameshift mutations were more frequent after transfection of control on irradiated plasmid as single-stranded DNA than as double-stranded DNA. Multiple mutations, observed at a high frequency in the spontaneous and ultraviolet-induced mutation spectra following single-stranded DNA transfection, could be due to an error-prone polymerisation step acting on a single-stranded template.


D. Size and Quality

According to size following two types of mutations have been recognized:

1. Point mutation

When heritable alterations occur in a very small segment of DNA molecule, i.e., a single nucleotide or nucleotide pair, then this type of mutations are called “point mutations”. The point mutations may occur due to following types of subnucleotide change in the DNA and RNA.

– Deletion mutations. The point mutation which is caused due to loss or deletion of some portion (single nucleotide pair) in a triplet codon of a cistron or gene is called deletion mutation.

– Insertion or addition mutation. The point mutations which occur due to addition of one or more extra nucleotides to a gene or cistron are called insertion mutations.

The mutations which arise from the insertion or deletion of individual nucleotides and cause the rest of the message downstream of the mutation to be read out of phase, are called frameshift mutations.

– Substitution mutation. A point mutation in which a nucleotide of a triplet is replaced by another nucleotide, is called substitution mutation.

2. Multiple mutations or gross mutations.

When changes involving more than one nucleotide pair, or entire gene, then such mutations are called gross mutations. The gross mutations occur due to rearrangements of genes within the genome. It may be:

  1. The rearrangement of genes may occur within a gene. Two mutations within the same functional gene can produce different effects depending on gene whether they occur in the cis or trans position.
  2. The rearrangement of gene may occur in number of genes per chromosome. If the numbers of gene replicas are non-equivalent on the homologous chromosomes, they may cause different types of phenotypic effects over the organisms.
  1. Due to movement of a gene locus new type of phenotypes may be created, especially when the gene is relocated near heterochromatin. The movement of gene loci may take place due to following method:

(i) Translocation. Movement of a gene may take place to a non-homologous chromosome and this is known as translocation.

(ii) Inversion. The movement of a gene within the same chromosome is called inversion.


Can you detect if a mutation is spontaneous or induced? - Biologia

10 9 his - Salmonella bacteria, which cannot grow in the absence of the amino acid histidine . In this control experiment, the small number (

10 2 ) of white colonies are derived from single bacteria that have undergone spontaneous reversion mutations para his + . The reversion test is thus extremely sensitive, because it can detect mutation rates as small as 1/10 9 - 2 = 10 -7 / cell.

In the experiment on the right, the disc at the center of the dish contains a mutagenic chemical. As it diffuses outward, the chemical at high concentration is toxic and at first kills all the bacteria (clear circle around the disc), but at lower concentrations gives rise to induced reversion mutations , seen as closely-packed revertant ( his + ) colonies. As the concentration continues to decrease towards the outer periphery of the plate, the frequency of revertant colonies falls to about the same as in the control experiment at left. In cell culture, it is therefore possible to measure the precise degree of mutagenicity at a range of concentrations.

The Ames Test uses the bacterial reversion assay to measure mutagenicity as the difference between the induced and spontaneous rates of reversion mutation at various concentrations of the mutagenic substance.


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