Introdução à Genética
16.3 Base molecular das mutações induzidas
Entretanto, essa explicação não é válida para todas as doenças por repetição
de trinucleotídios. Afinal, na síndrome do X frágil, a expansão de trinucleotídios está próxima da extremidade de 5′ do mRNA do FMR-1, antes do sítio de início da tradução. Portanto, não podemos atribuir as anormalidades fenotípicas das mutações no FMR-1 a um efeito sobre a estrutura proteica. Uma pista para o problema com os genes FMR-1 mutantes é que, contrariamente ao gene normal, eles são hipermetilados, uma característica associada aos genes
transcricionalmente silenciados (ver Figura 16.10 B). Com base nesses achados, supõe-se que a repetição expandida leva a alterações na estrutura da cromatina
que silenciam a transcrição gênica mutante (ver Capítulo 12). Em amparo a esse modelo está o achado de que o gene FMR-1 está deletado em alguns pacientes com síndrome do X frágil. Essas observações amparam uma mutação de perda de função.
CONCEITO-CHAVE Doenças por repetição de trinucleotídios surgem por meio da expansão do número
de cópias de uma sequência de três pares de bases normalmente presente em diversas cópias, com
frequência na região codi cadora de um gene.
16.3 Base molecular das mutações induzidas
Enquanto algumas mutações são produzidas espontaneamente dentro da célula, outras fontes de mutação estão presentes no ambiente, aplicadas intencionalmente em laboratório ou encontradas naturalmente na vida diária. A produção de mutações em laboratório por meio da exposição a mutágenos é denominada mutagênese e diz-se que o organismo é mutagenizado.
Mecanismos de mutagênese
Os mutágenos induzem mutações por meio de no mínimo três mecanismos diferentes. Eles podem substituir uma base no DNA, alterar uma base de modo que ela realize especificamente o pareamento errôneo com outra base ou danificar uma base de modo que ela não consiga mais parear com qualquer base sob condições normais. Induzir mutações em genes e observar as consequências fenotípicas é uma das estratégias experimentais primárias utilizadas pelos geneticistas.
Incorporação de análogos de bases. Alguns compostos químicos são suficientemente semelhantes às bases nitrogenadas normais do DNA, de modo que ocasionalmente eles são incorporados ao DNA em lugar das bases normais; os referidos compostos são denominados análogos de bases. Após o seu posicionamento, esses análogos apresentam propriedades de pareamento diferentes àquelas das bases normais; portanto, eles podem produzir mutações ao causar a inserção de nucleotídios incorretos em oposição a eles na replicação. O análogo de base original existe apenas em um único filamento, mas pode causar uma substituição de par de nucleotídios que é replicada em todas as cópias do DNA descendentes do filamento original.
Um análogo de base amplamente utilizado em pesquisas é a 2-aminopurina
(2-AP). Esse análogo da adenina consegue se parear com a timina, mas também consegue realizar o pareamento errôneo com a citosina quando protonado,
conforme demonstrado na Figura 16.12. Portanto, quando a 2-AP é incorporada no DNA por meio do pareamento com timina, ela consegue gerar transições A · T → G · C por meio do pareamento errôneo com citosina nas replicações subsequentes. Ou, se 2-AP for incorporada por meio do pareamento errôneo com citosina, então resultarão transições G · C → A · T quando ela parear com timina. Estudos genéticos demonstraram que 2-AP causa quase exclusivamente transições.
Malpareamento específico. Alguns mutágenos não são incorporados ao DNA, mas, em vez disso, alteram uma base, de modo que ela formará um malpareamento específico. Determinados agentes alquilantes, tais como o etilmetanossulfonato (EMS) e a amplamente utilizada nitrosoguanidina (NG), operam por meio dessa via.
FIGURA 16.12 A. Um análogo da adenina, a 2-aminopurina (2-AP), consegue parear com timina. B. Em seu estado protonado, 2-AP consegue parear com citosina.
Tais agentes adicionam grupos alquila (um grupo etil em EMS e um grupo metil em NG) a muitas posições em todas as quatro bases. Entretanto, a formação de uma mutação está mais bem-correlacionada com uma adição ao oxigênio na posição 6 da guanina para criar uma O-6-alquilguanina. Essa adição leva ao
malpareamento direto com timina, conforme demonstrado na Figura 16.13, que resultará em transições G · C → A · T na próxima rodada de replicação.
Os agentes alquilantes também podem modificar as bases em dNTPs (em que
N é qualquer base), os quais são precursores na síntese de DNA.
Agentes intercalares. Os agentes intercalares formam outra classe importante de modificadores de DNA. Esse grupo de compostos inclui a proflavina, a acridina laranja e uma classe de substâncias químicas denominadas compostos
ICR (Figura 16.14 A). Esses agentes são moléculas planares que mimetizam pares de bases e que conseguem inserir-se (intercalar-se) entre as bases
nitrogenadas empilhadas no cerne da dupla-hélice de DNA (Figura 16.14 B). Nessa posição intercalada, tal agente pode causar uma inserção ou uma deleção de um único par de nucleotídios.
FIGURA 16.13 O tratamento com EMS altera a estrutura da guanina e da timina e leva a malpareamentos.
Danos a bases. Um grande número de mutágenos danifica uma ou mais bases e, assim, nenhum pareamento de bases específico é possível. O resultado é um bloqueio de replicação, tendo em vista que a síntese de DNA não prosseguirá além de uma base que não consegue especificar seu parceiro complementar por meio de pontes de hidrogênio. Os bloqueios de replicação podem causar mutações adicionais – conforme será explicado posteriormente no capítulo (ver seção sobre o reparo por excisão de bases).
A luz ultravioleta normalmente causa danos às bases nucleotídicas na maior
parte dos organismos, pois gera uma diversidade de tipos distintos de alterações no DNA, denominados fotoprodutos (da palavra foto, em referência à “luz”). Desses produtos, os que mais provavelmente levam a mutações são duas lesões diferentes que unem resíduos de pirimidina adjacentes no mesmo filamento. Esses fotoprodutos são o fotodímero pirimidina ciclobutano e o fotoproduto 6-4
(Figura 16.15).
A radiação ionizante resulta na formação de moléculas ionizadas e excitadas,
que podem danificar o DNA. Em virtude da natureza aquosa dos sistemas biológicos, as moléculas geradas pelos efeitos da radiação ionizante sobre a água produzem a maior parte dos danos. São produzidos muitos tipos diferentes de espécies reativas de oxigênio, mas as que causam mais danos às bases do DNA são · OH, O – 2 e H2O2. Essas espécies levam à formação de diferentes adutos e produtos de degradação. Entre os mais prevalentes, ilustrados na
Figura 16.9, estão a timidina glicol e 8-oxo dG, ambas podendo resultar em mutações.
A radiação ionizante também pode danificar o DNA diretamente, em vez de
por meio de espécies reativas de oxigênio. Tal radiação pode causar a quebra da ligação N-glicosídica, levando à formação de sítios apurínicos ou apirimidínicos, e pode causar quebras de filamentos. De fato, as quebras de filamentos são responsáveis pela maior parte dos efeitos letais da radiação ionizante.
FIGURA 16.14 Estruturas de agentes intercalares comuns (A) e sua interação com o DNA (B). (Dados de L. S. Lerman, “The Structure of the DNA-Acridine Complex”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 49, 1963, 94.)
FIGURA 16.15 Os fotoprodutos que unem pirimidinas adjacentes no DNA estão fortemente correlacionados com mutagênese.
A aflatoxina B1 é um poderoso carcinógeno que se une à guanina na posição
N-7 (Figura 16.16). A formação desse produto de adição leva à quebra da ligação entre a base e o açúcar, liberando, assim, a base e gerando um sítio apurínico. A aflatoxina B 1 é um membro de uma classe de carcinógenos químicos conhecidos como produtos de adição volumosos quando eles se ligam de modo covalente ao DNA. Outros exemplos incluem os epóxidos diol de benzo(a)pireno, um composto produzido por mecanismos de combustão interna. Todos os compostos dessa classe induzem mutações, embora por mecanismos nem sempre claros.