Mutación y reparación del DNA: tipos, mecanismos y regulación de la expresión génica

Mutación y reparación del DNA

Las mutaciones cromosómicas y puntuales (de un par de bases) son fuente de variabilidad y determinan nuevos fenotipos.

Conceptos básicos

• Tasa de mutación: probabilidad de que ocurra una mutación por unidad de tiempo.
• Frecuencia de mutación: número de mutaciones expresado en proporción a las células o individuos afectados.

Hipótesis sobre el origen adaptativo de las mutaciones

• Hipótesis adaptativa: las mutaciones adaptativas son inducidas por el ambiente.
• Hipótesis preadaptativa: las mutaciones surgen de forma continua y aleatoria, y algunas de ellas son adaptativas.

Tipos de sustituciones

• Transiciones y transversiones.
• No sinónima: cambia un aminoácido por otro.
• Sin sentido: genera un codón de parada.
• Neutra: cambia el aminoácido por otro con propiedades similares.
• Sinónima: no cambia el aminoácido.
• Reversiones.
• Mutaciones supresoras: se localizan en una posición distinta a la mutación inicial.

Origen de las mutaciones

Mutaciones espontáneas

• Emparejamiento incorrecto de bases durante la replicación.
• Mutaciones del DNA en la segunda ronda de replicación.
• Presencia de inserciones o deleciones: un bucle en la cadena molde da lugar a una deleción, y en la cadena nueva, a una inserción.
• Cambios químicos espontáneos mediante despurinación (pérdida de purinas) o desaminación (eliminación del grupo amino de una base).

Mutaciones inducidas

• Radiación: los rayos X deshacen enlaces azúcar-fosfato y se acumulan; los rayos UV producen uniones anómalas entre bases adyacentes de pirimidina (dímeros de timina).
• Mutágenos químicos:
  • Análogos de base: compuestos con una composición similar a las bases del DNA. Por ejemplo, un tautómero es un análogo de base raro.
  • Modificadores de base: alteran la estructura química. La nitrosamina elimina grupos amino, la hidroxilamina añade OH y el metilmetano añade grupos alquilo.
  • Agentes intercalantes: se introducen entre bases adyacentes y producen inserciones o deleciones.

Test de Ames

Permite detectar mutágenos mediante la medición de la frecuencia de reversión de una mutación que produce el fenotipo silvestre.

Mecanismos de reparación del DNA

• Corrección directa: revierte la mutación y regenera la base normal mediante la lectura de prueba de la DNA polimerasa. En eucariotas la realizan otras enzimas.
• Fotorreactivación: no ocurre en humanos.
• Reparación por alquilación: enzimas que eliminan modificaciones de base.
• Reparación por eliminación (escisión): repara los dímeros de timina sin luz, en la mayoría de los organismos.
• Reparación postreplicativa: reparación por emparejamientos erróneos de bases. Se corta y se repara la cadena; también ocurre en eucariotas.
• Respuesta SOS: cuando existen graves daños en bacterias, se cometen muchos errores y se activa RecA.

Elementos transponibles

Elementos transponibles: segmentos de DNA que se mueven por el genoma, tanto en procariotas como en eucariotas. Se detectan mediante cambios que se producen en la expresión y funcionamiento de los genes donde se insertan. Son una parte importante del genoma.

• Secuencias de inserción (IS): son los elementos transponibles más simples. Tienen secuencias repetidas en sus extremos y un gen de transposasa, que corta el DNA bacteriano para que se inserten.
• Integración de IS: la IS se duplica y se inserta al azar mediante un corte en escalera, la DNA polimerasa y ligasas.
• Transposones: son más complejos, formados por una región central que contiene varios genes.
  • Integración: el DNA donador que contiene el transposón se fusiona con el DNA receptor, el transposón se duplica y la cointegración se resuelve por recombinación.
• En eucariotas, la mayoría son transposones.

Regulación de la expresión génica (REG)

Los seres vivos se adaptan rápidamente al ambiente mediante la activación e inactivación de genes, lo que evita el derroche de energía.

• Genes regulados: su actividad está controlada según las necesidades celulares.
• Genes constitutivos: están siempre activos, de forma independiente. Se controlan mediante la regulación de la transcripción.
• Control positivo: una proteína activadora se une al operador e induce la expresión.
• Control negativo: igual, pero con un represor.

Los efectores modifican la conformación de las proteínas reguladoras.

Operón

Es una unidad genética de expresión coordinada de genes, constituida por genes estructurales y su regulación, determinada por un elemento de transcripción común.

Operón lac en E. coli

• Cuando falta glucosa y hay lactosa, se producen en gran cantidad β-galactosidasa, lactosa permeasa y transacetilasa.
• Control negativo: el gen regulador lacI codifica una proteína represora que se une al operador (lacO) e impide la transcripción. El represor puede liberarse durante poco tiempo.
• Presencia de lactosa: la lactosa se transforma en β-galactosidasa, que produce alolactosa (efector). La alolactosa se une al represor, lo que lo libera y permite iniciar la síntesis de mRNA policistrónico.
• Control por catabolito: si coexisten lactosa y glucosa, el control positivo depende de CAP. Si solo hay lactosa, se produce mucho cAMP (efector), que se une a CAP y estimula la transcripción. Si hay glucosa, hay poco cAMP y el activador CAP no se une al promotor.

Operón trp

• Tiene 5 genes estructurales y 2 sistemas de control.
• El gen regulador trpR codifica una proteína represora (aporrepresor) que se activa al unirse al triptófano (efector).
• En ausencia de triptófano, el aporrepresor no se une al operador y se sintetiza triptófano. En presencia de triptófano, el aporrepresor se une al operador y bloquea la transcripción.
• Atenuación: controla el número de transcritos del operón trp.

Regulación en eucariotas

No tienen operones; su regulación es más compleja y existen varios niveles de control de la expresión. El control de la transcripción del mRNA es el más importante.

• Secuencias intensificadoras y represoras actúan combinadas con factores de transcripción.
• Control positivo y negativo.
• Cambios cromosómicos: las regiones a transcribir son menos condensadas y las zonas promotoras quedan expuestas.
• Las histonas pueden reprimir la transcripción.
• Hormonas: moléculas efectoras que producen respuesta en otras células. Cada tipo de hormona actúa sobre un tipo determinado de células y su respuesta es rápida. Los HRE son secuencias comunes de genes regulados por una misma hormona. Las hormonas esteroides activan genes, también en plantas.
• Metilación del DNA: el DNA metilado se produce después de la replicación; la DNA metilasa transforma la citosina en 5-metilcitosina. El porcentaje es bajo en eucariotas y aumenta con la complejidad. Los genes muy metilados se expresan menos.
• Poli-A y splicing (en Drosophila) también controlan el procesamiento del mRNA.
• Control del transporte del mRNA: el mRNA nunca abandona el núcleo.
• Control de la traducción: los ribosomas traducen mRNA específicos.
• Control de la degradación: muy importante en eucariotas.

Genética del desarrollo

Diferenciación: formación de distintos tipos celulares, tejidos y órganos a partir de un genoma, mediante la expresión de genes.

Desarrollo: obtención de un estado diferenciado por todas las células de un organismo.

• Entre el 20 y el 40 % del genoma es repetitivo. Solo una fracción del DNA se transcribe; de la que no se transcribe se desconoce su función.
• Totipotencia: cualquier célula somática adulta contiene toda la información necesaria para formar un individuo desde el principio.
• Los anticuerpos surgen por recombinación somática.
• Genes de efecto materno: determinan los gradientes del huevo.

Drosophila

• Genes de segmentación: dividen el embrión en parasegmentos que no coinciden con los segmentos del adulto.
• Genes homeóticos: determinan la identidad de cada segmento adulto.