Mutacions Genètiques: Tipus, Causes i Reparació de l'ADN

Les Mutacions: Concepte i Importància

Les mutacions són alteracions a l'atzar del material genètic (ADN a les cèl·lules i ADN o ARN als virus). Aquestes mutacions tenen l'avantatge d'aportar variabilitat a la població. Juntament amb la selecció natural, permeten l'evolució de les espècies i, per tant, la continuïtat de la vida al llarg de milions d'anys.

Si tenen lloc en cèl·lules somàtiques, s'anomenen mutacions somàtiques; si tenen lloc en les cèl·lules reproductores, s'anomenen mutacions germinals.

Si apareixen espontàniament, són mutacions naturals. Si són provocades artificialment per mitjà de radiacions i determinades substàncies químiques, són mutacions induïdes.

Hi ha tres tipus principals de mutacions, segons l'extensió del material genètic afectat:

• Mutacions gèniques
• Mutacions cromosòmiques
• Mutacions genòmiques

Mutacions Gèniques: Alteracions Puntuals

Són alteracions de la seqüència de nucleòtids d'un gen, és a dir, afecten només un gen, i per això s'anomenen mutacions puntuals.

Tipus de Mutacions Gèniques

Es classifiquen segons el tipus d'alteració:

• Mutacions per substitució de bases: Són canvis d'una base nitrogenada per una altra.
  • a) Transicions: Substitucions d'una purina per una altra (A ↔ G) o d'una pirimidina per una altra (T ↔ C).
  • b) Transversions: Substitucions d'una purina per una pirimidina (A/G ↔ T/C) o a l'inrevés (T/C ↔ A/G).
• Mutacions per pèrdua o inserció de nucleòtids: Com que el missatge genètic es tradueix de tres en tres bases (codons), les delecions (pèrdues) i les addicions (insercions) de nucleòtids, tret que es compensin entre si, produeixen un corriment en l'ordre de lectura i, per tant, alteren tots els triplets següents, modificant la proteïna resultant.

Causes de les Mutacions Gèniques

Errors de lectura durant la replicació de l'ADN

• a) Canvis tautomèrics: Cada base nitrogenada pot presentar-se en dues formes diferents anomenades formes tautomèriques: una normal i una altra rara. Les dues formes estan en equilibri i espontàniament es passa de l'una a l'altra (canvi tautomèric). Si una base es troba en la seva forma rara durant la replicació, pot aparellar-se amb una base incorrecta.
• b) Canvis de fase: Són lliscaments del filament d'ADN que s'està formant sobre el filament motlle durant la replicació. Això pot provocar la inserció o deleció de bases quan els filaments es tornen a aparellar, originant una mutació.

Lesions fortuïtes

Són alteracions que ocorren de manera natural en un o més nucleòtids:

• a) Despurinització: Pèrdua de bases púriques (Adenina o Guanina). Es produeixen a raó d'unes 5.000 a 10.000 per dia a cada cèl·lula humana.
• b) Desaminació: Pèrdua de grups amino a les bases nitrogenades (p. ex., Citosina -> Uracil). Se'n produeixen unes 100 per genoma i dia.
• c) Dímers de timina: Enllaç covalent entre dues timines contigües en la mateixa cadena d'ADN. Generalment són provocats pels raigs ultraviolats (UV) de la radiació solar.

Transposicions

Són canvis de lloc espontanis de determinats segments d'ADN, els anomenats elements genètics transposables. Aquests poden ser més petits que un gen (seqüències d'inserció), un gen sencer o un grup de gens (transposons).

Sistemes de Reparació de l'ADN

L'ADN-polimerasa té una activitat exonucleasa anomenada correcció de proves, que redueix dràsticament la possibilitat de cometre errors durant la replicació. Aquesta activitat consisteix en el fet que l'ADN-polimerasa, abans d'afegir un nou nucleòtid, comprova si l'anterior és el correcte; si no ho és, el retira i el substitueix pel correcte. Tot i així, es pot deixar un nucleòtid equivocat per cada 10⁷ nucleòtids afegits.

Per a genomes més grans com els dels eucariotes, aquesta taxa d'error no és admissible. Per evitar aquest problema, hi ha un sistema d'enzims de reparació que revisa constantment l'ADN acabat de sintetitzar i repara aquestes lesions.

Hi ha tres sistemes principals de reparació:

• a) Reparació amb escissió de l'ADN: S'inicia amb una endonucleasa que detecta l'error i produeix dos talls als dos costats de la lesió. Després, una exonucleasa elimina els nucleòtids del segment tallat. A continuació, l'ADN-polimerasa I sintetitza el segment de forma correcta, i finalment, una ADN-ligasa uneix l'extrem final.
• b) Reparació sense escissió de l'ADN: Es coneixen mecanismes directes de reversió de les lesions. Per exemple, els enzims fotoreactius (fotoliases), que s'activen amb la llum i són capaços de trencar els enllaços entre dues pirimidines contigües, eliminant els dímers de timina. Així, la llum produeix la reparació de la lesió que ella mateixa va originar.
• c) Sistema SOS: Aquest sistema s'activa en casos de danys massius a l'ADN. Té la funció de "saltar" les lesions i continuar la duplicació, prioritzant la supervivència cel·lular per sobre de la fidelitat de la replicació. El desavantatge és que, en saltar les mutacions sense corregir-les, pot introduir errors i augmentar el risc de mutacions permanents, incloent-hi les que poden causar càncer (transformació de cèl·lules normals en cèl·lules immortals).

Mutacions Cromosòmiques: Alteracions Estructurals

Són alteracions de la seqüència de gens d'un cromosoma, és a dir, afecten l'estructura d'un o més cromosomes.

Tipus de Mutacions Cromosòmiques

• Deleció (pèrdua): Pèrdua d'un fragment de cromosoma. Per exemple, en els éssers humans, una deleció en el cromosoma 5 produeix la síndrome anomenada cri du chat (crit de gat).
• Duplicació (guany): Repetició d'un segment d'un cromosoma.
• Inversió: Canvi de sentit d'un fragment dins del cromosoma. Si el segment invertit inclou el centròmer, s'anomena inversió pericèntrica; si no l'inclou, inversió paracèntrica.
• Translocació: Canvi de posició d'un segment de cromosoma. Quan es produeix per intercanvi de segments entre dos cromosomes no homòlegs (el més freqüent), s'anomena translocació recíproca. Quan només hi ha translació d'un segment a un altre lloc del mateix cromosoma o d'altres cromosomes, sense reciprocitat, s'anomena transposició.

Mutacions Genòmiques: Alteracions Numèriques

Són alteracions del nombre de cromosomes, és a dir, alteren la dotació cromosòmica completa.

Tipus de Mutacions Genòmiques

Aneuploïdia

És l'alteració en el nombre normal d'exemplars d'un o més tipus de cromosomes, sense arribar a afectar el joc complet. Poden ser:

• Nul·lisomies (2n-2): Falta un parell de cromosomes homòlegs.
• Monosomies (2n-1): Falta un cromosoma d'un parell. Un exemple en humans és la síndrome de Turner (dones X0), amb un total de 45 cromosomes.
• Trisomies (2n+1): Hi ha un cromosoma extra en un parell. Un exemple en humans és la síndrome de Down (trisomia del cromosoma 21), amb un total de 47 cromosomes.
• Tetrasomies (2n+2): Hi ha dos cromosomes extra en un parell.

Causes de les Aneuploïdies

• a) Fusió cèntrica (translocació robertsoniana): Unió de dos cromosomes acrocèntrics no homòlegs pel centròmer, amb pèrdua dels braços curts.
• b) Fissió cèntrica: Escissió d'un cromosoma metacèntric en dos cromosomes acrocèntrics.
• c) No-disjunció meiòtica: Error en la separació dels cromosomes homòlegs (Meiosi I) o de les cromàtides germanes (Meiosi II), resultant en gàmetes amb un nombre anormal de cromosomes.

Euploïdia

És l'alteració en el nombre normal de dotacions haploides (jocs complets de cromosomes) d'un individu. Inclou la monoploïdia i la poliploïdia.

• Monoploïdia o haploïdia (n): Existència d'una sola dotació cromosòmica.
• Poliploïdia (3n, 4n, etc.): Existència de més de dos jocs complets de cromosomes (triploïdies, tetraploïdies, etc.). És freqüent en plantes (on sovint condueix a mides més grans o major vigor) i rara en animals. La poliploïdia pot ser induïda artificialment amb substàncies com la colquicina, que impedeix la formació del fus mitòtic.

Es distingeixen:

• Autopoliploïdies: Tots els jocs cromosòmics procedeixen de la mateixa espècie.
• Al·lopoliploïdies: Els jocs cromosòmics procedeixen de la hibridació de dues espècies diferents.

Agents Mutagènics: Factors Causants de Mutacions

Són els factors físics o químics que augmenten sensiblement la freqüència normal de mutació.

Agents Físics

Les radiacions mutagèniques

Se'n poden distingir dos tipus, segons els efectes que causen:

• a) Radiacions no ionitzants: Com els raigs ultraviolats (UV). Són radiacions electromagnètiques de menor longitud d'ona (i més energia) que la llum visible. L'ADN les absorbeix fortament. Provoquen l'excitació d'electrons a nivells d'energia superiors, afavorint la formació d'enllaços covalents entre pirimidines contigües (dímers de timina) i l'aparició de formes tautomèriques, que poden donar lloc a mutacions gèniques (substitucions).
• b) Radiacions ionitzants: Són radiacions electromagnètiques de longitud d'ona encara més curta (més energètiques) que els UV, com els raigs X i els raigs gamma, i també les emissions de partícules com les radiacions alfa (nuclis d'heli), beta (electrons) i de neutrons. Són molt més energètiques que els UV. Provoquen la pèrdua d'electrons en alguns àtoms de l'ADN (ionització), formant ions molt reactius. Poden causar canvis tautomèrics, trencar els anells de les bases nitrogenades i fins i tot trencar els enllaços fosfodièster, provocant la ruptura de l'ADN i, per tant, dels cromosomes (mutacions cromosòmiques). Per això, cal reduir al mínim les exposicions a aquestes radiacions (p. ex., proves radiològiques) i substituir-les per alternatives menys perilloses (com ecografies) quan sigui possible, especialment en dones embarassades.

Agents Químics

Les substàncies químiques mutagèniques

Són substàncies que reaccionen amb l'ADN i provoquen bàsicament tres tipus d'alteracions:

• a) Modificacions de les bases nitrogenades: Per exemple, l'àcid nitrós les desamina, la hidroxilamina hi afegeix grups hidroxil (-OH), i l'etilmetansulfonat (EMS) i el gas mostassa hi afegeixen grups alquil. Aquestes modificacions alteren les propietats d'aparellament de les bases.
• b) Substitució d'una base per un anàleg: Són molècules amb una estructura similar a les bases nitrogenades normals que poden incorporar-se a l'ADN durant la replicació. Per exemple, el 5-bromouracil (5-BU) és un anàleg de la timina, i la 2-aminopurina (2-AP) és un anàleg de l'adenina. Aquests anàlegs poden aparellar-se incorrectament durant les següents rondes de replicació.
• c) Intercalació de molècules: Molècules planes, com l'acridina o la proflavina, que tenen una mida similar a un parell de bases, poden inserir-se (intercalar-se) entre els parells de bases apilats a la doble hèlix de l'ADN. Això pot causar errors (insercions o delecions d'un sol parell de bases) durant la replicació, provocant un corriment en l'ordre de lectura.

Evolució del Concepte de Gen

Inicialment, Wilhelm Johannsen (1909) va donar el nom de gens als factors hereditaris abstractes que controlen els caràcters. Posteriorment, Thomas Hunt Morgan i la seva escola van enunciar la teoria cromosòmica de l'herència, segons la qual els gens es consideraven partícules materials situades linealment al llarg dels cromosomes.

Abans del 1940, es considerava que el gen era la unitat de funció, és a dir, la unitat més petita capaç de controlar un caràcter. Després, els experiments de George Beadle i Edward Tatum amb el fong Neurospora crassa van demostrar que la manera com un gen controla un caràcter és per mitjà de la producció d'un enzim específic que actua en una ruta metabòlica determinada. Això va portar a la hipòtesi "un gen - un enzim" (posteriorment refinada a "un gen - una proteïna" i "un gen - un polipèptid").

L'ADN dels Organismes Eucariotes

En els procariotes, l'ADN sol contenir una sola còpia de cada gen, i aquests gens són generalment continus (sense introns). A més, gairebé tot l'ADN és codificant o regulador.

En canvi, en els eucariotes, la situació és més complexa. Hi ha diferents tipus d'ADN segons la seva repetitivitat:

• ADN altament repetitiu o ADN satèl·lit (~10%): Constituït per seqüències curtes (5-10 pb) repetides milions de vegades. Se situa principalment als telòmers (extrems) i centròmers (constriccions) dels cromosomes, zones generalment inactives genèticament (heterocromatina). Es creu que té funcions estructurals en l'aparellament i segregació dels cromosomes.
• ADN moderadament repetitiu (~20%): Constituït per diverses seqüències (300-5.600 pb) repetides de desenes a milers de vegades. Està dispers per tot el genoma. Comprèn gens que es necessiten en gran quantitat (com els que codifiquen histones, ARNr, ARNt) i també elements transposables i seqüències de funció desconeguda.
• ADN no repetitiu o de còpia única (~70%): Conté la majoria dels gens que codifiquen proteïnes (transcrits a ARNm) i també ADN espaiador no codificant intercalat. Molts gens de còpia única estan interromputs per introns. Alguns gens poden estar presents en unes poques còpies (famílies gèniques), que poden presentar petites variacions i donar lloc a proteïnes lleugerament diferents (isoformes) actives en diferents teixits o condicions. De vegades, hi ha còpies no funcionals anomenades pseudogens.

S'ha suggerit que l'origen de moltes seqüències repetides són virus o elements transposables que s'han multiplicat dins del genoma de l'hoste. Com que sovint no causen gran perjudici, poden acumular-se, evitant la selecció negativa. Per això, de vegades s'anomena ADN egoista.

Mentre que en els procariotes es poden obtenir diferents productes a partir d'una mateixa regió d'ADN llegint-la en diferents marcs de lectura (gens sobreposats), en els eucariotes es dona sovint el cas contrari: a partir d'un mateix gen (amb processament alternatiu de l'ARN) o de diferents gens similars (famílies gèniques) es pot obtenir una diversitat de productes proteics. Un exemple complex és la generació de la diversitat d'anticossos.

Introducció a l'Enginyeria Genètica

L'enginyeria genètica és el conjunt de tècniques que permeten la modificació del genoma d'un organisme. El genoma és el conjunt haploide de gens d'un organisme (una còpia de cada gen). La modificació del genoma es pot fer per addició, eliminació o alteració de gens.

La tecnologia clau és la creació d'ADN recombinant, que consisteix a inserir un segment d'ADN d'interès (d'un organisme o sintètic) en un vector (com un plasmidi o un virus) que actua com a vehicle per introduir-lo en una cèl·lula hoste. Això és possible gràcies a eines moleculars com els enzims de restricció (que tallen l'ADN en seqüències específiques) i les ADN ligases (que uneixen fragments d'ADN).