Stikkord

Ulike kategorier av mutasjoner:
Subtitusjoner
Addisjoner
Delesjoner

Induserte mutasjoner
Base-analoger
Kjemisk modifisering av baser
Skader på baser

Spontane mutasjoner
Feil ved DNA-replikasjon
Spontane skader
 

DNA-reparasjon
Direkte reparasjon av DNA (fotolyase, alkyltransferase)
Eksisjons-reparasjon (BER, NER)
Post-replikasjons-reparasjon (mismatch-reparasjon)
 

Mutasjonsanalyse (kap. 15)
Somatisk vs. kjønnscelle-mutasjon
Forvover- vs. revers-mutasjon
Mutante fenotyper

Mutasjoner

Def. mutasjon:
a) en arvbar endring i nukleotid-sekvensen til et kromosom.
b) genet/kromosomsettet som dannes ved denne prosessen.

Mutasjoner kan deles inn i:

Genmutasjoner (punktmutasjoner) - endrer ett allel til et annet allel (kap.16). Involverer ett gen.

Kromosomale mutasjoner - endrer kromosomstruktur (kap. 17) eller antall kromosomer i en celle (kap.18). Involverer oftest flere gener.
Mutasjoner kan observeres både på DNA-nivå og på protein-nivå (se tabell 15-1).

På DNA-nivå deles punktmutasjoner inn i to (tre) kategorier:

• Base-substitusjoner
• Base-addisjoner/delesjoner

På protein-nivå arter subtitusjoner seg på tre forskjellige måter:

1. Taus mutasjon - mutasjonen gir et annet kodon (triplett) for den samme aminosyren ® ingen effekt.

2. Missens-mutasjon - mutasjonen fører til at det endrete kodonet koder for en annen aminosyre:
a) Nøytral (synonym missens) mutasjon: blir endret til en kjemisk lignende aminosyre (eks. GGC ® GCC gir glysin ® alanin). Gir ofte svak/ingen effekt.
b) Ikke-nøytral (ikke-synonym missens) mutasjon: blir endret til en kjemisk ulik aminosyre (eks. GGC ® GAC gir glysin ® asparginsyre). Gir ofte alvorlig effekt.

3. Nonsens-mutasjon - det muterte kodonet er et stoppkodon ® får terminering av proteinet.

Addisjon eller delesjon av en base i den kodende sekvensen fører til endring i leserammen til mRNA’et (rammeskift). Et rammeskift fører til at heleaminosyresekvensen "nedstrøms" for mutasjonen blir endret, noe som generelt gir tap av proteinfunksjon.
 
 

Mekanismer for mutasjoner

Kan deles inn i to hovedkategorier:

• Induserte mutasjoner og
• Spontane mutasjoner

Spontane mutasjoner
Def.: mutasjoner som oppstår i fravær av mutagener, vanligvis som følge av feil i normale enzmatiske prosesser.

Feil i replikasjon
Replikasjonsmaskineriet gjør iblant feil, og setter inn baser som misparer (hovedsaklig transisjoner).
De naturlig forekommende basene (fig. 16-1) kan selv danne misparing (svært sjelden) ved å skifte til andre tautomerer (keto-enol eller amino-imino, fig. 16-2 og 16-3).
I sekvenser med repeterte motiver kan det skje en "slippage" misparing ved at den ene av de to DNA-trådene danner en liten "loop" som fører til enten en addisjon eller en delesjon (fig. 16-4).

Spontane lesjoner (skader)
Baser kan bli ødelagt uten "hjelp" av mutagener. To naturlige prosesser som skjer flere tusen ganger i hver celle hver dag, er depurinering og deaminering.
Depurinering fører til at en hel base tapes.
Deaminering er tap av en aminogruppe, noe som kan gi basen endrete parings-egenskaper.

Eks. deaminering av cytosin gir uracil, som er en en analog til thymin (jmf. RNA). En slik deaminering fører til en G-C ® A-T-transisjon.

Oksygenradikaler finnes naturlig i celler som bi-produkter av metabolisme. Disse kan gi en rekke skader på baser, hvorav 8-oxoguanin (fig. 16-10) er den som gir opphav til flest mutasjoner. 8-oxoguanin misparer med adenin. Superoksid dismutase og katalase er enzymer som fjerner enkelte oksygenradikaler fra cella og bidrar til å redusere slike skader.
En sykdom som forårsakes av spontane mutasjoner er Fragile X-syndromet. Genet FMR-1 inneholder et område med et stort og varierende antall repetisjoner av en trinukleotid-repetisjon (6 til 54 repetisjoner). Personer med Fragile-X-syndromet har et mye større antall repetisjoner (200-1300, fig. 16-12). Mekanismen bak dannelsen av disse repetisjonene er trolig "slippage" misparing under DNA-replikasjon. Når antallet repetisjoner kommer over et visst nivå, mister replikasjonsmaskineriet evnen til å replikere sekvensen korrekt, noe som fører til store variasjoner i repetisjoner.
 
 

Induserte mutasjoner
Def.: mutasjoner som oppstår etter behandling med eller eksponering mot miljøfaktorer som øker mutasjonsraten (mutagener)
Tre hovedmekanismer for induserte mutasjoner:

• Erstatter en base
• Endrer en base slik at den danner feil basepar
• Skader en base slik at ikke er istand til å basepare

Erstatting av baser

Kjemiske forbindelser som er strukturelt lik basene i DNA (baseanaloger) kan bli inkorporert i DNA.
5-bromouracil (5-BU) er et mutagen (baseanalog til thymin) som kan bli spontant ionisert.
I uionisert tilstand baseparer 5-BU med adenin, med ved ionisering dannes baseparing med GC, noe som fører til en G-C ® A-T transisjon ved replikasjon (fig. 16-14).
2-aminopurin (2-AP) er en baseanalog til adenin som i protonert tilstand kan basepare med cytosin og føre til en A-T ® G-C transisjon (fig. 16-16).

Modifisering av baser
Alkylerende forbindelser (f.eks. EMS, NG) tilfører alkylgrupper til ulike posisjoner på alle de fire basene. Endel av disse modifikasjonene fører til endret baseparing (fig. 16-17).
Interkalerende forbindelser er planare forbindelser med flere aromatiske ringer. Eks. proflavin, etidiumbromid.
Disse molekylene er istand til å klemme seg inn mellom baseparene i DNA-heliksen og forstyrre strukturen slik at det skjer feil baseparing (fig. 15-18).

Skading av baser
Skading av baser med enkelte mutagener fører til så store endringer på DNA-strukturen at basen(e) ikke klarer å danne basepar, med den følge at replikasjonen blir hindret. For å omgå denne typen replikasjonsblokkeringer, aktiveres et proteinsystem kalt SOS-systemet (fig.16-19). Det dannes et proteinkompleks som tillater DNA polymerase å syntetisere DNA forbi skaden uten å ta hensyn til den. Sjansen for feil replikering av de skadde basene er høy, og kan være en kilde til mutasjoner.
Ultrafiolett (UV) lys har så høy energi at det er istand til å endre strukturen på basene. To vanlige skader indusert av UV-lys er pyrimidindimerer og 6-4-fotoprodukt (fig.16-20). Disse skadene aktiverer SOS-systemet.
 

Reparasjonsmekanismer

I løpet av evolusjonen har det blitt utviklet en rekke enzymatiske systemer som gjenkjenner og reparerer uilke typer av DNA-skader.

Direkte reparasjon av DNA-skade
Fotolyase er et enzym som finnes i en rekke organismer, men trolig ikke i pattedyr. Ved nærvær av synlig lys binder fotolyase seg til pyrimidindimerer (UV-skade) og gjenoppretter de vanlige basene (fig. 16-25). CD-ROM-plata som følger med boka har en animasjon som viser hvordan man tror at mekanismen fungerer.

Alkyltransferaser overfører alkylgrupper som har blitt koblet til guanin og thymin til en katalytisk cystein-enhet i enzymet. Alkyltransferaser kalles "selvmordsenzymer" fordi de inaktiveres ved overføringen.

Eksisjons-reparasjon
Nukleotid (generell) eksisjons-reparasjon (NER):
Skader som introduserer større strukturelle endringer i DNA blir generelt via et spor kalt nukleotid eksisjons-reparasjon. En større del av uskadet DNA som flankerer skaden (ca. 30 nukleotider i pattedyr) blir kuttet ut av et proteinkompleks. DNA polymerase fyller ut "hullet" som blir dannet, med den uskadete DNA-tråden som templat.
En lidelse som fører til sterkt økt hyppighet av hudkreft, Xeroderma pigmentosum (XP), har basis i mutasjoner i genene som er involvert i NER.

Base-eksisjons-reparasjon (BER):
Skadde eller misparete baser blir gjenkjent av spesifikke DNA-glykosylaser. Flere av disse "vipper" den skadde basen ut av DNA-heliksen og bryter N-glyksyl-bindingen mellom basen og sukkeret.
Det blir dermed dannet et abasisk (AP-) sete (fig. 16-29). En AP-endonuklease fjerner AP-setet, og DNA pol I og DNA ligase fyller ut hullet (fig. 16-30).

"Mismatch"-reparasjons-system:
Feilinkorporering under replikasjonen fører til "mismatch" i DNA. "Mismatch"-reparasjons-systemet er assosiert med replikasjons-komplekset og gjenkjenner slike "mismatch’er". Den nysyntetiserte DNA-tråden skilles fra den gamle tråden på bakgrunn av metylering: den nye tråden har ikke rukket å bli metylert like etter DNA-syntesen. Reparasjonssystemet fjerner deretter et segment av den nye tråden med "mismatch", og replikasjonsmaskineriet fyller ut hullet. Arvbar ikke-polypøs kolonkreft (HNPCC) skyldes for en stor grad defekt hos komponenter i mismatch-reparasjon.

Mutasjonsanalyse

Studier av mutasjoner har vært til uvurderlig hjelp for å forstå de fleste biologiske prosesser, og brukes rutinemessig i molekylærbiologi idag.
De fleste gener har blitt identifisert gjennom deres mutante alleler. Hvis man vil studere en bestemt biologisk prosess, er en vanlig taktikk å sette opp en stor mutasjons-"screen" der man mutageniserer og ser etter fenotyper som tyder på at den aktuelle prosessen/unksjonen har blitt forstyrret eller ødelagt.
Valg av type mutagen er viktig, da ulike mutagener produserer ulike mutasjonsprofiler.
Et annet punkt er hvilken type vev eller celler som skal mutageniseres.
Hvis mutasjonen skjer i somatisk vev, kalles den for en somatisk mutasjon. Hvis den skjer i en kjønnscelle kalles den for en kimbane-mutasjon ("germinal" mutasjon).
Kun kimbane-mutasjoner føres videre til neste generasjon (unntak for planter der det muterte vevet danner blomster).
Det er relativt enkelt å påvise mutasjoner i haploide organismer: siden de bare har en kopi av hvert gen, blir alle mutasjoner dominante.
I diploide organismer er det ikke så enkelt å påvise recessive mutasjoner. Hvis man jobber med et spesifikt gen, kan kan man bruke heterozygoter i mutasjons-"screenen". Alle mutasjoner av det dominante allelet kan da påvises. Dette kalles en spesifikk-lokus-test (fig. 15-13 og 15-14).

Forover- ("Forward") mutasjon
Def.: En mutasjon som omdanner et villtype-allel til et mutant allel.

Revers-mutasjon
Def.: En mutasjon som omdanner et mutant allel tilbake til villtype-allelet.

I de fleste mutasjonsanalyser ser man etter forover-mutasjoner.

Et annet viktig spørsmål innen mutasjonsanalyser er hvilken type av mutante fenotyper man vil se etter.
De fleste mutasjoner vil ødelegge ("null loss-of-function") eller redusere ("leaky loss-of-function") funksjonen til genproduktet.
En sjelden gang kan derimot mutasjonen gi genproduktet en ny funksjon ("gain-of-function"); denne mutasjonen vil trolig være dominant.

Mutasjoner kan også deles inn i generelle fenotypiske kategorier:
Morfologiske mutasjoner påvirker synlige egenskaper til organismen.
Letale mutasjoner virker inn på levedyktigheten til organismen.
Biokjemiske mutasjoner kan lettest studeres hos mikroorganismer. Ved å dyrke disse på et minimal-medium, vil mutanter for biosyntetiske prosesser ofte skille seg ut ved liten eller ingen vekst.
Kondisjonelle mutanter viser den mutante fenotypen bare under gitte, restriktive forhold, mens den har en normal fenotype under andre, permissive forhold.
 
 

Ordliste i genetikk