martes, 17 de julio de 2012

DIFERENTES TIPOS DE MUTACIONES

 Mutaciones tradicionales versus mutaciones dirigidas



 Las mutaciones identificadas hasta el momento en los roedores de laboratorio pueden ser de dos tipos: (i) Aquellas que aparecieron espontáneamente o después de un tratamiento mutagénico. Son alrededor de 1500 en el ratón, 200 en la rata, y no más de unas decenas en el háms- ter, el jerbo y el cobayo en conjunto. En la mayoría de los casos, estas mutaciones se tra- ducen en un fenotipo patológico. A este tipo de mutaciones se las conoce como muta- ciones tradicionales. (ii) Aquellas que resultan de la manipulación in vitro del genoma de células embrionarias to- tipotentes (células ES, del inglés embryonic stem cells) por recombinación homóloga .     A estas mutaciones se las denomina mutaciones dirigidas (del inglés targeted mutations), y son posibles, al momento de este escrito, sólo en el ratón. Actualmente son más numerosas que las mutaciones tradicionales y su número crece velozmente. In- formación detallada sobre muchas líneas de ratones mutantes se puede encontrar en In- 202 MANUAL DE GENÉTICA DE ROEDORES DE LABORATORIO ternet (http://tbase.jax.org/).


 A este acercamiento en el cual se producen alelos mutantes en genes conocidos se lo conoce en inglés como “gene-driven mutagenesis”, en oposición a la mutagénesis experimental en la cual genes desconocidos son identificados en base a cambios fenotípicos (“phenotype-driven”). Las mutaciones tradicionales y las dirigidas se oponen en varios aspectos. Si bien un número constante de mutaciones tradicionales ha sido clonado por un enfoque posicional (positional cloning) en los últimos años, una gran parte es desconocida en términos moleculares. En la mayoría de los casos, las mutaciones tradicionales sirven para identificar nuevos genes, aunque son también fuente de nuevos alelos en loci ya conocidos. En cambio, las mutaciones dirigidas son bien conocidas en términos moleculares ya que se producen a partir de secuencias clona- das, pero, en general, no son fuente de identificación de nuevos genes. Las mutaciones tradicionales tienen en general un fenotipo muy evidente, contrariamente a las mutaciones inducidas in vitro, que tienen a menudo un fenotipo “engañoso”; el mismo suele ser muy severo (lo que provoca la muerte del animal a un estadio muy precoz del desarrollo) o muy discreto (compatible con un desarrollo normal). En estas condiciones, las mutacio- nes tradicionales son a priori un mejor modelo para las patologías humanas que las mutacio- nes inducidas; aunque la descripción de nuevas técnicas de mutagénesis condicionadas al tejido y momento adecuados están cambiando el panorama .




Las mutaciones dirigidas, producidas por recombinación homóloga, conllevan la interrupción de una secuencia codificante y comúnmente  generan genes que no son traducidos a proteínas (alelos nulos). Por el contrario, los mecanismos que generan las mutaciones tradicionales son muy numerosos, de origen diverso, y aportan mucha información sobre la estructura y los mecanismos de regulación de los genes en los mamíferos. El albinismo es un ejemplo interesante de la variedad de las mutaciones tradicionales ya que existen alrededor de 100 alelos espontáneos y generados por radiación que presentan cam- bios sutiles en la molécula de la enzima tirosinasa. El albinismo en los roedores de laborato- rio es equivalente al albinismo oculocutáneo tirosinasa negativo en los seres humanos, la for- ma más común de esta enfermedad autosómica recesiva. La tirosinasa es una enzima esen- cial para la producción de melanina a partir de tirosina, en particular los pasos de conversión hacia dihidroxi-fenil-alanina (DOPA) y DOPA-quinona. En los ratones, el alelo himalayan (Tyrc-h) está asociado a una mutación sin sentido en el codón 422 que resulta en la produc- ción de una enzima termo sensible con producción de melanina sólo en las regiones mas frí- as del cuerpo, como las extremidades de las orejas y las patas (equivalente a la mutación presente en los gatos Siameses). Este es sólo un ejemplo de la sutileza de los cambios debi- dos a mutaciones que podemos encontrar en la función de una proteína. Otros alelos de la tirosinasa con un fenotipo particular son extreme dilution (Tyrc-e), chinchilla mottled (Tyrc-m), platinum (Tyrc-p) y ruby eyed dilute (Tyrc-r), entre otros. Como veremos más adelante, muchas mutaciones generadas por agentes químicos son del tipo puntual (transiciones o transversiones de bases) y a veces no implican más que una pérdida par- cial de la actividad de la proteína. De esta manera, el estudio molecular de mutaciones tradicionales  LAS MUTACIONES 203 204 MANUAL DE GENÉTICA DE ROEDORES DE LABORATORIO les aporta casi siempre información original y transferible a la especie humana. Para una breve descripción de los mutantes más usados como modelo de enfermedades humanas.

Además, existe información sobre cientos de mutaciones espontáneas y dirigidas en el ra- tón en los siguientes sitios de Internet: http://www.ornl.gov/TechResources/Trans/hmepg.html; http://www.jax.org/resources/documents/imr/ y http://jaxmice.jax.org/jaxmicedb/html/models.shtml.



 Mutaciones puntuales y cromosómicas



 Teniendo en cuenta la naturaleza de la alteración a nivel del genoma, los genetistas clasificaron históricamente a las mutaciones en puntuales y cromosómicas. Las mutaciones cromosómicas eran aquellas detectables con la ayuda del microscopio óptico. Las mutaciones puntuales (o génicas) correspondían a una alteración que no era detectable por los medios habituales de observa- ción de cromosomas. Esta subdivisión de las mutaciones se remonta a la época en la cual el mi- croscopio óptico era el único medio disponible para visualizar algún cambio a nivel del material hereditario. Por lo tanto, las mutaciones indetectables por este simple análisis cromosómico (pero reconocidas como tal por su efecto), fueron designadas con el término general de muta- ciones puntuales, en oposición a las visibles como rearreglos cromosómicos. La noción de muta- ción puntual fue evolucionando con el tiempo y actualmente sabemos que comprende un en- samble de varios eventos diferentes a nivel del ADN. En algunos casos se trata de cambios muy simples, como el reemplazo de un nucleótido por otro (sustituciones), mientras que otras veces hay un corrimiento completo del marco de lectura sobre uno o varios exones, como consecuen- cia de deleciones o de intercalaciones de segmentos de ADN.


 Sustituciones La sustitución de un nucleótido por otro puede ser diferenciada en dos clases de eventos. La transición es el reemplazo de una base pirimídica por otra base pirimídica o de una púrica por otra púrica. En cambio, la transversión es el reemplazo de una base pirimídica por una base púrica o viceversa . Consideremos un triplete de ARNm, tal como UGC, que codifica normalmente para el ami- noácido cisteína. Este triplete puede ser modificado de diferentes formas por sustitución de nucleótidos, pero analizaremos sólo las concernientes a la tercera base, la citosina. Si esta ci- tosina es reemplazada por uracilo –la otra base pirimidínica del ARN  el triplete deviene en UGU. Esta transición no tiene ningún efecto sobre el producto del gen porque UGU, tanto como UGC, codifican para el aminoácido cisteína. Este tipo de mutación es llamada silen- ciosa. En otro caso de transversión, si la citosina (base pirimídica) es reemplazada por una adenina (base púrica) se forma el codón UGA que es una de las señales de detención de la traduc- ción, por lo tanto la cadena polipeptídica va a interrumpirse en forma prematura, generando una proteína trunca sin función biológica. Estas sustituciones se llaman mutaciones sin sentido LAS MUTACIONES 205 Figura 7.1 Las sustituciones. Las mutaciones por sustitución de nucleótidos pueden ser transiciones, cuando una base es reem- plazada por otra base del mismo tipo, y transversiones, cuando una pirimidina es reemplazada por purina, o viceversa. En conjunto, hay cuatro transiciones y ocho transversiones posibles. (del inglés nonsense mutations). Por ejemplo, si el gen afectado es la tirosinasa, la melanina no será elaborada y la coloración del animal portador de la mutación (en estado homocigota) es- tará suprimido, como es el caso ya visto del albinismo. La última forma de modificar la “letra” final del codón UGC consiste en reemplazar la citosina por una guanina (transversión), formando el nuevo triplete UGG. En este caso, el cambio provoca la incorporación a la cadena polipeptídica de un aminoácido diferente (el triptofano en lugar de la cisteína) y las consecuencias son variadas, en función del sitio de la sustitución y los cambios en la estructura física de la proteína (por ejemplo la función biológica se verá mu- cho más afectada si la sustitución se produce cerca del sitio activo). Este tipo de sustitución se conoce como una mutación de sentido erróneo (del inglés missense mutations). En el caso de que no se modifique la función y sólo se alteren las características físico-químicas de la proteína, se genera una aloproteína (por ejemplo, las aloenzima son variantes electroforéticas de una isoenzima). Las mutaciones que corren el marco de lectura de los codones en la mo- lécula de ARNm son llamadas mutaciones por corrimiento de lectura (del inglés frameshift mutations) y se deben normalmente a sustituciones o a pequeñas deleciones. Las mutaciones que provocan sustitución de aminoácidos en la cadena polipeptídica son muy frecuentes y representan lo que se ha convenido en llamar polimorfismo bioquímico. Se trata de mutaciones presentes en las poblaciones naturales y que juegan, quizás, un papel impor- tante en la evolución. En el hombre, se conocen muchas mutaciones de este tipo y una gran par- te de ellas está asociada a patologías hereditarias. Es el caso, por ejemplo, de la anemia falciforme, la cual resulta de una transversión A>T en el sexto codón del primer exón del gen de la β globi- na, lo que se traduce en la incorporación de una valina (GTG) en lugar de un ácido glutámico (GAG). En el ratón, se conocen también numerosos ejemplos, ya sea entre los genes de las glo- binas o cientos de otros genes en los cuales se han producido mutaciones inducidas por produc- tos químicos mutágenos. Las sustituciones de bases que acabamos de ver se traducen en muta- ciones que cambian la significación del mensaje codificado en los exones; pero existen también otras mutaciones puntuales que interfieren en la señal de comienzo de la transcripción (cajas TATA y CAAT) o los sitios de corte y empalme (splicing) del mensajero.


 Deleciones e inserciones Existen mutaciones que conllevan la deleción de un segmento de ADN de tamaño variable, desde algunas bases hasta cientos de kilobases. Es el caso de la mutación mdx (Dmdmdx) en el ratón (réplica de la distrofia muscular de Duchenne en el hombre), en la cual una deleción provoca la transcripción de un mensajero anormal y, en definitiva, la falta de distrofina, una proteína importante para el funcionamiento del músculo. Como veremos más adelante, las mutaciones generadas por radiación X suelen comprender grandes deleciones, como es el caso de la mutación murina nackt (Ctslnkt), donde el gen de la catepsina L (Ctsl) se encuentra anulado por una deleción que abarca dos exones. Como hemos visto en el Capítulo I, el genoma de los mamíferos contiene miles de copias de distintos tipos de secuencias de ADN llamadas retroposones (en inglés, retroposons o trans- 206 MANUAL DE GENÉTICA DE ROEDORES DE LABORATORIO posable elements). Estas secuencias son también una fuente de nuevas mutaciones por inser- ción. La inserción no es la única forma en la que los retroposones pueden causar mutaciones. Al encontrarse dispersos en miles de copias homólogas a lo largo del genoma, estas secuen- cias pueden favorecer fenómenos de recombinación con deleción de segmentos de ADN. Los retrovirus, en particular el de la leucemia murina de Moloney (MoMuLV), son capaces de provocar mutaciones intercalándose en un gen bajo la forma de un provirus (en inglés, inser- tional mutagenesis). Este descubrimiento fue realizado por primera vez en el ratón por los in- vestigadores Nancy Jenkins y Neal Copeland (Estados Unidos), cuando determinaron que la mutación dilute (Myo5ad) estaba asociada a la presencia en el ADN de un retrovirus. Este también es el caso de la mutación hairless (hr) asociada a una retrotransposición viral.

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