ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Βιοτεχνολογία

Μεταλλαξιγένεση

Διδάσκουσα: Αναπλ. Καθ. Άννα Ειρήνη Κούκκου

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

ΜΕΤΑΛΛΑΞΙΓΕΝΕΣΗ

Μετάλλαξη: αλλαγή στις βάσεις του DNA

Αν ένα γονίδιο που κωδικεύει για μια ειδική πρωτεΐνη μεταλλαχθεί, σημαίνει ότι θα υπάρξει αλλαγή στην

αλληλουχία των αμινοξέων στην πρωτεΐνη.

Συχνότητα φυσικής (τυχαίας) μετάλλαξης ποικίλει από 10-6

έως 10-9 (avg = 10-8)

Αυτό σημαίνει ότι εάν ένας βακτηριακός πληθυσμός αυξηθεί από 108 σε 2 x 108, θα προκύψει μία μεταλλαγή

Mεταλλάξεις είναι δομικές αλλαγές στο γονιδίωμα ενός οργανισμού

Γενομικές μεταλλάξεις:αλλαγές αριθμού χρωμοσωμάτων

Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις : αλλαγές στη διάταξη των γονιδίων μέσα στο χρωμόσωμα (ελλείψεις, αναστροφές, μετατοπίσεις)

Γονιδιακές μεταλλάξεις : αλλαγές αλληλοδιαδοχής των νουκλεοτιδιακών βάσεων ενός γονιδίου (μεταλλάξεις σημείου, point mutations)

Μεταλλάξεις μετατοπισμένου πλαισίου: προσθήκη ή αφαίρεση ενός νουκλεοτιδίου, με αποτέλεσμα την αλλαγή του πλαισίου ανάγνωσης κατά την μεταγραφή και μετάφραση

Τύποι μεταλλάξεων

Γονιδιακές μεταλλάξεις, Μεταλλάξεις σημείου

Μετάπτωσης (Transitions) : ανταλλαγές μιας πουρίνης με μια άλλη πουρίνη

Μεταστροφής (Transversions): ανταλλαγές μιας πουρίνης με μια πυριμιδίνη και αντιστρόφως

Δώδεκα διαφορετικές αντικαταστάσεις βάσεων μπορούν να συμβούν στο DNA

πουρίνη πυριμιδίνη μετάπτωσης

μεταστροφής

• Παρανοηματική μετάλλαξη (Missense mutation): Η αλλαγή στη βάση έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή ενός αμινοξέος στη πρωτεΐνη που μεταφράζεται

Ανταλλαγές βάσεων

Ανταλλαγές βάσεων

Μη νοηματική μετάλλαξη (Nonsense mutation): Η αλλαγή της βάσης δημιουργεί ένα κωδικόνιο τερματισμού

Μη λειτουργική πρωτεΐνη

Όταν ένα αμινοξύ αντικατασταθεί από ένα άλλο με όμοιες χημικές ιδιότητες, τότε η πρωτεΐνη που θα προκύψει μπορεί να είναι και πάλι λειτουργική. Η μετάλλαξη αυτή ονομάζεται σιωπηλή μετάλλαξη (silent mutation).

Επίσης η αντικατάσταση του αμινοξέος μπορεί να γίνει σε περιοχή της πρωτεΐνης όπου δεν επηρεάζεται η δευτεροταγής δομή της.

Όταν ένα αμινοξύ μπορεί να κωδικεύεται από περισσότερα του ενός κωδικόνια (εκφυλισμένη κωδικοποίηση, degenerated coding), τότε η μετάλλαξη σε ένα κωδικόνιο μπορεί να μην προκαλεί αλλαγή στη μετάφραση. Η μετάλλαξη μπορεί να είναι μια συνώνυμη μετάλλαξη (synonymous mutation, μια μορφή σιωπηλής μετάλλαξης ή και οχι).

Σιωπηλή μετάλλαξη

Μεταλλάξεις μετατοπισμένου πλαισίου

(frameshift):

προσθήκη ή αφαίρεση ενός νουκλεοτιδίου

Μεταλλάξεις μετατοπισμένου πλαισίου

Προσθήκες ή αφαιρέσεις ενός ή δύο ζευγών βάσεων αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης

Μεταγραφόμενη αλυσίδα

Μετάλλαξη Φυσικός τύπος Προσθήκη ζεύγους βάσεων

πολυπεπτίδιο

Μεταλλαξογόνα

Φυσικά

Χημικά

Βιολογικά

Φυσικά μεταλλαξογόνα

X-ray Χημική αλλαγή στις βάσεις, σπάσιμο αλυσίδας DNA

UV ακτινοβολία προκαλεί διμερή θυμίνης

Υπεριώδης ακτινοβολία (260 nm)

Προκαλεί διμερή πυριμιδινών μεταξύ γειτονικών πυριμιδινών. Τα διμερή είναι δύο τύπων :

Κύριο προϊόν, διμερές μεταξύ των C5 και C6 των γειτονικών μορίων

Σχηματισμός επίσης του "6-4" προϊόντος, το οποίο προκαλεί μεγαλύτερη μεταλλαξιγέννεση (μεταξύ του C6 της θυμίνης και του C4 της κυτοσίνης)

Δομή διμερών θυμίνης

N

HN

H

O

O

CH3

Thymine

N

HN

H

O

O

CH3

Thymine

d-ribose d-ribose

5 5

6 6 (Προσθήκη Η στο C6)

Θυμίνη Θυμίνη

ριβόζη ριβόζη

Χημικά Δράση

HNO2 (νιτρώδες οξύ) NH2OH (υδροξυλαμίνη)

Αντιδρούν με τις βάσεις με αποτέλεσμα αντικατάσταση ζευγών βάσεων

Αλκυλιωτικοί παράγοντες (π.χ. EMS, MMS, DES, NTG)

Αντιδρούν με τις βάσεις με αποτέλεσμα αντικατάσταση ζευγών βάσεων

Αντιδραστήρια παρεμβολής (π.χ. ακριδίνη, βρωμιούχο αιθίδιο)

Εισέρχονται στο DNA και προκαλούν προσθήκη ή αφαίρεση ενός ζεύγους β

Ανάλογα βάσεων Αντικατάσταση ζευγών βάσεων

5-βρωμοουρακίλη Ανάλογο της T που μπορεί να ζευγαρώσει με C

2-αμινο-πουρίνη Ανάλογο της A που μπορεί να ζευγαρώσει με C

Χημικά μεταλλαξογόνα

EMS:αιθυλομεθανοσουλφονικό, MMS: μεθυλομεθανοσουλφονικό, DES:διαιθυλοσουλφονικό, NTG:μεθυλο-νιτροσογουανιδίνη

Χημικές τροποποιήσεις

Aλλαγή ζευγών βάσεων • Oξειδωτική απαμίνωση

• Nιτρώδες οξύ (HNO2) οξειδώνει τη C σε U • C σε U επίσης συμβαίνει τυχαία:

• 1 σε 1000 C μπορούν να μετατραπούν σε U στη διάρκεια της ανθρώπινης ζωής, αν δεν επιδιορθωθούν

κυτοσίνη ουρακίλη

Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Fig. 19.13 Απαμίνωση βάσεων

Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Fig. 19.13b, μεταλλαξογόνα που αντιδρούν με βάσεις

Αμινομάδα σε υδροξυλαμινομάδα

αλκυλίωση

C2H6O3S

BIOXHMEIA, TOMOΣ II – ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Αντιδραστήρια παρεμβολής

Προκαλούν αλλαγή του πλαισίου ανάγνωσης

Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Fig. 19.14 Μεταλλάξεις μέσω παρεμβολής στο DNA

Ταυτομερίωση Επίσης μια κετονική ομάδα μπορεί να ταυτομεριστεί σε μια ενολική μορφή

Χημικά μεταλλαξογόνα- Ανάλογα βάσεων

Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Μεταλλαξογόνος δράση της βρωμοουρακίλης

Επιδιόρθωση του DNA

Άμεση επιδιόρθωση (φωτοχημική διάσπαση των διμερών πυριμιδινών) Επιδιόρθωση με εκτομή βάσης Επιδιόρθωση με εκτομή νουκλεοτιδίου

Επιδιόρθωση με εκτομή

BIOXHMEIA, TOMOΣ II – ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Ενζυμικό σύμπλοκο που αποτελείται από πρωτεΐνες που κωδικεύονται από τα γονίδια uvrABC ανιχνεύει την παραμόρφωση που δημιουργείται από το διμερές. Ένα ειδικό ένζυμο uvrABC (εκτομάση) κόβει την αλλοιωμένη αλυσίδα σε 2 θέσεις ( 8 νουκλεοτίδια από το διμερές προς το 5’ και 4 προς το 3΄. Η DNA πολυμεράση Ι αρχίζει την σύνθεση επιδιόρθωσης Τέλος η DNA λιγάση ενώνει τα άκρα

Η παρουσία της θυμίνης στο DNA επιτρέπει την επιδιόρθωση της απαμινωμένης κυτοσίνης

BIOXHMEIA, TOMOΣ II – ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

κυτοσίνη ουρακίλη

Βιολογικά μεταλαξογόνα

Βιολογικοί παράγοντες Δράση Σειρές εισδοχής (IS) Τμήματα DNA περίπου 1000 βάσεων μπορούν να εισέλθουν στο DNA

Tρανσποζόνια γενετικά στοιχεία που ελέγχονται από IS και τα οποία μπορούν να εισέλθουν στο χρωμόσωμα

Ιοί Μερικοί βακτηριοφάγοι (e.g. phage mu)

μπορούν να εισέλθουν στο βακτηριακό

χρωμόσωμα

Επιλογή μιας ανθεκτικής σε αντιβιοτικό μετάλλαξης

Επιλογή μεταλλάξεων ικανών να χρησιμοποιούν μια ειδική πηγή

άνθρακα

Επιλογή αυξότροφης μετάλλαξης

Επιλογή μεταλλάξεων σε βακτήρια

Προσθήκη πενικιλλίνης για εμπλουτισμό σε μεταλλάξεις αυξότροφες

Σκοτώνονται τα κύτταρα που αναπτύσσονται (διαιρούνται) μόνο

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του

εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο

Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του

εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος

«Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την

Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς

πόρους.

Σημειώματα

Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου

Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0.

Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις:

• Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1247.

Σημείωμα Αναφοράς

Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκουσα: Αναπλ. Καθ. Άννα Ειρήνη Κούκκου. «Βιοτεχνολογία. Μεταλλαξιγένεση». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1247.

Σημείωμα Αδειοδότησης

• Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού -Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη.

• [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.