7.2: Reacción con Mutágenos

Muchas mutaciones no resultan de errores en la replicación. Los reactivos químicos pueden oxidar y alquilar las bases en el ADN, a veces cambiando sus propiedades de emparejamiento de bases. La radiación también puede dañar el ADN. Ejemplos de estas reacciones mutagénicas se discutirán en esta sección.

Modificación Química por Oxidación

Cuando las bases amino, adenina y citosina, se oxidan, también pierden un grupo amino. Así, la amina es reemplazada por un grupo keto en el producto de esta reacción de desaminación oxidativa. Por ejemplo, la oxidación de la citosina produce uracilo, que se empareja de bases con adenina (mostrado para desoxicitidina en la Figura 7.6). Asimismo, la oxidación de la adenina produce hipoxantina, la cual se empareja con la citosina (Figura 7.7.A). Así los productos de estas reacciones químicas serán mutaciones en el ADN, si no se reparan. La oxidación de guanina produce xantina (Figura 7.7.B). En el ADN, la xantina se emparejará con la citosina, al igual que la guanina original, por lo que esta alteración en particular no es mutagénica.

Figura 7.6. La desaminación oxidativa de desoxicitidina produce desoxiuridina. La desoxiuridina en el ADN dirigiría el emparejamiento con dA después de la replicación.

Figura 7.7.A.Estructura de la hipoxantina, producto de la desaminación por oxidación de adenina.

Figura 7.7.B.Estructura de la xantina, producto de la desaminación oxidativa de guanina.

Ejercicio

Tanto la hipoxantina como la xantina pueden emparejarse con citosina en el ADN. ¿Por qué es esto?

La oxidación de C a U ocurre espontáneamente a una tasa alta. La frecuencia es tal que 1 de cada 1000 Cs en el genoma humano se convertiría en Nosotros durante toda la vida, si no fueran reparadas. Como se discutirá más adelante, los mecanismos de reparación han evolucionado para reemplazar una U en el ADN por una T.

La metilación de C antes de su desaminación oxidativa lo enmascarará efectivamente de los procesos de reparación para eliminar las U del ADN. Esto tiene un impacto sustancial en los genomas de organismos que metilan C. En muchos eucariotas, incluyendo vertebrados y plantas (pero no levaduras ni Drosophila), la principal ADN metiltransferasa reconoce el dinucleótido CpG en el ADN como sustrato, formando 5-metil-CpG (Figura 7.8). Cuando la 5-metil citosina se somete a desaminación oxidativa, el resultado es 5-metil uracilo, que es lo mismo que la timina. El sistema de vigilancia que reconoce las U en el ADN no le hace nada a la T, ya que es un componente normal del ADN. De ahí que la oxidación de 5-metil CpG a TpG, seguida de una ronda de replicación, da como resultado una transición de C:G a T:A en los sitios CpG anteriores (Figura 7.8). Esta desaminación espontánea es bastante frecuente; de hecho, las transiciones C a T en los dinucleótidos CpG son las mutaciones más comunes en humanos. Dado que esta transición no se repara, con el tiempo el número de dinucleótidos CpG disminuye considerablemente en los genomas de vertebrados y plantas.

Yo

—CG— —CG— [O] —TG— + NH3 — T G—

||||||® ||||||® ||o|||® ||||||| +peso

—GC— —GC— —GC— — A C—

Metil- Replicar

mutación transferasa

Figura 7.8. La metilación de dinucleótidos CpG seguida de desaminación oxidativa da como resultado dinucleótidos TpG.

Algunas regiones de los genomas de plantas y vertebrados no muestran el agotamiento habitual de dinucleótidos CpG. En cambio, la frecuencia de CpG se acerca a la de GpC o la frecuencia esperada de la frecuencia individual de G y C en el genoma. Una definición de trabajo de estas islas CpG es que son segmentos de ADN genómico de al menos 100 pb de longitud con una relación CpG a GpC de al menos 0.6. Estas islas pueden ser incluso más largas y tener un Cpg/GPC > 0.75. Son regiones distintivas de estos genomas y a menudo se encuentran en promotores y otras regiones reguladoras de genes. El examen de varias de estas islas CpG ha demostrado que no están metiladas en ningún tejido, a diferencia de la mayoría de los otros CpG en el genoma. Las áreas actuales de investigación incluyen investigar cómo las islas CpG escapan a la metilación y su papel en la regulación de la expresión génica.

Ejercicio

Si una isla CpG fuera metilada en la línea germinal, ¿cuáles serían las consecuencias a lo largo de muchas generaciones?

La tasa de oxidación de las bases en el ADN se puede incrementar mediante el tratamiento con reactivos apropiados, como el ácido nitroso (HNO ₂). Así, el tratamiento con ácido nitroso incrementará la oxidación de C a U, y por lo tanto conducirá a transiciones de C:G a T:A en el ADN. También aumentará la oxidación de adenina a hipoxantina, dando lugar a transiciones de A:T a G:C en el ADN.

Modificación química por alquilación

Muchos mutágenos son agentes alquilantes. Esto significa que agregarán un grupo alquilo, como metilo o etilo, a una base en el ADN. Ejemplos de agentes alquilantes de uso común en trabajos de laboratorio son N-metil-nitrosoguanidina y N-metil-N'-nitronitrosoguanidina (MNNG, Figura 7.9.A.). Los agentes de guerra química, la mostaza de azufre y la mostaza nitrogenada también son agentes alquilantes.

N-metil-nitrosoguanidina y MNNG transfieren un grupo metilo a guanina (por ejemplo, a la posición O ⁶) y otras bases (por ejemplo, formando 3-metiladenina a partir de adenina). El metilo adicional (u otro grupo alquilo) causa una distorsión en la hélice. La hélice distorsionada puede alterar las propiedades de emparejamiento de bases. Por ejemplo, la O6-metilguanina a veces se emparejará con timina (Figura 7.9.B.).

A. N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (MNNG)

B. 6-O-metil-G se emparejará con T

Figura 7.9.A. Estructura de MNNG y el par de bases entre O6-metil G y T

El orden de reactividad de los centros nucleofílicos en purinas sigue aproximadamente esta serie:

N7-G >> N3-A > N1-A @ N3-G @ O6-G.

Un reactivo de laboratorio común para las purinas en el ADN es el sulfato de dimetilo o DMS. Los productos de esta reacción son principalmente N ^7-guanina, pero también es detectable la ^N-3-adenina. Esta reacción se utiliza para identificar sitios de unión a proteínas en el ADN, ya que la interacción con una proteína puede provocar una disminución de la reactividad al DMS de las guaninas dentro del sitio de unión pero una mayor reactividad adyacente al sitio. La metilación para formar N7-metil-guanina no causa una codificación errónea en el ADN, ya que esta purina modificada aún se aparea con C.

Sustancias químicas que causan deleciones

Algunos compuestos provocan una pérdida de nucleótidos del ADN. Si estas deleciones ocurren en una región codificante de proteínas del ADN genómico, y no son un múltiplo integral de 3, dan como resultado una mutación de desplazamiento de marco. Estas son comúnmente mutaciones de pérdida de función más severas que las sustituciones simples. Los mutágenos de desplazamiento de marco como la proflavina o el bromuro de etidio tienen estructuras anulares policíclicas planas (Figura 7.10.A.). Pueden unirse e intercalarse dentro del ADN, es decir, pueden insertarse entre pares de bases apiladas. Si un segmento del ADN molde es el bucle, la ADN polimerasa puede replicarse más allá de él, generando así una deleción. Los agentes intercalantes pueden estabilizar estructuras secundarias en el bucle, aumentando así la probabilidad de que este segmento permanezca en el bucle y no se copie durante la replicación (Figura 7.10.B.) Así, el crecimiento de las células en presencia de tales agentes intercalantes aumenta la probabilidad de generar una deleción.

A.

B.

Figura 7.10. Dos agentes intercalantes (A) y su capacidad para estabilizar bucles en el molde, dando lugar a deleciones en la cadena de ADN naciente (B). Los pirenos Benz (a) están presentes en el hollín.

Colaboradores y Atribuciones

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