Mutação da linha germinativa - Germline mutation
Uma mutação germinativa , ou mutação germinativa , é qualquer variação detectável dentro das células germinativas (células que, quando totalmente desenvolvidas, tornam-se espermatozoides e óvulos ). As mutações nessas células são as únicas mutações que podem ser transmitidas aos descendentes, quando um espermatozóide ou oócito mutado se reúnem para formar um zigoto . Depois que esse evento de fertilização ocorre, as células germinativas se dividem rapidamente para produzir todas as células do corpo, fazendo com que essa mutação esteja presente em todas as células somáticas e germinativas da prole; isso também é conhecido como uma mutação constitucional. A mutação da linha germinativa é distinta da mutação somática .
Mutações na linha germinativa podem ser causadas por uma variedade de fatores endógenos (internos) e exógenos (externos) e podem ocorrer durante o desenvolvimento do zigoto. Uma mutação que surge apenas nas células germinativas pode resultar em descendentes com uma condição genética que não está presente em nenhum dos pais; isso ocorre porque a mutação não está presente no resto do corpo dos pais, apenas na linha germinativa. Devido a muitas doenças graves decorrentes de mutações de novo na linha germinativa, diferentes técnicas de edição de genes podem ser usadas para induzir quebras de DNA e reparar a mutação.
Quando ocorre mutagênese
Mutações na linha germinativa podem ocorrer antes da fertilização e durante vários estágios de desenvolvimento do zigoto. Quando a mutação surge determinará o efeito que tem na prole. Se a mutação surgir no espermatozóide ou no oócito antes do desenvolvimento, a mutação estará presente em todas as células do corpo do indivíduo. Uma mutação que surge logo após a fertilização, mas antes que a linha germinativa e as células somáticas sejam determinadas, a mutação estará presente em uma grande proporção da célula do indivíduo, sem tendência para a linha germinativa ou células somáticas. Isso também é chamado de mutação gonossômica. Uma mutação que surge posteriormente no desenvolvimento do zigoto estará presente em um pequeno subconjunto de células somáticas ou germinativas, mas não em ambas.
Causas
Fatores endógenos
Uma mutação na linha germinativa freqüentemente surge devido a fatores endógenos , como erros na replicação celular e danos oxidativos. Este dano raramente é reparado de forma imperfeita, mas devido à alta taxa de divisão das células germinativas, pode ocorrer com frequência.
Mutações endógenas são mais proeminentes no esperma do que nos óvulos. Isso ocorre porque os espermatócitos passam por um número maior de divisões celulares ao longo da vida de um homem, resultando em mais ciclos de replicação que podem resultar em uma mutação do DNA. Erros no óvulo materno também ocorrem, mas em uma taxa mais baixa do que no espermatozóide paterno. Os tipos de mutações que ocorrem também tendem a variar entre os sexos. Os óvulos da mãe, após a produção, permanecem em estase até que cada um seja utilizado na ovulação. Foi demonstrado que esse longo período de estase resulta em um maior número de deleções, duplicações, inserções e transversões cromossômicas e de grandes sequências. O espermatozóide do pai, por outro lado, sofre replicação contínua ao longo de sua vida, resultando em muitas pequenas mutações pontuais que resultam de erros na replicação. Essas mutações incluem exclusões, inserções, duplicações e alterações de aminoácidos de um único par de bases.
O dano oxidativo é outro fator endógeno que pode causar mutações na linha germinativa. Esse tipo de dano é causado por espécies reativas de oxigênio que se acumulam na célula como um subproduto da respiração celular . Essas espécies reativas de oxigênio não têm um elétron e, como são altamente eletronegativas (têm uma forte atração de elétrons), arrancam um elétron de outra molécula. Isso pode iniciar o dano ao DNA porque faz com que o ácido nucléico guanina mude para 8-oxoguanina (8-oxoG). Essa molécula 8-oxoG é então confundida com uma timina pela DNA polimerase durante a replicação, causando uma transversão G> T em uma fita de DNA e uma transversão C> A na outra.
Fatores exógenos
Uma mutação germinativa também pode ocorrer devido a fatores exógenos . Semelhante às mutações somáticas, as mutações da linha germinativa podem ser causadas pela exposição a substâncias nocivas, que danificam o DNA das células germinativas. Esse dano pode então ser reparado perfeitamente, e nenhuma mutação estará presente, ou reparado de forma imperfeita, resultando em uma variedade de mutações. Mutagênicos exógenos incluem produtos químicos prejudiciais e radiação ionizante ; a principal diferença entre as mutações da linha germinativa e as mutações somáticas é que as células germinativas não são expostas à radiação ultravioleta e, portanto, nem sempre sofrem mutação direta dessa maneira.
Implicações clínicas
Diferentes mutações na linha germinativa podem afetar um indivíduo de maneira diferente, dependendo do resto de seu genoma. Uma mutação dominante requer apenas 1 gene mutado para produzir o fenótipo da doença , enquanto uma mutação recessiva requer que ambos os alelos sejam mutados para produzir o fenótipo da doença. Por exemplo, se o embrião herda um alelo já mutado do pai, e o mesmo alelo da mãe sofreu uma mutação endógena, a criança apresentará a doença relacionada a esse gene mutado, embora apenas um dos pais seja portador do alelo mutante. Este é apenas um exemplo de como uma criança pode apresentar uma doença recessiva enquanto um gene mutante é carregado apenas por um dos pais. A detecção de anormalidades cromossômicas pode ser encontrada in utero para certas doenças por meio de amostras de sangue ou ultrassom, bem como procedimentos invasivos, como uma amniocentese . A detecção posterior pode ser encontrada por triagem do genoma.
Câncer
Mutações em genes supressores de tumor ou proto-oncogenes podem predispor um indivíduo a desenvolver tumores. Estima-se que mutações genéticas hereditárias estejam envolvidas em 5-10% dos cânceres. Essas mutações tornam uma pessoa suscetível ao desenvolvimento de tumor se a outra cópia do oncogene sofrer uma mutação aleatória. Essas mutações podem ocorrer nas células germinativas, permitindo que sejam hereditárias . Os indivíduos que herdam mutações na linha germinativa no TP53 estão predispostos a certas variantes do câncer porque a proteína produzida por esse gene suprime os tumores. Os pacientes com essa mutação também correm o risco de desenvolver a síndrome de Li – Fraumeni . Outros exemplos incluem mutações nos genes BRCA1 e BRCA2 que predispõem ao câncer de mama e ovário, ou mutações em MLH1 que predispõem ao câncer colorretal não polipose hereditário .
Doença de Huntington
A doença de Huntington é uma mutação autossômica dominante no gene HTT. O distúrbio causa degradação no cérebro, resultando em movimentos e comportamentos incontroláveis. A mutação envolve uma expansão de repetições na proteína Huntington, fazendo com que ela aumente de tamanho. Pacientes com mais de 40 repetições provavelmente serão afetados. O início da doença é determinado pela quantidade de repetições presentes na mutação; quanto maior o número de repetições, os primeiros sintomas da doença aparecerão. Devido à natureza dominante da mutação, apenas um alelo mutado é necessário para que a doença tenha efeito. Isso significa que, se um dos pais for infectado, a criança terá 50% de chance de herdar a doença. Esta doença não tem portadores porque se um paciente tiver uma mutação, eles serão (muito provavelmente) afetados. A doença geralmente tem um início tardio, portanto, muitos pais têm filhos antes de saberem que têm a mutação. A mutação HTT pode ser detectada por meio de triagem do genoma .
Trissomia 21
A trissomia 21 (também conhecida como síndrome de Down ) resulta de uma criança com 3 cópias do cromossomo 21. Esta duplicação do cromossomo ocorre durante a formação das células germinativas, quando ambas as cópias do cromossomo 21 terminam na mesma célula filha da mãe ou do pai, e esta célula germinativa mutante participa da fertilização do zigoto. Outra forma mais comum de ocorrer é durante o primeiro evento de divisão celular após a formação do zigoto. O risco de Trissomia 21 aumenta com a idade materna, sendo o risco de 1/2000 (0,05%) aos 20 anos aumentando para 1/100 (1%) aos 40 anos. Esta doença pode ser detectada tanto por procedimentos invasivos quanto não invasivos pré-natal. Os procedimentos não invasivos incluem a varredura de DNA fetal por meio do plasma materno por meio de uma amostra de sangue.
Fibrose cística
A fibrose cística é um distúrbio autossômico recessivo que causa uma variedade de sintomas e complicações, o mais comum dos quais é um revestimento de muco espesso no tecido epitelial do pulmão devido à troca inadequada de sal, mas também pode afetar o pâncreas , intestinos , fígado e rins . Muitos processos corporais podem ser afetados devido à natureza hereditária desta doença; se a doença estiver presente no DNA do espermatozóide e do óvulo, ela estará presente essencialmente em todas as células e órgãos do corpo; essas mutações podem ocorrer inicialmente nas células germinativas ou estar presentes em todas as células parentais. A mutação mais comum observada nesta doença é ΔF508, o que significa uma deleção do aminoácido na posição 508. Se ambos os pais têm uma proteína CFTR mutada (regulador da condutância transmembrana da fibrose cística), então seus filhos têm 25% de herdar a doença. Se uma criança tiver 1 cópia mutada do CFTR, ela não desenvolverá a doença, mas se tornará um portador da doença. A mutação pode ser detectada antes do nascimento, por meio da amniocentese, ou após o nascimento, por meio de triagem genética pré-natal.
Terapias atuais
Muitos distúrbios Mendelianos derivam de mutações pontuais dominantes nos genes, incluindo fibrose cística , talassemia beta , anemia falciforme e doença de Tay-Sachs . Ao induzir uma quebra de fita dupla nas sequências que cercam a mutação pontual causadora da doença, uma célula em divisão pode usar a fita não mutada como modelo para reparar a fita de DNA recém-quebrada, livrando-se da mutação causadora da doença. Muitas técnicas diferentes de edição de genoma têm sido usadas para edição de genoma e, especialmente, edição de mutação de linha germinativa em células germinativas e zigotos em desenvolvimento; entretanto, embora essas terapias tenham sido amplamente estudadas, seu uso na edição da linha germinativa humana é limitado.
Edição CRISPR / Cas9
Este sistema de edição induz uma quebra de fita dupla no DNA, usando um RNA guia e proteína efetora Cas9 para quebrar a estrutura do DNA em sequências alvo específicas. Este sistema mostrou uma especificidade mais alta do que TALENs ou ZFNs devido à proteína Cas9 contendo sequências homólogas (complementares) às seções de DNA ao redor do local a ser clivado. Esta fita quebrada pode ser reparada de 2 maneiras principais: reparo dirigido homólogo (HDR) se uma fita de DNA estiver presente para ser usada como um modelo (seja homóloga ou doadora), e se não estiver, a sequência será submetida a não homóloga fim da adesão (NHEJ). NHEJ geralmente resulta em inserções ou deleções dentro do gene de interesse, devido ao processamento das extremidades da fita romba, e é uma forma de estudar nocautes de genes em um ambiente de laboratório. Este método pode ser usado para reparar uma mutação pontual usando o cromossomo irmão como um modelo ou fornecendo um modelo de DNA de fita dupla com o maquinário CRISPR / Cas9 para ser usado como o modelo de reparo.
Este método tem sido utilizado em ambos os modelos humanos e animais ( Drosophila , Mus musculus , e Arabidopsis ), ea pesquisa atual está sendo focado em fazer este sistema mais específico para minimizar fora do alvo sítios de clivagem.
Edição de TALEN
O sistema de edição de genoma TALEN (nucleases efetoras semelhantes a ativadores de transcrição) é usado para induzir uma quebra de DNA de fita dupla em um locus específico no genoma, que pode então ser usado para mutar ou reparar a sequência de DNA. Ele funciona usando uma sequência específica repetida de um aminoácido que tem 33-34 aminoácidos de comprimento. A especificidade do sítio de ligação do DNA é determinada pelos aminoácidos específicos nas posições 12 e 13 (também chamado de Repetir Variável Diresidue (RVD)) desta repetição em tandem, com alguns RVDs mostrando uma especificidade mais alta para aminoácidos específicos em relação a outros. Uma vez que a quebra de DNA é iniciada, as extremidades podem ser unidas com NHEJ, que induz mutações, ou por HDR, que pode corrigir as mutações.
Edição ZFN
Semelhante aos TALENs, as nucleases de dedo de zinco (ZFNs) são usadas para criar uma quebra de fita dupla no DNA em um locus específico no genoma. O complexo de edição ZFN consiste em uma proteína dedo de zinco (ZFP) e um domínio de clivagem de enzima de restrição. O domínio ZNP pode ser alterado para alterar a sequência de DNA que a enzima de restrição corta, e este evento de clivagem inicia processos de reparo celular, semelhantes ao da edição de DNA CRISPR / Cas9.
Em comparação com CRISPR / Cas9, as aplicações terapêuticas desta tecnologia são limitadas, devido à extensa engenharia necessária para tornar cada ZFN específico para a sequência desejada.