Exercícios: As mutações

O que é uma mutação? Explica a diferença entre uma mutação génica (ou pontual) e uma mutação cromossómica, dando um exemplo de cada uma.

No esquema, a sequência A é um fragmento de ARNm normal e as sequências B e C sofreram uma mutação. Indica que tipo de mutação (substituição, inserção ou deleção) ocorreu em cada uma delas e justifica qual provoca um desfasamento da grelha de leitura e porquê.

Indica dois agentes mutagénicos, um físico e um químico, e explica sumariamente como danificam o ADN.

Classifica as seguintes mutações pontuais de acordo com o seu efeito na proteína: uma substituição que não altera o aminoácido, uma substituição que o troca por outro e uma substituição que converte um codão num codão de terminação. Indica qual das três é habitualmente mais grave e porquê.

O que é uma mutação cromossómica estrutural? Dá dois exemplos de alterações estruturais dos cromossomas (delação, duplicação, inversão ou translocação) e explica brevemente em que consiste uma delas.

As mutações podem ser espontâneas ou induzidas. Explica a diferença entre ambas e apresenta um exemplo de causa para cada tipo.

Todas as mutações são prejudiciais? Justifica a tua resposta e apresenta um exemplo de mutação que tenha sido vantajosa para uma espécie.

Explica o que é a taxa de mutação e justifica por que razão os seres vivos mantêm taxas de mutação baixas, mas não nulas, relacionando este facto com o equilíbrio entre estabilidade genética e variabilidade.

Uma mutação altera o codão GAA para GAG, codificando ambos os codões o mesmo aminoácido (ácido glutâmico). Como se denomina este tipo de mutação e por que razão não altera a proteína resultante?

Explica a diferença, quanto às suas consequências e à sua transmissão à descendência, entre uma mutação que ocorre numa célula somática e outra que ocorre numa célula da linha germinativa.

Afirma-se que as mutações são a fonte primária de variabilidade genética. Explica que relação existe entre as mutações, a evolução das espécies e a biodiversidade.

Num gene ocorre a deleção de um único nucleótido na região codificante. Explica o que acontece à grelha de leitura a partir desse ponto, por que motivo podem alterar-se todos os aminoácidos posteriores e justifica se será mais prejudicial uma deleção deste tipo situada no início do gene ou no final.

As células possuem sistemas de reparação do ADN que corrigem muitos dos danos que escapam à ADN polimerase. Explica o que acontece quando um dano não é reparado e justifica por que razão os indivíduos com xerodermia pigmentosa, cujo sistema de reparação dos dímeros de timina causados pela radiação ultravioleta é deficiente, apresentam um risco tão elevado de cancro de pele.

A síndrome de Down deve-se à presença de uma cópia extra do cromossoma 21 (trissomia 21). Explica que tipo de mutação é, como se pode originar por uma não disjunção durante a meiose e justifica por que razão as mutações deste tipo afetam simultaneamente muitas características.

Uma mutação situada na região reguladora de um gene impede que este seja transcrito, ainda que a sua sequência codificante seja completamente normal. Explica como é isso possível e compara o efeito desta mutação com o de uma substituição num exão do mesmo gene.

Os retrovírus, como o VIH, copiam o seu genoma através da transcriptase reversa, uma enzima desprovida de atividade de correção de erros. Justifica por que motivo estes vírus apresentam taxas de mutação muito elevadas e explica que consequências esse facto acarreta para o tratamento das infeções que causam e para o desenvolvimento de vacinas.

No gene CFTR, a mutação mais frequente causadora de fibrose quística (ΔF508) consiste na perda de três nucleótidos: CTT. A sequência da cadeia codificante de ADN entre os codões 506 e 509 é:

5'-... ATC ATC TTT GGT ...-3' (Ile506 - Ile507 - Phe508 - Gly509).

Após a deleção dos três nucleótidos centrais CTT (a última base de ATC 507 e as duas primeiras de TTT 508), a sequência resultante fica: 5'-... ATC ATT GGT ...-3'.

1. a) Sabendo que tanto ATC como ATT codificam isoleucina, justifica por que razão esta mutação não altera a grelha de leitura posterior e qual é a única alteração que sofre a estrutura primária da proteína CFTR.
2. b) Noutro doente deteta-se a deleção de um único nucleótido nessa mesma região (a perda do 'C' no tripleto 507). Fundamenta que consequências terá esta mutação sobre a grelha de leitura, sobre a sequência de aminoácidos a jusante e sobre a probabilidade de a proteína resultar truncada.
3. c) Existem fármacos em desenvolvimento ('corretores') que conseguem fazer com que a proteína CFTR chegue à membrana celular se conservar o seu tamanho completo, ainda que careça de um aminoácido. Prevê fundamentadamente qual dos dois doentes poderia beneficiar desta terapia e por que razão no outro resultará totalmente ineficaz.

Numa região onde a malária é endémica, a frequência do alelo mutante $Hb^S$ (responsável pela anemia falciforme em homozigotia) mantém-se estável em torno de 0,12 devido à vantagem seletiva que confere aos heterozigóticos face à infeção por Plasmodium.

1. a) Após uma campanha sanitária intensiva, consegue-se erradicar completamente a malária nessa região. Prevê fundamentadamente como evoluirá a frequência do alelo $Hb^S$ ao longo das gerações seguintes.
2. b) Justifica por que razão o alelo $Hb^S$ não desaparecerá de forma imediata da população, apesar de ser letal ou gravemente prejudicial em homozigotia.
3. c) Uma pessoa afirma: «Tendo desaparecido a malária, a mutação $Hb^S$ deixou de existir na população». Rebate esta afirmação distinguindo com clareza entre a origem de uma mutação e o seu valor adaptativo em função do ambiente.

Durante a replicação do ADN de uma bactéria, a ADN polimerase incorpora por erro um desoxirribonucleótido de guanina (G) em frente a uma timina (T) do molde, originando um emparelhamento erróneo G-T numa das cadeias recém-sintetizadas que não é detetado pela atividade corretora imediata.

1. a) Deduz que percentagem das moléculas de ADN bicatenário descendentes portará uma mutação permanente e fixada em ambas as cadeias após duas rondas sucessivas de replicação a partir dessa molécula inicial.
2. b) Justifica como se distribuem os pares de bases resultantes em cada uma das quatro moléculas de ADN finais, assumindo que o par de partida era A-T e não atua nenhum sistema de reparação posterior.
3. c) O sistema de reparação de emparelhamentos incorretos (mismatch repair) só é eficaz se atuar antes de a cadeia recém-sintetizada ser metilada. Justifica que consequência teria para a estabilidade do genoma que este sistema reparasse a cadeia molde metilada em vez da cadeia-filha recém-formada.

Para estudar a origem da resistência a antibióticos, desenhou-se uma experiência inspirada na de flutuação de Luria e Delbrück: inocularam-se 20 tubos independentes com um número idêntico e muito baixo de bactérias sensíveis à ampicilina, deixando-as crescer até à saturação. Simultaneamente, cultivou-se um balão grande com um volume equivalente ao dos 20 tubos juntos. Em seguida, semearam-se alíquotas iguais em placas com ampicilina:

• As amostras provenientes do balão grande produziram um número de colónias resistentes muito semelhante entre si (média de 24 colónias, com variância muito baixa).

• As amostras dos 20 tubos independentes mostraram uma enorme flutuação: a maioria dos tubos deu 0 ou 1 colónia resistente, enquanto alguns poucos deram mais de 300 colónias.

1. a) Interpreta estes resultados: demonstram que a resistência é induzida pelo contacto com o antibiótico ou que se deve a mutações espontâneas preexistentes? Justifica a tua resposta explicando a causa da grande variância entre os tubos independentes.
2. b) Prevê que resultado se teria observado nas placas dos 20 tubos se a presença do antibiótico fosse o estímulo direto que provoca a mutação numa pequena fração constante de bactérias.

No gene de uma enzima metabólica essencial, analisam-se dois mutantes independentes que apresentam alterações no codão número 45, cujo tripleto original no ARNm é GGU (glicina):

• Mutante 1: apresenta o codão AGU (serina).

• Mutante 2: apresenta o codão UGU (cisteína).

1. a) Se o resíduo 45 se encontra na superfície da enzima, exposto ao meio aquoso e longe do centro catalítico, prevê fundamentadamente qual das duas substituições terá menor probabilidade de alterar a conformação ativa da proteína.
2. b) Comprova-se que, ao oxidar ligeiramente o meio, o mutante 2 forma agregados moleculares gigantes e inativos constituídos por dímeros covalentes da enzima, fenómeno ausente no tipo selvagem e no mutante 1. Justifica a nível químico este comportamento.
3. c) Se uma terceira estirpe mutante apresentar nesse mesmo codão o tripleto GGA, que consequência fenotípica terá sobre a atividade enzimática? Justifica a tua resposta indicando a propriedade do código genético que explica este facto.

Ao sequenciar genomas completos de uma espécie, observa-se empiricamente que a taxa de transições espontâneas duplica a de transversões (relação 2:1), apesar de o número de transversões possíveis no papel duplicar o de transições (relação teórica 1:2).

1. a) Justifica a nível estereoquímico por que razão a ADN polimerase comete e deixa passar com maior frequência uma transição do que uma transversão durante a replicação do ADN.
2. b) Observa a terceira posição dos codões em famílias de quatro caixas no código genético (por exemplo, valina: GUU, GUC, GUA, GUG). Justifica por que razão uma transição nessa posição tem um efeito neutro sobre a sequência polipeptídica e prevê se uma transversão nessa mesma posição teria a mesma inocuidade biológica.
3. c) Prevê que alteração nas taxas de mutação sofreria uma célula se uma mutação inativasse seletivamente o domínio exonuclease 3'→5' da sua ADN polimerase principal.

A análise genómica de um recém-nascido completamente saudável revela que ele é portador de aproximadamente 70 mutações pontuais de novo ausentes no genoma dos seus progenitores. Os seus familiares temem que estas mutações provoquem o desenvolvimento de doenças graves no futuro.

1. a) Utilizando a organização do genoma humano e as características do código genético, justifica por que razão a imensa maioria destas 70 mutações pontuais não tem efeito fenotípico apreciável.
2. b) Supõe que uma dessas mutações pontuais se localiza no dinucleótido conservado que marca o local de corte e costura (splicing) do primeiro intrão de um gene essencial. Prevê e justifica as consequências moleculares sobre o ARNm maduro e sobre a proteína traduzida.
3. c) Pode uma mutação pontual situada numa região intergénica não codificante alterar a quantidade de proteína sintetizada por um gene contíguo? Justifica a tua resposta propondo um mecanismo molecular concreto.

Num ensaio de evolução experimental em laboratório, submetem-se duas populações bacterianas (estirpe padrão com taxa de mutação normal e estirpe mutadora com uma taxa de mutação 150 vezes superior por defeito na reparação do ADN) a doses letais crescentes de um novo fármaco tóxico.

1. a) Durante os primeiros ciclos de exposição, a estirpe mutadora gera clones viáveis resistentes com uma rapidez significativamente maior do que a estirpe padrão. Interpreta este resultado em termos de variabilidade genética e seleção natural.
2. b) Após mil gerações num meio ótimo e constante, sem presença de qualquer tóxico, a estirpe mutadora sofre uma descida acentuada na sua eficácia biológica (fitness) e um declínio populacional face à estirpe padrão. Justifica este declínio com base na natureza da maioria das mutações e no conceito de carga mutacional.
3. c) A partir dos resultados anteriores, formula uma hipótese que explique por que razão a seleção natural favoreceu taxas de mutação muito reduzidas, mas não estritamente iguais a zero, nos seres vivos.

Desafio do tema. Como conselheiro genético, deves analisar o impacto molecular de uma mutação real no gene humano $HBB$ (responsável pela anemia falciforme) e propor uma solução biotecnológica.

1. Obtenção de dados: Acede à base de dados pública NCBI ClinVar ou Ensembl, localiza o gene $HBB$ e extrai o tripleto original do codão 6 em comparação com a variante patogénica da hemoglobina S (c.20A>T, p.Glu7Val no ClinVar; Glu6Val na numeração clássica).

2. Fluxo da informação genética: Elabora uma tabela comparativa onde representes a replicação do fragmento de ADN (cadeia-molde e complementar), a sua transcrição para ARNm e a tradução para o péptido resultante. Classifica a mutação a nível molecular e prevê como esta alteração de aminoácido afeta a conformação tridimensional da hemoglobina.

3. Regulação e relatório terapêutico: Redige um relatório fundamentado (1,0-1,5 páginas) explicando por que razão durante a fase fetal a patologia não se manifesta (silenciamento e regulação génica de $HBB$ face a globinas fetais). Formula uma hipótese fundamentada sobre como reativar a expressão da globina fetal mediante edição génica para tratar a doença.

Será valorizado:

• Rigor e exatidão ao deduzir os processos de replicação, transcrição e tradução a partir de dados reais do NCBI.

• Adequada classificação da mutação e a sua correlação com a estrutura proteica.

• Integração crítica dos mecanismos de regulação da expressão génica na proposta terapêutica.