Mutações são alterações hereditárias na sequência de nucleotídeos do DNA que servem como a fonte final de toda variação genética. Embora algumas mutações sejam neutras ou benéficas e contribuam para a adaptação evolutiva, outras perturbam a função genética e causam doenças genéticas ou cancro.

Tipos de mutações pontuais

Mutações pontuais são alterações em um único nucleotídeo. Uma transição substitui uma purina por uma purina (A↔G) ou uma pirimidina por uma pirimidina (C↔T), enquanto uma transversão substitui uma purina por uma pirimidina ou vice-versa. As transições são mais comuns que as transversões devido à desaminação espontânea da 5-metilcitosina em timina. Mutações silenciosas (sinônimas) alteram um códon para outro que codifica o mesmo aminoácido, não tendo efeito na sequência da proteína. Mutações missense (não-sinônimas) alteram um códon para codificar um aminoácido diferente, que pode ser conservador (propriedades químicas semelhantes) ou não conservativo (propriedades diferentes). Mutações sem sentido criam um códon de parada prematuro, levando a proteínas truncadas que muitas vezes são não funcionais e direcionadas para o decaimento do mRNA mediado por absurdo.

Inserções e exclusões

Inserções e deleções (indels) de um ou mais nucleotídeos podem ter efeitos variados dependendo do seu tamanho e localização. Mutações frameshift ocorrem quando o comprimento do indel não é um múltiplo de três, mudando o quadro de leitura e alterando todos os códons a jusante, normalmente produzindo uma proteína completamente não funcional. Indels in-frame, onde o número de nucleotídeos inseridos ou excluídos é um múltiplo de três, adicionam ou removem códons inteiros sem alterar o quadro de leitura. As expansões de repetições de trinucleotídeos, como as repetições CAG na doença de Huntington e as repetições CTG na distrofia miotônica, envolvem a expansão instável de sequências repetitivas além de um limiar patogênico, com repetições mais longas causando início mais precoce e doença mais grave (antecipação).

Causas da mutação

Mutações espontâneas surgem de processos endógenos sem exposição a agentes externos. A despurinação, a perda de uma base purina, ocorre milhares de vezes por célula por dia e cria um sítio apurínico que pode causar incorporação incorreta durante a replicação. A desaminação converte a citosina em uracila, que normalmente é reparada, mas pode levar a transições C→T se não for corrigida. O dano oxidativo de espécies reativas de oxigênio cria 8-oxoguanina, que emparelha com adenina em vez de citosina, causando transversões G→T. Erros de replicação, incluindo incorporação incorreta da DNA polimerase e deslizamento de fita em sequências repetitivas, são outra fonte importante. Mutações induzidas são causadas por mutagênicos ambientais: mutagênicos químicos, como agentes alquilantes (metanossulfonato de etila) e agentes intercalantes (brometo de etídio), mutagênicos físicos, como radiação ionizante que causa quebras de fita dupla e luz UV que cria dímeros de timina, e mutagênicos biológicos, como elementos transponíveis e certos vírus.

Mecanismos de reparo de DNA

As células possuem múltiplas vias de reparo do DNA para corrigir o dano antes que ele se torne uma mutação. O reparo por excisão de bases (BER) remove bases danificadas únicas pela ação de DNA glicosilases, seguida por clivagem por endonuclease AP, preenchimento de lacunas por DNA polimerase e ligação. O reparo por excisão de nucleotídeos (NER) remove lesões volumosas de DNA, como dímeros de pirimidina, cortando a fita danificada em ambos os lados e excisando um oligonucleotídeo de 24 a 32 bases. O reparo de incompatibilidade (MMR) corrige erros de replicação onde o nucleotídeo errado foi incorporado, usando homólogos MutS e MutL para detectar a incompatibilidade e a excisão direta da fita recém-sintetizada. O reparo de quebra de fita dupla ocorre através de dois mecanismos principais: a recombinação homóloga (HR) usa a cromátide irmã como modelo para reparo sem erros durante as fases S e G₂, enquanto a união de extremidades não homólogas (NHEJ) liga diretamente as extremidades quebradas e é propensa a erros, muitas vezes introduzindo pequenos indels.

Consequências das mutações

Nas células germinativas, as mutações podem ser transmitidas aos descendentes e causar doenças genéticas hereditárias, como fibrose cística (frameshift), anemia falciforme (missense E6V na β-globina) e distrofia muscular de Duchenne (deleções na distrofina). Nas células somáticas, as mutações se acumulam ao longo da vida e podem levar ao câncer quando afetam oncogenes, genes supressores de tumor e genes de reparo de DNA. Mutações neutras não têm efeito discernível na aptidão e acumulam-se a uma taxa relativamente constante, fornecendo a base para relógios moleculares utilizados em estudos evolutivos. Mutações benéficas, como a deleção CCR5-Δ32 que confere resistência à infecção pelo HIV, são raras, mas podem aumentar em frequência através da seleção natural.

Variação Genética em Populações

Os polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) são o tipo mais comum de variação genética, ocorrendo aproximadamente a cada 300 pares de bases no genoma humano, com muitos milhões de SNPs identificados nas populações. As variações no número de cópias (CNVs) envolvem deleções ou duplicações de segmentos de DNA maiores que 1 kb e são responsáveis por uma fração substancial da variação genética interindividual. Variantes estruturais, incluindo inversões e translocações, reorganizam segmentos cromossômicos maiores. A frequência alélica das variantes genéticas difere entre as populações devido a efeitos fundadores, deriva genética e pressões seletivas, o que é importante considerar em estudos de associação genômica e farmacogenômica.

Mutações na Evolução

As mutações fornecem a matéria-prima para a seleção natural. A taxa de mutação varia ao longo do genoma, com taxas mais altas em regiões repetitivas e ilhas CpG, e varia entre organismos (os vírus de RNA têm taxas de mutação ordens de magnitude superiores às dos eucariotos). A evolução adaptativa ocorre quando as mutações benéficas aumentam em frequência, enquanto a seleção purificadora remove as mutações deletérias. A duplicação genética seguida de mutação e divergência é uma importante fonte de novos genes e funções, exemplificada pela família de genes da globina e pelos genes dos receptores olfativos.