Mutation and DNA repair course

1. Methee Sriprapun, PhD
Faculty of Medical Technology
Huachiew Chalermprakiet University

2. Objectives
•อธิบายความหมายและจาแนกประเภทของ mutation แบบต่างๆ ได้ •อธิบายสาเหตุและผลของการเกิด mutation ได้ •อธิบายกลไกลการซ่อมแซม DNA แบบต่างๆ ได้

3. DNA (Deoxyribonucleic acid)
http://www.mun.ca/biology/scarr/iGen3_02-07.html
RNA (Ribonucleic acid)

4. http://www.contentfy.com/wp-content/uploads/2012/12/dna-and-rna1.png
Purine: A, G
Pyrimidine: T, C, U
A=T, CG : DNA
A=U, CG : RNA

5. Terminology to understand
Mutation (การผ่าเหล่า): “the change in genetic material (DNA, RNA)”
มีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิตที่แสดงออกมา
(phenotype)
Mutant: “novel phenotype resulting from mutation” Wild type  mutant
Wild type : normal phenotype

6. Mutation
Genetic variation
Wild type & mutant
Selection, adaptation & evolution
to survive in new environment

7. Levels of mutation
•Genome mutation :
 change in amount of chromosome
•Chromosome mutation:
 change in chromosomal structure
•Gene mutation:
DNA (nucleotide change)

8. DNA VS RNA genome mutation
•Mutation rate: RNA >> DNA (1,000 fold)
•DNA polymerase: proof reading activity
•RNA polymerase : lacking of proof reading activity •ปัจจุบันเทคนิคที่นิยมใช้ในการศึกษา mutation : Sequencing

9. Mutation on DNA sequence
•Base substitution or point mutation
Transition: purine  purine
pyrimidine  pyrimidine
Transversion : purine  pyrimidine
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

10. Mutation on DNA sequence (II)
•Nonsense mutation (nucleotide change  stop codon)
Wild type (AT)
Mutant
(Russell PJ, 2010)
Stop codon : UAG, UAA, UGA

11. •Missense mutation (nucleotide change  amino acid change: nonsynonymous substitution)
•Silent mutation (nucleotide change  w/o amino acid change: synonymous substitution)
(Russell PJ, 2010)

12. Mutation on DNA sequence (III)
•Frame-shift mutation: insertion or deletion  การอ่าน codon เปลี่ยนแปลงไป
Insertion : การแทรกของ base ใน nucleotide sequence
Deletion : การขาดหายไปของ base ใน nucleotide sequence
(Russell PJ, 2010)

13. http://www.biogem.org/codon.jpg

14. แบบทดสอบ
•Template DNA: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTC
L T G C K P F
•Mutation 1: CTA CCA GGA TGC AAA CCC TTC
L P G C K P F
•Mutation 2: CTA ACA GGA TGC TAA CCC TTC
L T G C Stop P F
(Missense mutation)
Nonsense mutation

15. แบบทดสอบ
•Template DNA: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTC
L T G C K P F
•Mutation 3: CTA ACA GGA TGC AAA CCC TTT
L T G C K P F
•Mutation 4: CTA ACA GGA TGC A-A C CC T TC
L T G C N P -
Silent mutation
Frameshift mutation)

16. Mutation symbol
•Nucleotide sequence
•Amino acid sequence
C134A
มีการเปลี่ยนแปลง nucleotide ที่ตาแหน่ง 134 จาก C เป็น A
nt เดิม
ตาแหน่ง
nt ใหม่
134 (CA)
134C>A
A222K
aa เดิม
ตาแหน่ง
aa ใหม่
มีการเปลี่ยนแปลง amino acid
ที่ตาแหน่ง 222 จาก A เป็น K
A= alanine; K = lysine

17. Mutation can occur in 2 ways
•Spontaneous mutation
•Induced mutation

18. Spontaneous mutation
•เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นได้เองโดยธรรมชาติ
•Randomly occur without a known cause
•Mostly occur during DNA replication
•Error rate in DNA replication: 10-6 to 10-7 per kilobase pair/each replication
•Deamination, depurination and tautomerization

19. Deamination
•Removal of amino group (NH2) from base
•Cytosine  Uracil
 binding with A instead of G
•Adenine  Hypoxantine
 binding with C instead of T
•DNA repair: base excision repair •Uracil-DNA-glycosidase ดึง U ออกจาก DNA และใส่ C แทนที่  reduce mutation

20. Deamination
http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/deamination.html
NH3
NH3
H2O
H2O

21. Depurination
•Loss of purine from DNA sequence
•Apurinic site
•Weak covalent bond
between sugar & purine
•Spontaneous or induced
mechanism
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Apurinic_Site.png

22. Tautomerization
•Keto form  enol form (T,G)
•Amino form  imino form (A, C)
•Changing base complementary during replication
•สภาวะปกติ: G (keto) จับกับ C (amino)
•Tautomerization:
 G (enol) จับกับ T (keto)
 C (imino) จับกับ A (amino)

23. Tautomeric shift
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

24. (Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

25. Induced mutation
•Resulting from the exposure with physical or chemical agent
•Agent  “mutagen”
•Agent cause cancer  “carcinogen”

26. Radiation
•Ionizing radiation
* X-ray, gamma ray, cosmid ray  เครื่องกาเนิดรังสี
* alpha, beta & gamma rays  radio isotopes
* ทาให้เกิดอิออน, free radical: mutation & DNA and
chromosome damage
* อานาจทะลุทะลวงสูง
http://serc.carleton.edu/details/images/38143.html

27. Radiation (II)
•Non-ionizing radiation
* UV light อานาจทะลุทะลวงต่า
* Mutation > damage cell,
DNA and chromosome
* Thymine dimer (T=T)
อาจเกิด C=C, C=T, T=C ได้บ้าง
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

28. Chemical agents
•Alkylating agents
- nitrogen, sulfur mastard, methyl & ethyl
methane sulfonate (MMS & EMS)
- Adding methyl or ethyl group  “alkylation”
- transition, transversion or frameshift mutations
- chromosome alteration
http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch15/alkylating.html

29. Chemical agents (II)
•Nitrous acid (HNO2) : “deamination”, transition mutation
(Russell PJ, 2010)

30. Chemical agents (III)
•Intercalating agents or acridine dyes
* Proflavin, acridine orange, ICR-170,
ICR-191
* Ethidium bromide
* แทรกระหว่างโครงสร้าง DNA  interfere DNA
replication
* Frameshift mutation

31. http://2008.igem.org/File:Ethidium2.jpg
Ethidium bromide
“Minor groove of dsDNA”

32. Chemical agents (IV)
•Base analogs
* 5-bromouracil
(analog with thymine)
* 2-amino purine
* transition mutation
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

33. Chemical agents (V)
•Hydroxylamine (NH2OH)
* Adding OH group to amino group of cytosine
* Hydroxylaminocytosine จับกับ Adenine
* Transition mutation GC to A=T only.
(Russell PJ, 2010)

34. Mutation results in 2 different ways
http://fposts.com/fbpost/429873190357625_635470786464530
http://www2.med.umich.edu/prmc/media/newsroom/details.cfm?ID=656

35. DNA repair
•Direct reversal repair of DNA damage
(การแก้ไขสู่สภาพเดิมของ DNA ที่ถูกทาลายโดยตรง)
•Excision repair of DNA damage
(การตัดส่วนที่ถูกทาลายออกไปและสร้างส่วนที่ถูกต้องแทนที่)

36. รูปแบบความผิดปกติที่พบได้บ่อย
•การแตกหักของ DNA จากการโค้งหรือบิดงอ •การเปลี่ยนแปลง pH ในเซลล์มีผลต่อ purine base
•โครงสร้าง DNA เปลี่ยนไป •การเปลี่ยนแปลงที่นิวคลีโอไทด์ เช่น thymine dimer ของ T ที่อยู่ติดกันในสาย DNA

37. Direct reversal repair of DNA damage
•Mismatch repair by proofreading activity
mutation frequency in bacterial gene:
10-7 – 10-11 errors/generation
•3’-to-5’ exonuclease of DNA polymerase
•Backspacing to remove wrong nucleotide and resuming synthesis in the forward direction

38. http://www.uic.edu/classes/phar/phar331/lecture4/

39. Direct reversal repair of DNA damage (II)
•Photorectivation or light-dependent repair
- UV light  thymine dimers
- Reparing thymine dimers (T=T) using visible light (320-370 nm)
- DNA Photolyase or photoreactivating enzyme
- Also repairing cytosine or cytosine-thymine dimers
- Eukaryotes : photolyase like enzyme
(defect  xeroderma pigmentosum)

40. “Light
repair”
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

41. Direct reversal repair of DNA damage (III)
•Removal of methyl groups: แก้ไข DNA ที่ถูกทาลาย โดยการเติมหมู่ methyl ด้วย DNA methyltransferase
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9900/figure/A801/?report=objectonly

42. Excision repair of DNA damage
•เป็นกลไกที่พบได้มากที่สุดใน DNA ที่ถูกทาลายจากสาเหตุ ต่างๆ •“ตัดส่วนที่ถูกทาลายออกแล้วสร้างส่วนที่ถูกต้องเติมลงไป”
•Using many mechanisms and enzymes
•Base excision repair & nucleotide excision repair

43. Mechanism of excision repair
•Endonuclease recognizes, binds to and excises damaged base or bases in DNA
•Repair mechanism in excision gap by DNA polymerase using the undamaged complementary strand as template
•DNA ligase seals the break left by DNA polymerase  complete repair process

44. “Dark
repair”
(Snustad DP & Simmons MJ, 2012)

45. SOS repair
•Response after exposing with high dose of DNA-damaging agents  high DNA mutation
•Error-prone repair for cell survival
•Occurring during DNA replication •การทางานของ DNA polymerase ในการสุ่มเบสมาสร้าง สายใหม่ในบริเวณตาแหน่ง template ที่เกิด damage
•ควบคุมโดย sos genes  regulon

46. References
•เอกสารประกอบการสอน MT4021 เทคโนโลยีชีวภาพ เรื่อง การกลายพันธุ์และการซ่อมแซมการกลายพันธุ์ คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยหัวเฉียวเฉลิมพระเกียรติ 2556. •นวลทิพย์ กมลวารินทร์. กรดนิวคลีอิกและการทางานของยีน. ใน: เมตาบอลิสมและโภชนาการ.กรุงเทพฯ: ภาควิชา ชีวเคมี คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2541.
•Snustad DP, Simmons MJ. Mutation, DNA repair, and recombination. In: Principles of genetics. 5th ed. Asia: John Wiley & Sons; 2010. •ตรีทิพย์ รัตนวรชัย. มิวเทชันและกระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอ. ใน: อณูพันธุศาสตร์เบื้องต้น มหัศจรรย์ของดีเอ็นเอ. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2552
•Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP. Brock Biology of microorganism. 12ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2009.
•Russell PJ.DNA mutation, DNA repair and transposable elements. In: iGenetics a molecular approach. 3rd ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2010. •ธีระชัย ธนานันต์. การกลายและการซ่อมดีเอ็มเอ. ใน พันธุศาสตร์โมเลกุล. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: แดเน็กซ์ อินเตอร์คอร์ปอเรชั่น; 2553.