DNA  Mutagenesis  and  DNA  Repair  Mechanisms  

Andrea  Byrum  March  21,  2016  

Overview  

•  Muta?onal  signaturesà  what  are  they?  What  can  they  tell  us  about  the  muta?onal  process?  

•  Types  of  DNA  damage  and  the  muta?ons  they  cause  – Endogenous  DNA  damage  – Exogenous  DNA  damage  

•  DNA  repair  processes  •  Double  stranded  breaks  

Muta?onal  Processes  

Helleday  et  al.,  2014  

Muta?onal  Signatures  

Helleday  et  al.,  2014  

Different  forms  of  Damage  make  specific  contribu?ons  to  a  muta?onal  signature  

Helleday  et  al.,  2014  

Endogenous  DNA  Damage  

Endogenous  DNA  damage:  deamina?on  

•  occurs  spontaneously  in  all  DNA  bases  that  contain  primary  amines    

hOps://biotechkhan.wordpress.com/tag/deamina?on/  

Spontaneous  deamina?on  of  5meC  at  CpG  dinucleo?des  

Helleday  et  al.,  2014  

C   U  

Cytosine  deamina?on  to  uracil  •  Catalyzed  by  cytosine  deaminase  family  enzymes  

–  AICDA  (ac?va?on-­‐induced  cy?dine  deaminase)  •  Func?ons  in  an?body  diversifica?on  

–  APOBEC  (apolipo  protein  B  mRNA  edi?ng  enzyme,  cataly?c  polypep?de)  •  Inolved  in  mRNA  edi?ng,  and  defends  against  retrovirus  or  retrostransposon  

invasion  

Helleday  et  al.,  2014  

Endogenous  DNA  damage:  Free  Radicals    

•  Include  reac?ve  oxygen  species  (ROS)  and  nitrogen  oxide  species  (NOS)  

•  Byproducts  of  normal  cellular  metabolism  –  Their  interac?ons  with  DNA  can  cause  >25  different  oxida?ve  base  lesions  

–  Ex:  8-­‐Oxoguanine  binds  preferen?ally  to  adenine,  resul?ng  in  G�Cà  T�A  transversions    

8-­‐oxoG  (syn)  in  a  Hoogsteen  base  pair  with  dA  (an%)  

Endogenous  DNA  damage:  DNA  replica?on  errors  

•  High-­‐fidelity  DNA  polymerases  δ  and  ε  have  an  error  rate  of  1  in  10-­‐7  

•  Muta?ons  resul?ng  in  proofreading  defects  drama?cally  increase  replica?on  errors    

•  Balance  of  dNTPs  can  also  affect  accuracy  

MaChews  et  al.,  2015  

Exogenous  DNA  Damage  

Exogenous  DNA  damage:  UV  radia?on  

•  High  energy  allows  for  covalent  bonds  to  form  between  neighboring  pyrimidine  nucleo?des  

Exogenous  DNA  damage:  Chemical  Mutagens  

•  Alkya?ng  agents:  cause  C�GàT�A  transi?ons    – Nitrogen  mustards  –   methyl  methanesulphonate  (MMS)  – N-­‐nitroso-­‐N-­‐methylurea  (NMU)  – N-­‐ethyl-­‐N-­‐nitrosourea  (ENU)  –   Ethyl  methanesulfonate  (EMS)  – Chemotherapeu?c  drugs  (cyclophosphamide,  temozolomide)  

Exogenous  DNA  damage:  alkyla?ng  agents  

TransiIons  =  muta?ons  that  involve  the  same  class  of  nucleo?des  (ie.  Purine-­‐to-­‐purine)    

Exogenous  DNA  damage:  chemical  mutagens  

•  Pla?num-­‐based  compounds:  cause  bulky  adducts  and  crosslinking  –  Ex:  cispla?n  (chemotherapy  drug)  

•  Psoralens:  cause  pyrimidine  muta?ons  in  TpA  sequences;  used  to  treat  skin  condi?ons  

•  Ionizing  radia?on:  causes  double  strand  breaks  and  produces  ROS  

•  Intercala?ng  agents:  cause  G�CàT�A  transversions  –  Ex:  Benzo[a]pyrene  (carcinogen),  daunorubicin,  ac?nomycin-­‐D  (an?cancer  drugs)  

Benzo[a]pyrene  Mutagenesis  

Transversions=muta?ons  that  involve  different  classes  of  nucleo?des  (ie.  Purine-­‐to-­‐pyrimidine  and  vice-­‐versa)  

DNA  Repair  Pathways  

DNA  Repair  Processes:  Base  Excision  Repair  (BER)  

Removes  bases  (via  oxida?on,  alkyla?on,  or  deamina?on)  that  could  cause  muta?ons  by  mispairing  or  lead  to  breaks  in  DNA  during  replica?on  

DNA  Repair  Processes:  Nucleo?de  Excision  Repair  (NER)  

TranscripIon-­‐coupled  repair  

Ac?vated  when  bulky  adducts  are  sensed  in  the  DNA  (ex:  B[a]P  and  UV-­‐induced  lesions)    

DNA  Repair  Processes:  Mismatch  repair  (MMR)  

Recognizes  and  repairs  mis-­‐incorporated  bases  and  indels  arising  from  DNA  replica?on  and  DNA  recombina?on  repair  

Double  Stranded  Breaks  (DSBs)  •  Primary  DSBsà  direct  breaks  in  the  sugar-­‐phosphate  backbone  of  the  DNA  molecule  (ie.  Ionizing  radia?on,  nucleases)  

•  Secondary  DSBsà  result  from  DNA  lesions  that  are  encountered  by  a  replica?on  fork  and  the  fork  collapses  

DNA  Repair  Processes:  Non-­‐homologous  end-­‐joining  (NHEJ)  

DNA  Repair  Processes:  Homologous  recombina?on  (HR)  

DNA  Repair  Processes:  Homologous  recombina?on  (HR)  

Synthesis-­‐dependent  end-­‐joining  leads  to  tandem  duplica?ons  

Conclusions  

•  Muta?ons  that  occur  in  nature  or  that  are  generated  purposely  in  the  lab  differ  depending  on  the  par?cular  source  of  DNA  damage  and  the  repair  pathway  u?lized  to  resolve  it    

•  Important  to  understand  the  effects  of  your  mutagen  when  performing  an  experiment  – Will  you  get  the  types  of  muta?ons  you  want  in  your  screen?  

– Will  other  types  of  damage  that  you  are  not  studying  be  induced  by  your  treatment?