Mutageneza
Mutageneza ( / mutacji m juː t ə dʒ ɛ n ɪ s ɪ s / ) to proces , w którym informacja genetyczna organizmu jest zmieniana przez produkcję . Może wystąpić samoistnie w przyrodzie lub w wyniku narażenia na mutageny . Można to również osiągnąć eksperymentalnie, stosując procedury laboratoryjne. Mutagen _ jest czynnikiem powodującym mutacje, czy to chemicznym, czy fizycznym, co powoduje zwiększoną częstość mutacji w kodzie genetycznym organizmu. W naturze mutageneza może prowadzić do raka i różnych chorób dziedzicznych , a także jest siłą napędową ewolucji . Mutageneza jako nauka rozwinęła się na podstawie prac Hermanna Mullera , Charlotte Auerbach i JM Robsona w pierwszej połowie XX wieku.
Historia
DNA może być modyfikowane, naturalnie lub sztucznie, przez szereg czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych, co prowadzi do mutacji . Hermann Muller odkrył, że „wysokie temperatury” mają zdolność mutowania genów we wczesnych latach dwudziestych XX wieku, aw 1927 roku wykazał związek przyczynowy z mutacjami podczas eksperymentów z aparatem rentgenowskim, odnotowując zmiany filogenetyczne podczas napromieniania muszek owocówek stosunkowo dużą dawką promienie rentgenowskie . Muller zaobserwował w swoich eksperymentach szereg rearanżacji chromosomów i zasugerował mutację jako przyczynę raka. Związek narażenia na promieniowanie i raka zaobserwowano już w 1902 roku, sześć lat po odkryciu promieniowania rentgenowskiego przez Wilhelma Röntgena i odkryciu promieniotwórczości przez Henri Becquerela . Lewis Stadler , współczesny Mullerowi, również wykazał wpływ promieni rentgenowskich na mutacje jęczmienia w 1928 r. I promieniowania ultrafioletowego (UV) na kukurydzę w 1936 r. W latach czterdziestych XX wieku Charlotte Auerbach i JM Robson odkryli, że gaz musztardowy może również powodować mutacje u muszek owocówek.
Podczas gdy zmiany w chromosomie spowodowane przez promieniowanie rentgenowskie i gaz musztardowy były łatwo obserwowalne dla wczesnych badaczy, inne zmiany w DNA wywołane przez inne mutageny nie były tak łatwe do zaobserwowania; mechanizm ich występowania może być złożony, a jego odkrycie może zająć więcej czasu. Na przykład sugerowano, że sadza jest przyczyną raka już w 1775 r., A smoła węglowa wykazano, że powoduje raka w 1915 r. Później wykazano, że chemikalia występujące w obu przypadkach to wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA ) . WWA same w sobie nie są rakotwórcze, aw 1950 roku zaproponowano, że rakotwórcze formy WWA to tlenki wytwarzane jako metabolity procesów komórkowych. Proces metaboliczny został zidentyfikowany w latach 60. XX wieku jako kataliza przez cytochrom P450 , który wytwarza reaktywne formy, które mogą wchodzić w interakcje z DNA, tworząc addukty lub cząsteczki produktu powstałe w wyniku reakcji DNA i, w tym przypadku, cytochromu P450; mechanizm, dzięki któremu addukty PAH powodują mutację, jest jednak nadal badany.
Rozróżnienie między mutacją a uszkodzeniem DNA
Uszkodzenie DNA to nieprawidłowa zmiana w strukturze DNA , która sama w sobie nie może być replikowana podczas replikacji DNA . W przeciwieństwie do tego, mutacja jest zmianą w sekwencji kwasu nukleinowego , która może być replikowana; stąd mutacja może być dziedziczona z pokolenia na pokolenie. Uszkodzenie może wystąpić w wyniku dodatku chemicznego (adduktu) lub przerwania struktury zasady DNA (powstanie nieprawidłowego nukleotydu lub fragmentu nukleotydu) lub pęknięcia w jednej lub obu niciach DNA. Takie uszkodzenie DNA może skutkować mutacją. Podczas replikacji DNA zawierającego uszkodzenia, do nowej komplementarnej nici podczas jej syntezy może zostać wstawiona niewłaściwa zasada (patrz naprawa DNA § Synteza translezji ). Nieprawidłowa insercja w nowej nici nastąpi naprzeciwko uszkodzonego miejsca w nici szablonowej i ta nieprawidłowa insercja może stać się mutacją (tj. zmienioną parą zasad) w następnej rundzie replikacji. Ponadto pęknięcia dwuniciowe w DNA mogą być naprawione przez niedokładny proces naprawy, łączenie niehomologicznych końców , co powoduje mutacje. Zwykle można uniknąć mutacji, jeśli dokładna naprawa DNA systemy rozpoznają uszkodzenia DNA i naprawiają je przed zakończeniem kolejnej rundy replikacji. Co najmniej 169 enzymów jest albo bezpośrednio wykorzystywanych do naprawy DNA, albo wpływa na procesy naprawy DNA. Spośród nich 83 są bezpośrednio wykorzystywane w 5 typach procesów naprawy DNA wskazanych na wykresie przedstawionym w artykule Naprawa DNA .
Jądrowe DNA ssaków może wytrzymać ponad 60 000 epizodów uszkodzeń na komórkę dziennie, zgodnie z listą odniesień do uszkodzeń DNA (występujących naturalnie) . Jeśli nie zostaną skorygowane, te addukty, po błędnej replikacji poza uszkodzonymi miejscami, mogą powodować mutacje. W naturze pojawiające się mutacje mogą być korzystne lub szkodliwe – to jest siła napędowa ewolucji. Organizm może nabywać nowe cechy poprzez mutację genetyczną, ale mutacja może również skutkować upośledzeniem funkcji genów, aw ciężkich przypadkach powoduje śmierć organizmu. Mutacja jest również głównym źródłem nabywania oporności na antybiotyki w bakteriach oraz na środki przeciwgrzybicze w drożdżach i pleśniach. W warunkach laboratoryjnych mutageneza jest użyteczną techniką generowania mutacji, która umożliwia szczegółowe badanie funkcji genów i produktów genów, wytwarzanie białek o ulepszonych właściwościach lub nowych funkcjach, a także zmutowane szczepy o użytecznych właściwościach. Początkowo zdolność promieniowania i mutagenów chemicznych do powodowania mutacji była wykorzystywana do generowania przypadkowych mutacji, ale później opracowano techniki wprowadzania określonych mutacji.
U ludzi średnio 60 nowych mutacji jest przekazywanych z rodzica na potomstwo. Ludzkie samce mają jednak tendencję do przekazywania większej liczby mutacji w zależności od wieku, przekazując swojemu potomstwu średnio dwie nowe mutacje z każdym dodatkowym rokiem życia.
Mechanizmy
Mutageneza może zachodzić endogennie (np. spontaniczna hydroliza), w wyniku normalnych procesów komórkowych, które mogą generować reaktywne formy tlenu i addukty DNA, lub w wyniku błędu w replikacji i naprawie DNA. Mutageneza może również wystąpić w wyniku obecności mutagenów środowiskowych, które indukują zmiany w DNA organizmu. Mechanizm powstawania mutacji różni się w zależności od mutagenu lub zaangażowany czynnik sprawczy. Większość mutagenów działa bezpośrednio lub pośrednio poprzez mutagenne metabolity na DNA organizmu, powodując uszkodzenia. Niektóre mutageny mogą jednak wpływać na replikację lub mechanizm podziału chromosomów i inne procesy komórkowe.
Mutageneza może być również indukowana przez organizmy jednokomórkowe, gdy warunki środowiskowe ograniczają wzrost organizmu, na przykład bakterie rosnące w obecności antybiotyków, drożdże rosnące w obecności środka przeciwgrzybiczego lub inne organizmy jednokomórkowe rosnące w środowisku pozbawionym niezbędny składnik odżywczy
Wiele mutagenów chemicznych wymaga aktywacji biologicznej, aby stać się mutagennymi. Ważną grupą enzymów uczestniczących w powstawaniu mutagennych metabolitów jest cytochrom P450 . Inne enzymy, które mogą również wytwarzać mutagenne metabolity, obejmują S-transferazę glutationową i mikrosomalną hydrolazę epoksydową . Mutageny, które same w sobie nie są mutagenne, ale wymagają aktywacji biologicznej, nazywane są promutagenami.
Podczas gdy większość mutagenów wywołuje efekty, które ostatecznie skutkują błędami w replikacji, na przykład tworzenie adduktów, które zakłócają replikację, niektóre mutageny mogą bezpośrednio wpływać na proces replikacji lub zmniejszać jej wierność. Analog zasady, taki jak 5-bromouracyl, może zastąpić tyminę w replikacji. Metale, takie jak kadm, chrom i nikiel, mogą zwiększać mutagenezę na wiele sposobów oprócz bezpośredniego uszkodzenia DNA, na przykład zmniejszając zdolność do naprawy błędów, a także powodując zmiany epigenetyczne.
Mutacje często powstają w wyniku problemów spowodowanych uszkodzeniami DNA podczas replikacji, co skutkuje błędami w replikacji. U bakterii rozległe uszkodzenia DNA spowodowane mutagenami skutkują przerwami w jednoniciowym DNA podczas replikacji. To indukuje reakcję SOS , awaryjny proces naprawy, który jest również podatny na błędy, generując w ten sposób mutacje. W komórkach ssaków zatrzymanie replikacji w uszkodzonych miejscach indukuje szereg mechanizmów ratunkowych, które pomagają ominąć uszkodzenia DNA, jednak może to również skutkować błędami. Rodzina polimeraz DNA Y specjalizuje się w omijaniu uszkodzeń DNA w procesie zwanym syntezą translezji (TLS), w którym te polimerazy omijające uszkodzenia zastępują zablokowaną replikacyjną polimerazę DNA o wysokiej wierności, przechodzą przez uszkodzenie i wydłużają DNA, aż uszkodzenie zostanie usunięte, aby normalna replikacja mogła zostać wznowiona; procesy te mogą być podatne na błędy lub wolne od błędów.
Uszkodzenie DNA i spontaniczna mutacja
Liczba epizodów uszkodzenia DNA zachodzących w komórce ssaków dziennie jest wysoka (ponad 60 000 dziennie). Częste występowanie uszkodzeń DNA jest prawdopodobnie problemem dla wszystkich organizmów zawierających DNA, a potrzeba radzenia sobie z uszkodzeniami DNA i minimalizowania ich szkodliwych skutków jest prawdopodobnie fundamentalnym problemem dla życia. [ potrzebne źródło ]
Większość spontanicznych mutacji prawdopodobnie powstaje w wyniku podatnej na błędy syntezy translezji poza miejscem uszkodzenia DNA w nici matrycy podczas replikacji DNA. Proces ten może przezwyciężyć potencjalnie śmiertelne blokady, ale kosztem wprowadzenia nieścisłości w potomnym DNA. Związek przyczynowy uszkodzenia DNA ze spontaniczną mutacją ilustruje wzrost bakterii E. coli w warunkach tlenowych bakterii, u których 89% spontanicznie występujących mutacji polegających na podstawieniu zasad jest spowodowanych uszkodzeniem DNA wywołanym reaktywnymi formami tlenu (ROS). U drożdży ponad 60% spontanicznych podstawień i delecji pojedynczych par zasad jest prawdopodobnie spowodowanych syntezą translezji.
Dodatkowym istotnym źródłem mutacji u eukariontów jest niedokładny proces naprawy DNA łączenia niehomologicznych końców , który jest często wykorzystywany do naprawy pęknięć podwójnej nici.
Ogólnie wydaje się, że główną przyczyną spontanicznej mutacji jest podatna na błędy synteza trans-uszkodzeń podczas replikacji DNA i że podatny na błędy niehomologiczny szlak naprawy łączenia końców może również być ważnym czynnikiem u eukariotów.
Spontaniczna hydroliza
DNA nie jest całkowicie stabilny w roztworze wodnym i może wystąpić depuracja DNA. W warunkach fizjologicznych wiązanie glikozydowe może ulegać samoistnej hydrolizie i szacuje się, że każdego dnia w komórce usuwanych jest 10 000 miejsc purynowych w DNA. Istnieje wiele ścieżek naprawy DNA dla DNA; jednakże, jeśli miejsce apurynowe nie zostanie naprawione, podczas replikacji może wystąpić błędne wbudowanie nukleotydów. Adenina jest preferencyjnie włączana przez polimerazy DNA w miejscu apurynowym .
Cytydyna może również ulec deaminacji do urydyny przy jednej pięćsetnej szybkości wydalania i może spowodować przejście G do A. Komórki eukariotyczne zawierają również 5-metylocytozynę , uważaną za zaangażowaną w kontrolę transkrypcji genów, która może ulec deaminacji do tyminy.
tautomeria
Tautomeryzacja to proces, w którym związki spontanicznie przestawiają się, przyjmując swoje strukturalne formy izomeryczne . Na przykład formy ketonowe (C=O) guaniny i tyminy mogą przegrupować się w ich rzadkie formy enolowe (-OH), podczas gdy formy aminowe (-NH 2 ) adeniny i cytozyny mogą skutkować rzadszymi formami imino (=NH) formy. Podczas replikacji DNA tautomeryzacja zmienia miejsca parowania zasad i może powodować nieprawidłowe parowanie zasad kwasów nukleinowych.
Modyfikacja baz
Zasady mogą być modyfikowane endogennie przez normalne cząsteczki komórkowe. Na przykład DNA może być metylowany przez S-adenozylometioninę , zmieniając w ten sposób ekspresję znakowanego genu bez powodowania mutacji w samej sekwencji DNA. Modyfikacja histonów to powiązany proces, w którym białka histonów, wokół których zwoje DNA mogą być podobnie modyfikowane poprzez metylację, fosforylację lub acetylację; te modyfikacje mogą działać w celu zmiany ekspresji genów lokalnego DNA, a także mogą działać w celu wskazania lokalizacji uszkodzonego DNA wymagającego naprawy. DNA może być również glikozylowane przez cukry redukujące .
Wiele związków, takich jak WWA, aminy aromatyczne , aflatoksyny i alkaloidy pirolizydynowe , może tworzyć reaktywne formy tlenu katalizowane przez cytochrom P450. Te metabolity tworzą addukty z DNA, co może powodować błędy w replikacji, a masywne addukty aromatyczne mogą tworzyć stabilne interkalacje między zasadami i replikację blokową. Addukty mogą również indukować zmiany konformacyjne w DNA. Niektóre addukty mogą również powodować usuwanie DNA; nie jest jednak pewne, jak znaczące jest takie wydalanie spowodowane przez addukty w generowaniu mutacji.
Alkilowanie i arylowanie zasad może powodować błędy w replikacji. Niektóre środki alkilujące, takie jak N- nitrozoaminy , mogą wymagać katalitycznej reakcji cytochromu-P450 w celu utworzenia reaktywnego kationu alkilowego. N 7 i O 6 guaniny oraz N 3 i N 7 adeniny są najbardziej podatne na atak. Addukty N7 - guaniny stanowią większość adduktów DNA , ale wydają się nie być mutagenne. Alkilowanie przy O6 guaniny jest jednak szkodliwe, ponieważ naprawa przez wycięcie adduktu O 6 guaniny może być słaba w niektórych tkankach, takich jak mózg. Metylacja O 6 guaniny może skutkować przejściem G do A , podczas gdy O 4 -metylotymina może zostać źle sparowana z guaniną. Rodzaj generowanej mutacji może jednak zależeć od wielkości i typu adduktu, jak również od sekwencji DNA.
Promieniowanie jonizujące i reaktywne formy tlenu często utleniają guaninę, tworząc 8-oksoguaninę .
Uszkodzenie kręgosłupa
Promieniowanie jonizujące może wytwarzać wysoce reaktywne wolne rodniki, które mogą rozrywać wiązania w DNA. Pęknięcia dwuniciowe są szczególnie szkodliwe i trudne do naprawy, powodując translokację i delecję części chromosomu. Środki alkilujące, takie jak gaz musztardowy, mogą również powodować pęknięcia w szkielecie DNA. Stres oksydacyjny może również generować wysoce reaktywne formy tlenu , które mogą uszkadzać DNA. Nieprawidłowa naprawa innych uszkodzeń wywołanych przez wysoce reaktywne gatunki może również prowadzić do mutacji.
Sieciowanie
Wiązania kowalencyjne między zasadami nukleotydów w DNA, czy to w tej samej nici, czy w przeciwległych niciach, określa się mianem sieciowania DNA ; sieciowanie DNA może wpływać zarówno na replikację, jak i transkrypcję DNA i może być spowodowane ekspozycją na różne czynniki. Niektóre naturalnie występujące chemikalia mogą również sprzyjać sieciowaniu, takie jak psoraleny po aktywacji przez promieniowanie UV i kwas azotawy. Sieciowanie międzyniciowe (między dwiema niciami) powoduje większe uszkodzenia, ponieważ blokuje replikację i transkrypcję oraz może powodować pęknięcia chromosomów i rearanżacje. Niektóre środki sieciujące, takie jak cyklofosfamid , mitomycyna C i cisplatyna są stosowane jako chemioterapeutyki przeciwnowotworowe ze względu na ich wysoki stopień toksyczności dla proliferujących komórek.
Dimeryzacja
Dimeryzacja polega na wiązaniu dwóch monomerów w celu utworzenia oligomeru, takiego jak tworzenie dimerów pirymidynowych w wyniku ekspozycji na promieniowanie UV , które sprzyja tworzeniu się pierścienia cyklobutylowego między sąsiednimi tyminami w DNA. W ludzkich komórkach skóry tysiące dimerów mogą powstać w ciągu jednego dnia w wyniku normalnej ekspozycji na światło słoneczne. Polimeraza DNA η może pomóc w bezbłędnym ominięciu tych uszkodzeń; jednak osoby z wadliwą funkcją naprawy DNA, takie jak osoby cierpiące na Xeroderma pigmentosum , są wrażliwe na światło słoneczne i mogą być podatne na raka skóry.
Klinicznie, czy guz powstał jako bezpośrednia konsekwencja promieniowania UV, można rozpoznać za pomocą analizy sekwencjonowania DNA pod kątem charakterystycznego, specyficznego dla kontekstu wzoru dimeryzacji, który występuje z powodu nadmiernej ekspozycji na światło słoneczne.
Interkalacja między zasadami
Płaska struktura substancji chemicznych, takich jak bromek etydyny i proflawina, umożliwia im wstawianie między zasadami w DNA. Ta wstawka powoduje rozciąganie szkieletu DNA i zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia poślizgu w DNA podczas replikacji, ponieważ wiązanie między niciami jest mniej stabilne w wyniku rozciągania. Poślizg do przodu spowoduje mutację delecyjną , podczas gdy poślizg odwrotny doprowadzi do mutacji insercyjnej . Również interkalacja do DNA antracyklin, takich jak daunorubicyna i doksorubicyna zaburza działanie enzymu topoizomerazy II , blokując replikację, a także powodując mitotyczną rekombinację homologiczną.
Mutageneza insercyjna
Transpozony i wirusy lub retrotranspozony mogą wprowadzać sekwencje DNA do regionów kodujących lub elementów funkcjonalnych genu i powodować inaktywację genu.
Adaptacyjne mechanizmy mutagenezy
Mutagenezę adaptacyjną zdefiniowano jako mechanizmy mutagenezy, które umożliwiają organizmowi przystosowanie się do stresu środowiskowego. Ponieważ różnorodność stresów środowiskowych jest bardzo szeroka, mechanizmy, które ją umożliwiają, są również dość szerokie, o ile wykazały badania w tej dziedzinie. Na przykład u bakterii, podczas gdy wykazano, że modulacja odpowiedzi SOS i endogennej syntezy profagowego DNA zwiększa Acinetobacter baumannii na cyprofloksacynę. Przypuszcza się, że mechanizmy oporności są powiązane z mutacjami chromosomalnymi, których nie można przenosić poprzez horyzontalny transfer genów u niektórych członków rodziny Enterobacteriaceae, takich jak E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp. i Enterobacter spp. Zdarzenia chromosomalne, zwłaszcza amplifikacja genów, wydają się być również istotne dla tej adaptacyjnej mutagenezy u bakterii.
Badania na komórkach eukariotycznych są znacznie rzadsze, ale zdarzenia chromosomalne wydają się być również dość istotne: chociaż doniesiono, że ektopowa rekombinacja wewnątrzchromosomalna jest zaangażowana w nabywanie oporności na 5-fluorocytozynę u Saccharomyces cerevisiae , stwierdzono, że duplikacje genomu nadają oporność w S. cerevisiae do środowisk ubogich w składniki odżywcze.
Zastosowania laboratoryjne
W laboratorium mutageneza jest techniką, za pomocą której mutacje DNA są celowo modyfikowane w celu wytworzenia zmutowanych genów, białek lub szczepów organizmów. Różne składniki genu, takie jak jego elementy kontrolne i produkt genu, mogą być zmutowane, tak że można szczegółowo zbadać funkcję genu lub białka. Mutacja może również wytwarzać zmutowane białka o zmienionych właściwościach lub ulepszonych lub nowych funkcjach, które mogą okazać się przydatne komercyjnie. Można również wytwarzać zmutowane szczepy organizmów, które mają praktyczne zastosowania lub umożliwiają badanie molekularnych podstaw poszczególnych funkcji komórek.
Wczesne metody mutagenezy dawały całkowicie przypadkowe mutacje; jednak nowoczesne metody mutagenezy są w stanie wytworzyć mutacje specyficzne dla miejsca . Nowoczesne techniki laboratoryjne stosowane do generowania tych mutacji obejmują:
- Ukierunkowana mutageneza
- Mutageneza ukierunkowana / Mutageneza PCR
- Mutageneza insercyjna
- Sygnatura oznaczona mutagenezą
- Mutageneza transpozonowa
- Mutageneza nasycenia sekwencji
Zobacz też
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
