Mutagenees

Sissejuhatus

1927. aastal korraldas Hermann Muller katse, mille käigus kiiritati harilikku äädikakärbest röntgenikiirgusega. Selle katse põhjal oli võimalik järeldada, et röntgenikiirgus põhjustab silmaga nähtavaid muutusi fenotüübis. Selle katsega tõestas ta hüpoteesi, et mutatsioonid põhjustavad vähki. Lewis Stadler demonstreeris röntgenikiirguse mutageenset toimet odral (1928. a) ja ultraviolettkiirguse (UV) mutageenset toimet maisil (1936. a). 1940. aastal avastasid Charlotte Auerbach ja J. M. Robson, et ipriit on võimeline põhjustama mutatsioone harilikul äädikakärbsel.

Kromosomaalsed mutatsioonid

Kromosomaalsed mutatsioonid (chromosome aberration) on kromosomaalse struktuuri muutused. Neid on võimalik jagada deletsiooniks, duplikatsiooniks, inversiooniks ja translokatsiooniks. Kromosomaalsed mutatsioonid on üldjuhul kahjulikud ja nende tekkimisega võib kaasneda organismi surm. Samas on nad olulised liigitekkes ja evolutsioonis laiemalt.

Duplikatsioon

Duplikatsioon on mutatsioon, mille tulemusena kahekordistub osa kromosoomist. Duplikatsioone võivad põhjustada vead homoloogilises rekombinatsioonis või retrotransposoonid.
Duplikatsioonid mängivad olulist rolli evolutsiooniprotsessides. Geeni teine koopia on vaba selektiivsest rõhust (selective pressure). See tähendab, et mutatsioonid geeni koopias ei avalda kahjulikku mõju organismile ja võivad koguneda selles geenis palju kiiremalt kui funktsionaalses geenis. Susumo Ohno töötas välja ja kirjeldas seda teooriat oma raamatus "Evolution by gene duplication" (1970).

Inversioon

Inversioon on mutatsioon, mille tulemusena vahetuvad omavahel ühe ja sama kromosoomi piirkonnad. Inversiooni võib jagada paratsentriliseks ja peritsentriliseks inversiooniks.
Paratsentrilise inversiooni puhul leiab inversioon aset tsentromeerist ühel pool, peritsentrilise inversiooni puhul aga mõlemal pool tsetromeeri.
Inversiooni käigus ei kao geneetiline materjal ja inverteeritud kromosoom ei avalda fenotüübile mõju. Kui aga toimub inverteeritud heterosügoodis ristsiire, siis tekib teatud tõenäosusega anomaalne kromatiid.
Inimesel on kõige rohkem levinud üheksandas kromosoomis tekkinud inversioon, mis ei ole kahjulik. Sellele vaatamata on olemas andmed, et naistel, kes kannavad seda inversiooni, on nurisünnituse tõenäosus 30%.

Juhuslik (random) mutagenees

Juhuslik mutagenees tähendab seda, et mutatsioon toimub suvalis(t)es kohas või kohtades. Efekti on võimalik saavutada UV-kiirguse või erinevate kemikaalide abil. Näiteks võib Escherichia coli't mõjutada UV-kiirgusega ja seejärel panna kasvama agarsöötmesse. Üles kasvanud kolooniad tuleb pärast ümber külvata rikassöötmesse ja minimaalsöötmesse. Spetsiifiliste toitevajadustega mutandid ei kasva minimaalsöötmes. Söötme koostist muutes saab tuvastada, milline komponent on mutanttüvele vajalik.

Saitspetsiifiline mutagenees

Saitspetsiifiline mutagenees on meetod, mille abil tekitatakse mutatsioon DNA molekuli spetsiifilises kohas. See mutageneesi vorm eeldab nukleotiidjärjestuse teadmist.
Üldjuhul on vaja sünteesida praimerit, mis oleks komplementaarne DNA piirkonnale, kus tahetakse saada mutatsioon. Mutatsioon võib olla kas punktmutatsioon, deletsioon või insertsioon. Praimer seondub spetsiifilise kohaga, mis asub tulevase mutatsiooni läheduses. DNA polümeraas sünteesib komplementaarseid ahelaid, kus tekib mutatsioon. Mutatsiooni saidiga DNA ahelat integreeritakse plasmiidi ja amplifitseeritakse. Pärast integreeritakse see bakteri tüvesse ja toimub rekombinatsioon. Selle protsessi tulemusena saadakse mutantseid tüvesid.

Kunkeli meetod

1987. aastal esitlesid Kunkel jt meetodit, mille eeliseks on vähenenud vajadus selekteerida välja mutante. Selleks kasutatakse mutanti, millel puudub kaks ensüümi: dUTPaas ja uratsiil deglükosidaas. dUTPaasi puudumine takistab dUTP lagunemist, uratsiil deglükosidaasi puudumine takistab uratsiili eemaldamist DNAst. Tulemusena sünteesitakse DNA ahelat, mis sisaldab ka uratsiili. Seda DNA ahelat kasutatakse mutageneesiks. Selleks sünteesitakse komplementaarset ahelat. Pärast töödeldakse seda uratsiil deglükosidaasiga, mis eemaldab uratsiili DNA ahelast ja siis leelisega. Saavutatakse mutatsiooniga DNA ahel.

PCR saitspetsiifiline mutagenees

Selles meetodis kasutatakse kindlat mutatsiooni sisaldavaid praimereid. Nad amplifitseerivad mutantset geeni, mida saab pärast ekstraheerida, kasutades elektroforeesi. Mutantne geen sisestatakse DNAsse, kasutades rekombinatsiooni meetodit.

Kokkuvõte

Mutageneesi võivad põhjustada kas endogeensed või eksogeensed faktorid. Endogeensete faktorite hulka kuuluvad spontaanne hüdrolüüs, hapniku vabad radikaalid või vead replikatsiooni- ja reparatsioonimehhanismides. Mutageneesi üheks põhjuseks on keskkonna mutageenid. Toimemehhanism sõltub mutageenist. Suurem osa mutageenidest avaldavad kas otsest või kaudset mõju DNA-le ja põhjustavad selle kahjustust, mõned võivad mõjutada replikatsiooni ja teisi rakus toimuvaid protsesse.
Paljud kemikaalsed mutageenid vajavad bioloogilist aktivatsiooni, et muutuda mutageenseks. Näiteks tsütokroom P450 on oluline ensüümide perekond, mis genereerib mutageenseid metaboliite. Mutageene, mis vajavad bioloogilist aktivatsiooni, nimetatakse promutageenideks.
Paljud mutatsioonid tulevad esile DNA kahjustuse tulemusena replikatsiooni käigus. Bakterirakkudes põhjustavad mutageenid üheahelalise DNA vahe (single-stranded DNA gap) teket replikatsioonis, mis kutsub esile SOS vastuse (SOS response). SOS vastus on reparatsiooni protsess, mis kasutab error-prone(vigaderohket) DNA polümeraasi. Selle ensüümi puuduliku funktsiooni tõttu võivad mutatsioonid püsima jääda. Imetajarakkudes indutseerib replikatsiooni peatumine kahjustatud piirkonnas mitmeid päästesüsteeme, mis aitavad samuti DNA kahjustusi ülesünteesis. Need spetsialiseeritud DNA polümeraasid on ka vigaderohked. DNA polümeraaside Y-perekonna ülesandeks on osalemine DNA kahjustuse ülesünteesi protsessis, mida nimetatakse translesion synthesis (TLS).