Мутагенеза

Мутагенеза ― постапка со која генетските информации на организмот се менувани со настанок на мутација. Може да биде појавена спонтано во природата или како резултат на изложеност на мутагени. Може да биде постигнатна и опитно со користење на лабораториски процедури. Мутагенот е агенс што предизвикува мутација, било да е тоа хемиски или физички, што резултира со зголемена стапка на мутации во генетскиот код на организмот. Во природата, мутагенезата може да доведе до рак и разни наследни болести, а исто така е движечка сила на еволуцијата. Мутагенезата како наука била развиена врз основа на работата направена од Херман Мулер, Шарлот Ауербах и Џон Робсон во првата половина на 20 век.

 Историја 
ДНК може да биде изменета, природно или вештачки, со помош на голем број физички, хемиски и биолошки агенси, што резултира со мутации. Херман Мулер открил дека „високите температури“ имаат способност да мутираат гени во раните 1920-ти, и во 1927 година, покажал причинско-последична врска со мутацијата при испитување со машина за рендген, забележувајќи ги филогенетските промени при зрачењето врз овошните мувите со релативно висока доза на рендгенски зраци. Мулер забележал голем број хромозомски преуредувања во неговите опити и предложил мутација како причина за рак. Поврзаноста на изложеноста на зрачење и ракот била забележана уште во 1902 година, шест години по откривањето на рендгенските зраци од Вилхелм Рентген и откривањето на радиоактивноста од страна на Анри Бекерел. Луис Стадлер, современикот на Мулер, исто така, го покажал ефектот на рендгенските зраци на мутациите во јачменот во 1928 година и на ултравиолетовото зрачење врз пченката во 1936 година. Во 1940-тите, Шарлот Ауербах и Џ Робсон откриле дека иперитниот гас може да предизвика мутации и кај овошните муви.

Додека промените во хромозомот предизвикани од рендгенски зраци и иперит биле лесно забележливи за раните истражувачи, други промени на ДНК предизвикани од други мутагени не биле толку лесно забележливи; механизмот со кој тие се појавуваат може да биде сложен и да биде потребно подолго време за да биде разоткриен. На пример, саѓите биле предложувани како причина за рак уште во 1775 година, и било докажано дека јагленот катран предизвикува рак во 1915 година. Подоцна било покажано дека хемикалиите вклучени во двете се полициклични ароматични јаглеводороди. Полицикличните ароматични јаглеводороди сами по себе не се ракородни, а во 1950 година било предложено дека ракородните облици на полицикличните ароматични јаглеводороди се оксидите произведени како метаболити од клеточните постапки. Метаболичката постапка била идентификувана во 1960-тите како катализа од цитохром P450, кој произведува реактивни видови кои можат да општат со ДНК за да образуваат адукти или производни молекули кои произлегуваат од реакцијата на ДНК и, во овој случај, цитохром P450; механизмот со кој адуктите на полицикличните ароматични јаглеводороди доведуваат до мутација, сепак, сè уште е под истрага.

 Разлика помеѓу мутација и оштетување на ДНК 
Оштетувањето на ДНК е абнормална промена во структурата на ДНК која сама по себе не може да се реплицира. Спротивно на тоа, мутација е промена во низата на нуклеинска киселина која може да се реплицира; оттука, мутација може да биде наследена од една генерација до друга. Оштетувањето може да настане од хемиско додавање (адукт) или структурно нарушување на базата на ДНК (создавање абнормален нуклеотид или нуклеотиден фрагмент) или прекин на една или двете нишки на ДНК. Таквото оштетување на ДНК може да резултира со мутација. Кога се реплицира оштетување што содржи ДНК, може да биде вметната погрешна база во новата комплементарна низа додека е синтетизирана (видете статија Поправка на ДНК § Синтеза на транслезија). Неправилното вметнување во новата влакно ќе се случи спроти оштетеното место во шаблонот, и ова неправилно вметнување може да стане мутација (т.е. променет базен пар) во следниот круг на репликација. Понатаму, прекините на двојни влакна во ДНК може да бидат поправени со неточна постапка на поправка, нехомологно завршно спојување, што создава мутации. Мутациите вообичаено може да бидат избегнати ако точните системи за поправка на ДНК препознаат оштетување на ДНК и го поправаат пред завршувањето на следниот круг на репликација. Најмалку 169 ензими или директно се користени во поправка на ДНК или влијаат на постапките за поправка на ДНК. Од нив, 83 се директно вклучени во петте вида процеси за поправка на ДНК.

Јадрената ДНК на цицачите може да одржува повеќе од 60.000 епизоди на оштетување по клетка дневно, како што е наведено со референци во оштетување на ДНК во природни услови. Ако се оставени непоправени, овие адукти, по погрешна репликација покрај оштетените места, може да доведат до мутации. Во природата, мутациите што се појавуваат може да бидат корисни или штетни - ова е движечката сила на еволуцијата. Организмот може да стекне нови особини преку генетска мутација, но мутацијата може да резултира и со нарушена функција на гените и, во тешки случаи, да предизвика смрт на организмот. Мутацијата е исто така главен извор за стекнување на отпорност на антибиотици кај бактериите и на противгабни агенси кај квасецот и мувлата. Во лабораториски услови, мутагенезата е корисна техника за создавање мутации што овозможува детално испитување на функциите на гените и генските производи, произведувајќи белковини со подобрени особини или нови функции, како и мутант соеви со корисни својства. Првично, способноста на зрачењето и хемиските мутагени да предизвикаат мутација била искористена за да бидат создадени случајни мутации, но подоцна биле развиени техники за воведување специфични мутации.

Кај луѓето, во просек се пренесувани 60 нови мутации од родител кон потомство. Меѓутоа, мажите имаат тежнеење да пренесуваат повеќе мутации во зависност од нивната возраст, пренесувајќи во просек две нови мутации на нивните потомци со секоја дополнителна година од нивната возраст.

 Механизми 
Мутагенезата може да биде појавена ендогено (на пр. спонтана хидролиза), преку нормални клеточни постапки кои можат да создаваатреактивни кислородни видови и адукти на ДНК, или преку грешка во репликацијата и поправката на ДНК. Мутагенезата може да се појави и како резултат на присуството на мутагени во животната средина, кои предизвикуваат промени во ДНК на организмот. Механизмот со кој се јавува мутација варира во зависност од вклучениот мутаген, или предизвикувачкиот агенс. Повеќето мутагени делуваат директно или индиректно преку мутагени метаболити на ДНК на организмот, создавајќи лезии. Некои мутагени, сепак, може да влијаат на механизмот за репликација или хромозомска поделба и други клеточни постапки.

Мутагенезата, исто така, може да биде самоиндуцирана од едноклеточни организми кога условите на животната средина се ограничувачки за растот на организмот, како што се бактерии кои растат во присуство на антибиотици, квасец што расте во присуство на антигабичен агенс или други едноклеточни организми кои растат во средина во која нема неопходна хранлива материја.

Многу хемиски мутагени бараат биолошко активирање за да станат мутагени. Важна група на ензими вклучени во создавањето мутагени метаболити е цитохромот P450. Други ензими кои исто така можат да произведат мутагенски метаболити се глутатион S-трансфераза и микрозомска епоксидна хидролаза. Мутагените кои сами по себе не се мутагени, но бараат биолошко активирање се нарекувани промутагени.

Додека повеќето мутагени произведуваат ефекти кои на крајот резултираат со грешки во репликацијата, на пример создавање адукти кои се мешани во репликацијата, некои мутагени може директно да влијаат на постапката на репликација или да ја намалат неговата верност. Основниот аналог како што е 5-бромоурацил може да го замени тиминот при репликација. Металите како што се кадмиумот, хромот и никелот може да ја зголемат мутагенезата на повеќе начини, покрај директното оштетување на ДНК, на пример, да ја намалат способноста за поправка на грешки, како и да создаваат епигенетски промени.

Мутациите често се јавуваат како резултат на проблеми предизвикани од лезии на ДНК за време на репликацијата, што резултира со грешки во репликацијата. Кај бактериите, големото оштетување на ДНК поради мутагени резултира со едноверижна ДНК празнини за време на репликацијата. Ова предизвикува „SOS“ одговор, постапка на итна поправка, кој исто така е склона кон грешки, а со тоа создава мутации. Во клетките на цицачите, застојот на репликацијата на оштетените места предизвикува голем број механизми за спасување кои помагаат да се заобиколат лезиите на ДНК, но тоа исто така може да резултира со грешки. Семејството Y на ДНК-полимерази е специјализирана за пренасочување на лезија на ДНК во постапка наречена транслезиска синтеза при што овие лезиско-пренасочени полимерази ја заменуваат застојаната репликативна ДНК-полимераза со висока верност, ја пренесуваат лезијата и ја продолжуваат ДНК додека не биде помината лезијата, за нормалната репликација да може да продолжи; овие постапки може да бидат склони кон грешки или без грешки.

 Оштетување на ДНК и спонтана мутација 
Бројот на епизоди на оштетување на ДНК што се случуваат во клетка на цицач дневно е висок (повеќе од 60.000 дневно). Честата појава на оштетување на ДНК е веројатно проблем за сите организми кои содржат ДНК, а потребата за справување со оштетувањето на ДНК и минимизирање на нивните штетни ефекти е веројатно основен проблем за животот.

Повеќето спонтани мутации веројатно произлегуваат од транслезиска синтеза склона кон грешки покрај местото на оштетување на ДНК во шаблонот за време на репликацијата на ДНК. Оваа постапка може да ги надмине потенцијалните смртоносни блокади, но по цена на воведување неточности во ДНК-ќерката. Причинската врска на оштетувањето на ДНК со спонтана мутација е илустрирана со аеробно растечката бактерија E. coli, во која 89% од спонтано настанатите мутации за замена на базата се предизвикани од оштетување на ДНК предизвикано од реактивни видови кислород. Кај квасецот, повеќе од 60% од спонтаните замени и бришења на парови со една база најверојатно се предизвикани од транслезиска синтеза.

Дополнителен значаен извор на мутации кај еукариотите е неточната постапка на нехомологното завршно поврзување при поправката на ДНК, што често е користено за поправка на прекини на двојни влакна.

Општо земено, се чини дека главната основна причина за спонтана мутација е транслезиската синтеза склона кон грешки за време на репликацијата на ДНК и дека патеката за поправка на нехомологно завршно спојување склоно кон грешка, исто така, може да биде важен придонесувач кај еукариотите.

 Спонтана хидролиза 
ДНК не е целосно стабилна во воден раствор и може да дојде до депуринација на ДНК. Под физиолошки услови , гликозидната врска може да се хидролизира спонтано и е проценувано дека 10.000 пурински места во ДНК се депуринирани секој ден во клетката. Постојат бројни патишта за поправка на ДНК во самата ДНК; сепак, ако апуринското место не е поправено, може да дојде до погрешно вклучување на нуклеотидите за време на репликацијата. Аденинот е преференцијално вклучен од ДНК-полимеразите во апуринско место.

Цитидинот, исто така, може да биде деаминиран во уридин со една петстотинка од стапката на депуринација и може да резултира со преод од Г во А. Еукариотските клетки исто така содржат 5-метилцитозин, за кој е сметан дека е вклучен во контролата на транскрипцијата на гените, кој може да биде деаминиран во тимин.

 Тавтомеризам 
Тавтомеризацијата е постапка со кој соединенијата спонтано се преуредувани за да ги добијат нивните структурни изомерни облици. На пример, кето (C=O) облиците на гванин и тимин може да се преуредат во нивните ретки облици на енол (-OH), додека амино (-NH2) облиците на аденин и цитозин може да резултираат со поретко имино (=NH) облици. Во репликацијата на ДНК, тавтомеризацијата ги менува местата за спарување на базите и може да предизвика неправилно спарување на базите на нуклеинската киселина.

 Изменување на базите 
Базите може да бидат изменувани ендогено со нормални клеточни молекули. На пример, ДНК може да биде метилирана со S-аденозилметионин, со што се менува експресијата на означениот ген без да биде извршен мутација на самата низа на ДНК. Хистонското изменување е поврзана постапка во кој хистонските белковини околу кои намотките на ДНК можат слично да бидат изменети преку метилација, фосфорилација или ацетилација; овие изменувања може да дејствуваат за да го променат генското изменување на месната ДНК, а исто така може да дејствуваат и да означуваат места на оштетена ДНК на кои им е потребна поправка. ДНК, исто така, може да биде гликозилирана со редуцирачки шеќери.

Многу соединенија, како што се полицикличните ароматични јаглеводороди, ароматичните амини, афлатоксин и пиролизидински алкалоиди, може да образуваат реактивни кислородни видови катализирани од цитохром P450. Овие метаболити образуваат адукти со ДНК, што може да предизвика грешки во репликацијата, а обемните ароматични адукти може да образуваат стабилна интеркалација помеѓу базите и да ја блокираат репликацијата. Адуктите исто така може да индуцираат конформациски промени во ДНК. Некои адукти, исто така, може да резултираат со депуринација на ДНК; сепак, не е сигурно колку е значајна таквата депуринација предизвикана од адуктите во создавањето на мутација.

Алкилацијата и арилацијата на базите може да предизвикаат грешки во репликацијата. Некои алкилирачки агенси како што се N- нитрозамините може да бараат каталитичка реакција на цитохром-P450 за создавање на реактивен алкил катјон. N7 и O6 на гванин и N3 и N7 на аденин се најподложни на напад. N7-гванинските адукти го сочинуваат најголемиот дел од адуктите на ДНК, но се чини дека тие се немутагени. Меѓутоа, алкилацијата на О6 на гванин е штетна бидејќи поправката на ексцизија на О6-адуктот на гванин може да биде слаба во некои ткива како што е мозокот. О6 метилацијата на гванин може да резултира со преод од G во A, додека О4-метилтиминот може погрешно да биде поврзан со гванин. Видот створена мутација, сепак, може да зависи од големината и видот аддукт, како и од низата на ДНК.

Јонизирачкото зрачење и реактивните кислородни видови често го оксидираат гванинот за да произведат 8-оксогуанин.
десно|мини|180x180пкс| Стрелките укажуваат на прекин на хромозомите поради оштетување на ДНК

 Оштетување на крутоста 
Јонизирачкото зрачење може да произведе високо реактивни слободни радикали кои можат да ги скршат врските во ДНК. Двоверижни раскинувања се особено штетни и тешко се поправаат, предизвикувајќи транслокација и бришење на дел од хромозомот. Алкилирачките агенси, како што е иперитот, исто така може да предизвикаат кршење на крутоста на ДНК. Оксидативниот стрес, исто така, може да создава високо реактивни кислородни видови кои можат да ја оштетат ДНК. Неправилно поправка на други оштетувања предизвикани од високо реактивните видови, исто така, може да доведе до мутации.

 Вмрежување 

Ковалентните врски помеѓу базите на нуклеотидите во ДНК, без разлика дали се во иста нишка или спротивставени нишки, се нарекувани вмрежување на ДНК. Вмрежувањето на ДНК може да влијае и на репликацијата и на транскрипцијата на ДНК, а може да биде предизвикана од изложеност на различни агенси. Некои природни хемикалии исто така може да промовираат вмрежување, како што се псоралените по активирање со ултравиолетово зрачење и азотна киселина. Вмрежувањето (помеѓу две нишки) предизвикува поголема штета, бидејќи ја блокира репликацијата и транскрипцијата и може да предизвика хромозомски раскинувања и преуредувања. Некои вкрстено поврзувачи како што се циклофосфамид, митомицин Ц и цисплатин се користат како противракородни хемотерапевтски средства поради нивниот висок степен на токсичност за клетките кои се размножуваат.

 Димеризација 

Димеризацијата се состои од поврзување на два мономери за да биде образуван олигомер, како што е образувањето на пиримидински димери како резултат на изложеност на ултравиолетово зрачење, што го промовира образувањето на циклобутилски прстен помеѓу соседните тимини во ДНК. Во клетките на човечката кожа, илјадници димери може да бидат создадени во еден ден поради нормална изложеност на сончева светлина. ДНК-полимеразата η може да помогне да бидат заобиколени овие лезии на начин без грешки; сепак, поединците со неисправна функција за поправка на ДНК, како што се оние со пигментна ксеродерма, се чувствителни на сончева светлина и може да бидат склони кон рак на кожата.
лево|мини|250x250пкс| Етидиум интеркалиран помеѓу два базни парови аденин-тимин.
Клинички, дали туморот бил створен како директна последица на ултравиолетовото зрачење, може да биде забележано преку анализа на секвенционирање на ДНК за карактеристичниот контекст специфичен модел на димеризација што се јавува поради прекумерна изложеност на сончева светлина.

 Интеркалација помеѓу базите 

Рамнината структура на хемикалиите како што се етидиум бромид и профлавин им овозможува да бидат вметнати помеѓу базите во ДНК. Ова вметнување предизвикува истегнување на крутоста на ДНК и го прави лизгањето во ДНК за време на репликацијата со поголема веројатност да се случи, бидејќи поврзувањето помеѓу нишките е помалку стабилно со истегнувањето. Лизгањето нанапред ќе резултира со мутација со бришење, додека обратното лизгање ќе резултира со мутација со вметнување . Исто така, интеркалирањето во ДНК на антрациклините како што се даунорубицин и доксорубицин го попречува функционирањето на ензимот топоизомераза II, блокирајќи ја репликацијата, како и предизвикувајќи митозна хомологна рекомбинација.

 Вметната мутагенеза 

Транспозоните и вирусите или ретротранспонзоните може да вметнат низи на ДНК во кодираните региони или функционалните елементи на генот и да резултираат со исклучување на генот.

 Механизми за прилагодлива мутагенеза 

Прилагодливата мутагенеза е дефинирана како механизми за мутагенеза кои му овозможуваат на организмот да се прилагоди на стресот од животната средина. Бидејќи разновидноста на стресовите од животната средина е многу широка, механизмите што го овозможуваат се исто така доста широки, колку што покажале истражувањата на теренот. На пример, кај бактериите, додека модулацијата на „SOS“ одговорот и синтезата на ДНК на ендогениот профаг била покажана дека ја зголемува отпорноста на Acinetobacter baumannii на ципрофлоксацин. Претпоставувано е дека механизмите на отпор се поврзани со хромозомска мутација непренослива преку хоризонтален пренос на гени кај некои членови на семејството ентеробактерии, како што се E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp. и Enterobacter spp. Хромозомските настани, особено генското засилување, се чини дека се исто така релевантни за оваа прилагодлива мутагенеза кај бактериите.

Истражувањето во еукариотските клетки е многу поретко, но се чини дека хромозомските настани се исто така прилично релевантни: додека ектопична интрахромозомска рекомбинација е пријавена дека е вклучена во стекнување отпор кон 5-флуороцитозин во Saccharomyces cerevisiae, се пронајдени удвојувања на геномот даваат отпор во S. cerevisiae на средини сиромашни со хранливи материи.

 Лабораториски примени 
Во лабораторија, мутагенезата е техника со која мутациите на ДНК намерно се изградени за да бидат произведени мутантни гени, белковини или соеви на организми. Различни состојки на генот, како што се неговите контролни елементи и неговиот генски производ, може да бидат мутирани така што функцијата на генот или белковината може подробно да биде испитана. Мутацијата, исто така, може да произведе мутантни белковини со изменети својства или подобрени или нови функции кои може да бидат покажани за комерцијална употреба. Може да бидат произведени мутантни соеви на организми кои имаат практична примена или дозволуваат да биде истражена молекуларната основа на одредена клеточна функција.

Раните методи на мутагенеза направиле сосема случајни мутации; сепак, современите методи на мутагенеза се способни да направат мутации специфични за местото. Современите лабораториски техники кои се користени за создавање на овие мутации се:

 Насочена мутагенеза
 Мутагенеза насочена кон местото/мутагенеза со полимеразна верижна реакција
 Вметната мутагенеза
 Мутагенеза означена со потпис
 Транспозонска мутагенеза
 Мутагенеза на заситена низа

 Поврзано 

 Наводи 

Категорија:Мутагенеза