Mutageneze může probíhat endogenně (např. spontánní hydrolýzou), prostřednictvím běžných buněčných procesů, při nichž mohou vznikat reaktivní formy kyslíku a adukty DNA, nebo v důsledku chyb při replikaci a opravách DNA. K mutagenezi může docházet také v důsledku přítomnosti mutagenů v prostředí, které vyvolávají změny v DNA organismu. Mechanismus, jakým dochází k mutacím, se liší podle toho, o jaký mutagen nebo původce mutace se jedná. Většina mutagenů působí buď přímo, nebo nepřímo prostřednictvím mutagenních metabolitů na DNA organismu a vytváří změny. Některé mutageny však mohou ovlivňovat mechanismus replikace nebo rozdělení chromozomů a další buněčné procesy.

Mutageneze může být také samovolně vyvolána jednobuněčnými organismy, pokud jsou podmínky prostředí pro růst organismu omezující, například bakterie rostoucí v přítomnosti antibiotik, kvasinky rostoucí v přítomnosti antimykotika nebo jiné jednobuněčné organismy rostoucí v prostředí s nedostatkem základní živiny

Mnohé chemické mutageny vyžadují biologickou aktivaci, aby se staly mutagenními. Důležitou skupinou enzymů, které se podílejí na vzniku mutagenních metabolitů, je cytochrom P450. Mezi další enzymy, které mohou rovněž vytvářet mutagenní metabolity, patří glutathion S-transferáza a mikrosomální epoxidová hydroláza. Mutageny, které nejsou samy o sobě mutagenní, ale vyžadují biologickou aktivaci, se nazývají promutageny.

Zatímco většina mutagenů vyvolává účinky, které v konečném důsledku vedou k chybám v replikaci, například vytvářením aduktů, které narušují replikaci, některé mutageny mohou přímo ovlivňovat proces replikace nebo snižovat jeho věrnost. Analog báze, jako je 5-bromuracil, může při replikaci nahradit thymin. Kovy, jako je kadmium, chrom a nikl, mohou kromě přímého poškození DNA zvyšovat mutagenezi řadou způsobů, například snižovat schopnost opravovat chyby a také vyvolávat epigenetické změny.

Mutace často vznikají v důsledku problémů způsobených poškozením DNA během replikace, což vede k chybám v replikaci. U bakterií vede rozsáhlé poškození DNA způsobené mutageny ke vzniku jednovláknových mezer v DNA během replikace. To vyvolává SOS reakci, nouzový opravný proces, který je rovněž náchylný k chybám, čímž vznikají mutace. V savčích buňkách vyvolává zdržení replikace v poškozených místech řadu záchranných mechanismů, které pomáhají obejít léze DNA, což však může také vést k chybám. Rodina Y DNA polymeráz se specializuje na obcházení lézí DNA v procesu označovaném jako translesionová syntéza (TLS), kdy tyto polymerázy obcházející léze nahrazují zastavenou vysoce věrnou replikační DNA polymerázu, procházejí lézí a prodlužují DNA, dokud není léze překonána, aby mohla pokračovat normální replikace; tyto procesy mohou být náchylné k chybám nebo bezchybné.

Poškození DNA a spontánní mutaceUpravit

Počet epizod poškození DNA, ke kterým dojde v savčí buňce za den, je vysoký (více než 60 000 za den). Častý výskyt poškození DNA je pravděpodobně problémem pro všechny organismy obsahující DNA a potřeba vyrovnat se s poškozením DNA a minimalizovat jeho škodlivé účinky je pravděpodobně zásadním problémem pro život.

Většina spontánních mutací pravděpodobně vzniká v důsledku chybné syntézy trans-lesionů kolem místa poškození DNA v templátovém vlákně během replikace DNA. Tento proces může překonat potenciálně smrtící blokády, ale za cenu vnesení nepřesností do dceřiné DNA. Příčinnou souvislost poškození DNA se spontánními mutacemi ilustruje aerobně rostoucí bakterie E. coli, u níž je 89 % spontánně se vyskytujících mutací substitucí bází způsobeno poškozením DNA vyvolaným reaktivními formami kyslíku (ROS). U kvasinek je více než 60 % spontánních záměn a delecí jednoho páru bází pravděpodobně způsobeno trans-lesionovou syntézou.

Dalším významným zdrojem mutací u eukaryot je nepřesný proces opravy DNA non-homologous end joining, který se často uplatňuje při opravě dvouřetězcových zlomů.

Všeobecně se zdá, že hlavní základní příčinou spontánních mutací je k chybám náchylná trans-lesionová syntéza během replikace DNA a že k ní u eukaryot může významně přispívat i k chybám náchylná opravná cesta non-homologous end joining.

Spontánní hydrolýzaEdit

DNA není ve vodném roztoku zcela stabilní a může docházet k její depurinaci. Za fyziologických podmínek může dojít ke spontánní hydrolýze glykosidické vazby a odhaduje se, že každý den se v buňce depurinuje 10 000 purinových míst v DNA. Pro DNA existují četné cesty opravy DNA; pokud však apurinové místo není opraveno, může během replikace dojít k chybné inkorporaci nukleotidů. Adenin je přednostně inkorporován polymerázami DNA do apurinového místa.

Cytidin může být také deaminován na uridin rychlostí jedné pětisetiny rychlosti depurinace a může dojít k přechodu G na A. Eukaryotické buňky obsahují také 5-metylcytosin, o němž se předpokládá, že se podílí na řízení genové transkripce, a který se může deaminovat na tymin.

TautomerieUpravit

Hlavní článek: Tautomerizace je proces, při kterém se sloučeniny spontánně přeskupují a nabývají svých strukturních izomerních forem. Například keto (C=O) formy guaninu a thyminu se mohou přeskupit do svých vzácných enolových (-OH) forem, zatímco amino (-NH2 ) formy adeninu a cytosinu mohou vyústit ve vzácnější imino (=NH) formy. Při replikaci DNA tautomerizace mění místa párování bází a může způsobit nesprávné párování bází nukleových kyselin.

Modifikace bázíUpravit

Báze mohou být modifikovány endogenně běžnými buněčnými molekulami. Například DNA může být metylována S-adenosylmethioninem, čímž se změní exprese označeného genu, aniž by došlo k mutaci samotné sekvence DNA. Modifikace histonů je příbuzný proces, při němž mohou být histonové proteiny, kolem nichž se DNA stáčí, podobně modifikovány metylací, fosforylací nebo acetylací; tyto modifikace mohou působit na změnu genové exprese místní DNA a mohou také označovat místa poškozené DNA, která je třeba opravit. DNA může být také glykosylována redukujícími cukry.

Mnoho sloučenin, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky, aromatické aminy, aflatoxin a pyrolizidinové alkaloidy, může vytvářet reaktivní formy kyslíku katalyzované cytochromem P450. Tyto metabolity tvoří s DNA adukty, které mohou způsobit chyby v replikaci, a objemné aromatické adukty mohou tvořit stabilní interkalace mezi bázemi a blokovat replikaci. Adukty mohou také vyvolat konformační změny v DNA. Některé adukty mohou také způsobit depurinaci DNA; není však jisté, jak významná je taková depurinace způsobená adukty pro vznik mutací.

Alkylace a arylace bází může způsobit chyby v replikaci. Některá alkylační činidla, jako jsou N-nitrosaminy, mohou vyžadovat katalytickou reakci cytochromu-P450 za vzniku reaktivního alkylového kationtu. N7 a O6 guaninu a N3 a N7 adeninu jsou k útoku nejnáchylnější. Adukty N7-guaninu tvoří většinu aduktů DNA, ale zdá se, že nejsou mutagenní. Alkylace na O6 guaninu je však škodlivá, protože excizní oprava O6-adduktu guaninu může být v některých tkáních, například v mozku, nedostatečná. Metylace O6 guaninu může vést k přechodu G na A, zatímco O4-methylthymin může být chybně spárován s guaninem. Typ vzniklé mutace však může záviset na velikosti a typu aduktu a také na sekvenci DNA.

Ionizující záření a reaktivní formy kyslíku často oxidují guanin za vzniku 8-oxoguaninu.

Viz také: Epigenetika

Poškození páteřeEdit

Ionizující záření může produkovat vysoce reaktivní volné radikály, které mohou porušit vazby v DNA. Zvláště poškozující a těžko opravitelné jsou dvouřetězcové zlomy, které způsobují translokaci a deleci části chromozomu. Alkylační činidla, jako je yperit, mohou rovněž způsobit zlomy v páteři DNA. Oxidační stres může také vytvářet vysoce reaktivní formy kyslíku, které mohou poškodit DNA. Nesprávná oprava dalších poškození vyvolaných vysoce reaktivními druhy může rovněž vést k mutacím.

SíťováníUpravit

Hlavní článek: Zesíťování DNA

Kovalentní vazby mezi bázemi nukleotidů v DNA, ať už ve stejném nebo protilehlých vláknech, se označují jako zesíťování DNA; zesíťování DNA může ovlivnit replikaci i transkripci DNA a může být způsobeno působením různých látek. Zesíťování mohou podporovat i některé přirozeně se vyskytující chemické látky, například psoraleny po aktivaci UV zářením a kyselina dusičná. Mezivláknové zesíťování (mezi dvěma vlákny) způsobuje větší poškození, protože blokuje replikaci a transkripci a může způsobit chromozomální zlomy a přeskupení. Některé síťovače, jako je cyklofosfamid, mitomycin C a cisplatina, se používají jako protinádorová chemoterapeutika, protože mají vysoký stupeň toxicity pro proliferující buňky.

DimerizaceUpravit

Hlavní článek: Dimerizace spočívá ve spojení dvou monomerů za vzniku oligomeru, jako je například vznik pyrimidinových dimerů v důsledku vystavení UV záření, které podporuje vznik cyklobutylového kruhu mezi sousedními thyminy v DNA. I V lidských kožních buňkách se v důsledku běžného vystavení slunečnímu záření mohou za den vytvořit tisíce dimerů. DNA polymeráza η může pomoci tyto léze bezchybně obejít; jedinci s defektní funkcí opravy DNA, jako jsou například osoby trpící xeroderma pigmentosum, jsou však citliví na sluneční záření a mohou být náchylní k rakovině kůže.

Interkalace mezi bázemiUpravit

Hlavní článek: Interkalace (biochemie)

Planární struktura chemických látek, jako je ethidium bromid a proflavin, jim umožňuje vkládat se mezi báze v DNA. Toto vložení způsobuje roztažení páteře DNA a zvyšuje pravděpodobnost sklouznutí DNA během replikace, protože vazba mezi vlákny je v důsledku roztažení méně stabilní. Forward slippage vede k deleční mutaci, zatímco reverzní slippage vede k inzertní mutaci. Také interkalace antracyklinů, jako je daunorubicin a doxorubicin, do DNA narušuje fungování enzymu topoizomerázy II, čímž blokuje replikaci a způsobuje mitotickou homologní rekombinaci.

Inserční mutagenezeEdit

Hlavní článek: Inserční mutageneze:

Transpozony a viry mohou vložit sekvence DNA do kódujících oblastí nebo funkčních prvků genu a způsobit inaktivaci genu.

Adaptivní mechanismy mutagenezeEdit

Hlavní článek: Adaptivní mutace

Adaptivní mutageneze byla definována jako mechanismy mutageneze, které umožňují organismu přizpůsobit se stresu prostředí. Vzhledem k tomu, že škála environmentálních stresů je velmi široká, mechanismy, které ji umožňují, jsou také poměrně široké, jak ukázal výzkum v této oblasti. Například u bakterií bylo prokázáno, že zatímco modulace SOS odpovědi a syntézy endogenní profágové DNA zvyšuje odolnost Acinetobacter baumannii vůči ciprofloxacinu. Předpokládá se, že mechanismy rezistence jsou spojeny s chromozomální mutací nepřenosnou horizontálním přenosem genů u některých příslušníků čeledi Enterobacteriaceae, jako jsou E. coli, Salmonella spp. a Klebsiella spp, Chromozomální události, zejména aplifikace genů, se zdají být rovněž důležité pro tuto adaptivní mutagenezi u bakterií.

Výzkum u eukaryotických buněk je mnohem vzácnější, ale zdá se, že chromozomální události jsou také poměrně relevantní: zatímco u Saccharomyces cerevisiae byla zaznamenána ektopická intrachromozomální rekombinace, která se podílí na získání rezistence vůči 5-fluorocytosinu, u S. cerevisiae byla zjištěna duplikace genomu, která propůjčuje rezistenci vůči prostředí chudému na živiny

.