Mutagenese kan forekomme endogent (f.eks. spontan hydrolyse), gennem normale cellulære processer, der kan generere reaktive oxygenarter og DNA-addukter, eller gennem fejl i DNA-replikation og reparation. Mutagenese kan også forekomme som følge af tilstedeværelsen af miljømæssige mutagener, der fremkalder ændringer i en organismes DNA. Den mekanisme, hvorved mutationer opstår, varierer alt efter det pågældende mutagen eller det forårsagende agens. De fleste mutagene stoffer virker enten direkte eller indirekte via mutagene metabolitter på en organismes DNA og forårsager læsioner. Nogle mutagener kan imidlertid påvirke replikations- eller kromosomfordelingsmekanismen og andre cellulære processer.

Mutagenese kan også være selvinduceret af encellede organismer, når miljøforholdene er restriktive for organismens vækst, f.eks. bakterier, der vokser i nærværelse af antibiotika, gær, der vokser i nærværelse af et svampedræbende middel, eller andre encellede organismer, der vokser i et miljø med mangel på et vigtigt næringsstof

Mange kemiske mutagener kræver biologisk aktivering for at blive mutagene. En vigtig gruppe af enzymer, der er involveret i dannelsen af mutagene metabolitter, er cytokrom P450. Andre enzymer, der også kan producere mutagene metabolitter, omfatter glutathion S-transferase og mikrosomal epoxidhydrolase. Mutagener, der ikke er mutagene i sig selv, men som kræver biologisk aktivering, kaldes promutagener.

Mens de fleste mutagener har virkninger, der i sidste ende resulterer i fejl i replikationen, f.eks. ved at skabe addukter, der forstyrrer replikationen, kan nogle mutagener påvirke replikationsprocessen direkte eller reducere dens troværdighed. Baseanalog som f.eks. 5-bromouracil kan erstatte thymin i replikationen. Metaller som cadmium, chrom og nikkel kan øge mutagenesen på en række måder ud over direkte DNA-skader, f.eks. ved at reducere evnen til at reparere fejl samt ved at producere epigenetiske ændringer.

Mutationer opstår ofte som følge af problemer forårsaget af DNA-læsioner under replikationen, hvilket resulterer i fejl i replikationen. I bakterier resulterer omfattende skader på DNA som følge af mutagener i enkeltstrengede DNA-huller under replikationen. Dette inducerer SOS-reaktionen, en nødreparationsproces, som også er fejlbehæftet, og derved opstår mutationer. I pattedyrceller inducerer forsinkelse af replikationen på beskadigede steder en række redningsmekanismer, der hjælper med at omgå DNA-læsioner, men dette kan også resultere i fejl. Y-familien af DNA-polymeraser er specialiseret i omgåelse af DNA-læsioner i en proces kaldet translesion-syntese (TLS), hvor disse polymeraser til omgåelse af læsioner erstatter den afbrudte replikative DNA-polymerase med høj troværdighed, passerer læsionen og forlænger DNA’et, indtil læsionen er passeret, så den normale replikation kan genoptages; disse processer kan være fejlbehæftede eller fejlfrie.

DNA-skader og spontan mutationRediger

Antallet af DNA-skadeepisoder, der forekommer i en pattedyrcelle pr. dag, er højt (mere end 60.000 pr. dag). Hyppig forekomst af DNA-skader er sandsynligvis et problem for alle DNA-holdige organismer, og behovet for at håndtere DNA-skader og minimere deres skadelige virkninger er sandsynligvis et grundlæggende problem for livet.

De fleste spontane mutationer opstår sandsynligvis fra fejlbehæftet trans-lesion-syntese forbi et DNA-skadessted i skabelonstrengen under DNA-replikation. Denne proces kan overvinde potentielt dødelige blokeringer, men på bekostning af at indføre unøjagtigheder i datter-DNA’et. Årsagsforholdet mellem DNA-skader og spontane mutationer illustreres af aerobt voksende E. coli-bakterier, hvor 89 % af de spontant forekommende basesubstitutionsmutationer skyldes reaktive oxygenarter (ROS) inducerede DNA-skader. I gær er mere end 60 % af de spontane enkeltbaseparsubstitutioner og -deletioner sandsynligvis forårsaget af trans-lesion-syntese.

En anden væsentlig kilde til mutationer hos eukaryoter er den upræcise DNA-reparationsproces non-homologous end joining, der ofte anvendes ved reparation af dobbeltstrengsbrud.

Generelt ser det ud til, at den vigtigste underliggende årsag til spontan mutation er fejlbehæftet trans-lesion-syntese under DNA-replikation, og at den fejlbehæftede non-homologous end joining-reparationsvej også kan være en vigtig bidragyder i eukaryoter.

Spontan hydrolyseRediger

DNA er ikke helt stabilt i vandig opløsning, og der kan forekomme depurination af DNA’et. Under fysiologiske forhold kan den glykosidiske binding hydrolyseres spontant, og det anslås, at 10.000 purinsteder i DNA depurineres hver dag i en celle. Der findes mange DNA-reparationsveje for DNA; men hvis det apuriniske sted ikke repareres, kan der ske fejlinkorporering af nukleotider under replikationen. Adenin inkorporeres fortrinsvis af DNA-polymeraser på et apurinisk sted.

Cytidin kan også blive deamineret til uridin med en femhundrededel af depurineringshastigheden og kan resultere i en overgang fra G til A. Eukaryote celler indeholder også 5-methylcytosin, der menes at være involveret i kontrollen af gentranskription, som kan blive deamineret til thymin.

TautomerismeRediger

Hovedartikel: Tautomer

Tautomerisering er den proces, hvorved forbindelser spontant omarrangerer sig selv for at antage deres strukturelle isomerformer. For eksempel kan ketoformerne (C=O) af guanin og thymin omarrangere sig til deres sjældne enolformer (-OH), mens aminoformerne (-NH2 ) af adenin og cytosin kan resultere i de sjældnere iminoformer (=NH). Ved DNA-replikation ændrer tautomeriseringen baseparringsstederne og kan forårsage ukorrekt parring af nukleinsyrebaser.

Modifikation af baserRediger

Baser kan modificeres endogent af normale cellulære molekyler. DNA kan f.eks. methyleres af S-adenosylmethionin, hvorved udtrykket af det markerede gen ændres, uden at der sker en mutation i selve DNA-sekvensen. Histonmodificering er en beslægtet proces, hvor de histonproteiner, som DNA er viklet omkring, på samme måde kan modificeres via methylering, fosforylering eller acetylering; disse modifikationer kan ændre genekspressionen af det lokale DNA og kan også bruges til at angive steder med beskadiget DNA, der har brug for reparation. DNA kan også glykosyleres ved hjælp af reducerende sukkerstoffer.

Mange forbindelser, såsom PAH’er, aromatiske aminer, aflatoksin og pyrrolizidinalkaloider, kan danne reaktive oxygenarter, der katalyseres af cytokrom P450. Disse metabolitter danner addukter med DNA’et, hvilket kan forårsage fejl i replikationen, og de voluminøse aromatiske addukter kan danne stabile interkalationer mellem baser og blokere replikationen. Addukterne kan også fremkalde konformationsændringer i DNA’et. Nogle addukter kan også resultere i depurinering af DNA’et; det er dog usikkert, hvor stor betydning en sådan depurinering som forårsaget af addukterne har for frembringelsen af mutationer.

Alkylering og arylering af baser kan forårsage fejl i replikationen. Nogle alkyleringsmidler, såsom N-Nitrosaminer, kan kræve en katalytisk reaktion af cytokrom-P450 for dannelsen af et reaktivt alkylkation. N7 og O6 i guanin og N3 og N7 i adenin er mest modtagelige for angreb. N7-guaninaddukter udgør hovedparten af DNA-addukterne, men de synes ikke at være mutagene. Alkylering ved O6 af guanin er imidlertid skadelig, fordi excisionsreparation af O6-addukt af guanin kan være dårlig i visse væv, f.eks. i hjernen. O6-methylering af guanin kan resultere i en overgang fra G til A, mens O4-methylthymin kan blive fejlparret med guanin. Typen af den genererede mutation kan dog være afhængig af adduktets størrelse og type samt DNA-sekvensen.

Ioniserende stråling og reaktive oxygenarter oxiderer ofte guanin og danner 8-oxoguanin.

Se også: Epigenetik

RygsøjleskaderRediger

Ioniserende stråling kan producere meget reaktive frie radikaler, der kan bryde bindingerne i DNA’et. Dobbeltstrengsbrud er særligt skadelige og svære at reparere, hvilket medfører translokation og deletion af en del af et kromosom. Alkylerende stoffer som sennepsgas kan også forårsage brud på DNA-ryggen. Oxidativ stress kan også generere meget reaktive oxygenarter, som kan beskadige DNA. Forkert reparation af andre skader induceret af de stærkt reaktive arter kan også føre til mutationer.

CrosslinkingRediger

Hovedartikel: Krydsforbindelse af DNA

Kovalente bindinger mellem baserne af nukleotider i DNA, hvad enten de er i samme streng eller modsatrettede strenge, kaldes krydsforbindelse af DNA; krydsforbindelse af DNA kan påvirke både replikation og transkription af DNA, og det kan være forårsaget af eksponering for en række forskellige stoffer. Nogle naturligt forekommende kemikalier kan også fremme tværbinding, f.eks. psoralener efter aktivering ved UV-stråling og salpetersyre. Krydsbinding mellem strengene (mellem to strenge) forårsager større skade, da den blokerer replikation og transkription og kan forårsage kromosomale brud og rearrangementer. Nogle krydsforbindelser såsom cyclophosphamid, mitomycin C og cisplatin anvendes som kemoterapeutiske midler mod kræft på grund af deres høje grad af toksicitet over for prolifererende celler.

DimeriseringRediger

Hovedartikel: Dimer

Dimerisering består af bindingen af to monomerer for at danne en oligomer, som f.eks. dannelsen af pyrimidindimerer som følge af eksponering for UV-stråling, der fremmer dannelsen af en cyclobutylring mellem tilstødende thyminer i DNA. I menneskelige hudceller kan der dannes tusindvis af dimere i løbet af en dag som følge af normal eksponering for sollys. DNA-polymerase η kan hjælpe med at omgå disse læsioner på en fejlfri måde; personer med defekt DNA-reparationsfunktion, som f.eks. personer med xeroderma pigmentosum, er imidlertid følsomme over for sollys og kan være udsat for hudkræft.

Interkalering mellem baserRediger

Hovedartikel: Interkalation (biokemi)

Den planare struktur af kemikalier som ethidiumbromid og proflavin gør det muligt for dem at indsætte sig mellem baser i DNA. Denne indsættelse får DNA’s rygsøjle til at strække sig og gør det mere sandsynligt, at der opstår glidning i DNA under replikation, da bindingen mellem strengene bliver mindre stabil af strækningen. Fremadgående glidning vil resultere i en deletionsmutation, mens omvendt glidning vil resultere i en indsættelsesmutation. Desuden forstyrrer interkalering i DNA af anthracykliner som daunorubicin og doxorubicin enzymet topoisomerase II’s funktion, hvilket blokerer replikationen samt forårsager mitotisk homolog rekombination.

Insertionel mutageneseRediger

Hovedartikel: Insertionel mutagenese

Transposoner og vira kan indsætte DNA-sekvenser i kodningsregioner eller funktionelle elementer i et gen og resultere i inaktivering af genet.

Adaptive mutagenesemekanismerRediger

Hovedartikel: Adaptiv mutation

Adaptiv mutagenese er blevet defineret som mutagenesemekanismer, der gør det muligt for en organisme at tilpasse sig til en miljømæssig stress. Da variationen af miljøstress er meget bred, er de mekanismer, der gør det muligt, også ret brede, så vidt forskningen på området har vist. Hos bakterier er det f.eks. blevet påvist, at modulation af SOS-reaktionen og endogen profage-DNA-syntese øger Acinetobacter baumanniis resistens over for ciprofloxacin, mens modulation af SOS-reaktionen og endogen profage-DNA-syntese har vist sig at øge Acinetobacter baumannii-resistensen. Resistensmekanismer formodes at være knyttet til kromosomale mutationer, der ikke kan overføres via horisontal genoverførsel hos nogle medlemmer af familien Enterobacteriaceae, såsom E. coli, Salmonella spp. og Klebsiella spp, og Enterobacter spp. Kromosomale hændelser, især genplifikation, synes også at være relevante for denne adaptive mutagenese hos bakterier.

Forskning i eukaryote celler er meget sjældnere, men kromosomale hændelser synes også at være ret relevante: mens en ektopisk intrakromosomal rekombination er blevet rapporteret som værende involveret i erhvervelse af resistens over for 5-fluorocytosin i Saccharomyces cerevisiae, er det blevet konstateret, at genomduplikeringer giver S. cerevisiae resistens over for næringsfattige miljøer.