Mutagenese kann endogen (z. B. durch spontane Hydrolyse), durch normale zelluläre Prozesse, die reaktive Sauerstoffspezies und DNA-Addukte erzeugen können, oder durch Fehler bei der DNA-Replikation und -Reparatur auftreten. Die Mutagenese kann auch durch das Vorhandensein von Umweltmutagenen ausgelöst werden, die Veränderungen in der DNA eines Organismus hervorrufen. Der Mechanismus, durch den die Mutation auftritt, variiert je nach dem Mutagen oder dem verursachenden Agens. Die meisten Mutagene wirken entweder direkt oder indirekt über mutagene Metaboliten auf die DNA eines Organismus ein und verursachen Läsionen. Einige Mutagene können jedoch auch die Replikation oder den Mechanismus der Chromosomenteilung sowie andere zelluläre Prozesse beeinflussen.

Mutagene können auch von einzelligen Organismen selbst induziert werden, wenn die Umweltbedingungen das Wachstum des Organismus einschränken, wie z. B. bei Bakterien, die in Gegenwart von Antibiotika wachsen, bei Hefe, die in Gegenwart eines Antimykotikums wächst, oder bei anderen einzelligen Organismen, die in einer Umgebung wachsen, in der es an einem essentiellen Nährstoff mangelt

Viele chemische Mutagene erfordern eine biologische Aktivierung, um mutagen zu werden. Eine wichtige Gruppe von Enzymen, die an der Bildung von mutagenen Metaboliten beteiligt sind, ist Cytochrom P450. Andere Enzyme, die ebenfalls mutagene Metaboliten erzeugen können, sind die Glutathion-S-Transferase und die mikrosomale Epoxidhydrolase. Mutagene, die selbst nicht mutagen sind, aber eine biologische Aktivierung erfordern, werden als Promutagene bezeichnet.

Während die meisten Mutagene Wirkungen erzeugen, die letztlich zu Fehlern bei der Replikation führen, z. B. die Bildung von Addukten, die die Replikation stören, können einige Mutagene den Replikationsprozess direkt beeinträchtigen oder seine Treue verringern. Basenanaloga wie 5-Bromouracil können Thymin bei der Replikation ersetzen. Metalle wie Cadmium, Chrom und Nickel können die Mutagenese nicht nur durch direkte DNA-Schäden erhöhen, sondern auch durch eine Verringerung der Fähigkeit, Fehler zu reparieren, sowie durch epigenetische Veränderungen.

Mutationen entstehen oft durch Probleme, die durch DNA-Läsionen während der Replikation verursacht werden und zu Fehlern bei der Replikation führen. In Bakterien führt eine umfassende Schädigung der DNA durch Mutagene zu Einzelstrang-DNA-Lücken während der Replikation. Dadurch wird die SOS-Reaktion ausgelöst, ein Notfall-Reparaturprozess, der ebenfalls fehleranfällig ist und zu Mutationen führt. In Säugetierzellen führt das Abwürgen der Replikation an geschädigten Stellen zu einer Reihe von Rettungsmechanismen, mit deren Hilfe DNA-Läsionen umgangen werden, was jedoch auch zu Fehlern führen kann. Die Y-Familie der DNA-Polymerasen ist auf die Umgehung von DNA-Läsionen in einem Prozess spezialisiert, der als Translesionssynthese (TLS) bezeichnet wird, wobei diese Polymerasen zur Umgehung von Läsionen die blockierte hochreplikative DNA-Polymerase ersetzen, die Läsion passieren und die DNA verlängern, bis die Läsion passiert ist, so dass die normale Replikation wieder aufgenommen werden kann; diese Prozesse können fehleranfällig oder fehlerfrei sein.

DNA-Schäden und spontane MutationBearbeiten

Die Zahl der DNA-Schäden, die in einer Säugetierzelle pro Tag auftreten, ist hoch (mehr als 60.000 pro Tag). Das häufige Auftreten von DNA-Schäden ist wahrscheinlich ein Problem für alle DNA-haltigen Organismen, und die Notwendigkeit, mit DNA-Schäden fertig zu werden und ihre schädlichen Auswirkungen zu minimieren, ist wahrscheinlich ein grundlegendes Problem für das Leben.

Die meisten spontanen Mutationen entstehen wahrscheinlich durch fehleranfällige Trans-Lesionsynthese an einer DNA-Schadensstelle im Vorlagenstrang während der DNA-Replikation. Dieser Prozess kann potenziell tödliche Blockaden überwinden, allerdings um den Preis, dass Ungenauigkeiten in die Tochter-DNA eingebracht werden. Der kausale Zusammenhang zwischen DNA-Schäden und spontanen Mutationen wird durch aerob wachsende E. coli-Bakterien veranschaulicht, bei denen 89 % der spontan auftretenden Basensubstitutionsmutationen durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) verursachte DNA-Schäden verursacht werden. In Hefe werden mehr als 60 % der spontanen Substitutionen und Deletionen von einzelnen Basenpaaren wahrscheinlich durch die Trans-Lesionssynthese verursacht.

Eine weitere wichtige Quelle für Mutationen in Eukaryonten ist der ungenaue DNA-Reparaturprozess, das nicht-homologe Endjoining, das häufig bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen eingesetzt wird.

Im Allgemeinen scheint die Hauptursache für Spontanmutationen die fehleranfällige Trans-Lesionensynthese während der DNA-Replikation zu sein, und der fehleranfällige Reparaturweg der nicht-homologen Endverbindung kann bei Eukaryoten ebenfalls einen wichtigen Beitrag leisten.

Spontane HydrolyseBearbeiten

DNA ist in wässriger Lösung nicht völlig stabil, und es kann zu einer Depurinierung der DNA kommen. Unter physiologischen Bedingungen kann die glykosidische Bindung spontan hydrolysiert werden, und man schätzt, dass täglich 10.000 Purinstellen in der DNA in einer Zelle depuriniert werden. Es gibt zahlreiche DNA-Reparaturwege für die DNA; wird die apurinische Stelle jedoch nicht repariert, kann es während der Replikation zu einem Fehleinbau von Nukleotiden kommen. Adenin wird von den DNA-Polymerasen bevorzugt in eine apurinische Stelle eingebaut.

Cytidin kann auch mit einem Fünfhundertstel der Depurinierungsrate zu Uridin desaminiert werden, was zu einem Übergang von G zu A führen kann. Eukaryotische Zellen enthalten auch 5-Methylcytosin, von dem man annimmt, dass es an der Kontrolle der Gentranskription beteiligt ist, und das zu Thymin desaminiert werden kann.

TautomerismusBearbeiten

Hauptartikel: Tautomer

Tautomerisierung ist der Prozess, bei dem sich Verbindungen spontan umlagern und ihre isomeren Formen annehmen. Zum Beispiel können sich die Ketoformen (C=O) von Guanin und Thymin in ihre seltenen Enolformen (-OH) umlagern, während die Aminoformen (-NH2 ) von Adenin und Cytosin zu den selteneren Iminoformen (=NH) führen können. Bei der DNA-Replikation verändert die Tautomerisierung die Basenpaarungsstellen und kann zu einer falschen Paarung von Nukleinsäurebasen führen.

Modifizierung von BasenBearbeiten

Basen können endogen durch normale zelluläre Moleküle modifiziert werden. So kann beispielsweise die DNA durch S-Adenosylmethionin methyliert werden, wodurch die Expression des markierten Gens verändert wird, ohne dass die DNA-Sequenz selbst mutiert wird. Die Histonmodifikation ist ein verwandter Prozess, bei dem die Histonproteine, um die sich die DNA windet, in ähnlicher Weise durch Methylierung, Phosphorylierung oder Acetylierung modifiziert werden können; diese Modifikationen können die Genexpression der lokalen DNA verändern und auch Stellen mit geschädigter DNA kennzeichnen, die repariert werden müssen. Die DNA kann auch durch reduzierende Zucker glykosyliert werden.

Viele Verbindungen, wie PAHs, aromatische Amine, Aflatoxin und Pyrrolizidinalkaloide, können reaktive Sauerstoffspezies bilden, die durch Cytochrom P450 katalysiert werden. Diese Metaboliten bilden Addukte mit der DNA, die Fehler bei der Replikation verursachen können, und die sperrigen aromatischen Addukte können stabile Einlagerungen zwischen Basen bilden und die Replikation blockieren. Die Addukte können auch Konformationsänderungen in der DNA hervorrufen. Einige Addukte können auch zu einer Depurinierung der DNA führen; es ist jedoch ungewiss, inwieweit die durch die Addukte verursachte Depurinierung bei der Erzeugung von Mutationen von Bedeutung ist.

Alkylierung und Arylierung von Basen können Fehler bei der Replikation verursachen. Einige Alkylierungsmittel wie N-Nitrosamine können die katalytische Reaktion von Cytochrom-P450 zur Bildung eines reaktiven Alkylkations erfordern. N7 und O6 von Guanin und N3 und N7 von Adenin sind am anfälligsten für einen Angriff. N7-Guanin-Addukte bilden den Großteil der DNA-Addukte, scheinen aber nicht mutagen zu sein. Die Alkylierung an O6-Guanin ist jedoch schädlich, da die Exzisionsreparatur von O6-Guaninaddukten in einigen Geweben, wie z. B. im Gehirn, schlecht funktioniert. Die O6-Methylierung von Guanin kann zu einem Übergang von G nach A führen, während O4-Methylthymin mit Guanin fehlgepaart werden kann. Die Art der erzeugten Mutation kann jedoch von der Größe und der Art des Addukts sowie von der DNA-Sequenz abhängen.

Ionisierende Strahlung und reaktive Sauerstoffspezies oxidieren häufig Guanin und erzeugen 8-Oxoguanin.

Siehe auch: Epigenetik

RückgratschädenEdit

Ionisierende Strahlung kann hochreaktive freie Radikale erzeugen, die die Bindungen in der DNA brechen können. Doppelstrangbrüche sind besonders schädlich und schwer zu reparieren und führen zu Translokation und Deletion von Teilen eines Chromosoms. Alkylierungsmittel wie Senfgas können ebenfalls Brüche im DNA-Rückgrat verursachen. Bei oxidativem Stress können auch hochreaktive Sauerstoffspezies entstehen, die die DNA schädigen können. Eine fehlerhafte Reparatur anderer Schäden, die durch die hochreaktiven Spezies verursacht werden, kann ebenfalls zu Mutationen führen.

VernetzungBearbeiten

Hauptartikel: Quervernetzung der DNA

Kovalente Bindungen zwischen den Basen der Nukleotide in der DNA, sei es im gleichen Strang oder in gegenüberliegenden Strängen, werden als Quervernetzung der DNA bezeichnet; die Quervernetzung der DNA kann sowohl die Replikation als auch die Transkription der DNA beeinträchtigen und durch die Einwirkung einer Vielzahl von Substanzen verursacht werden. Einige natürlich vorkommende Chemikalien können ebenfalls die Vernetzung fördern, wie Psoralene nach Aktivierung durch UV-Strahlung und salpetrige Säure. Die Vernetzung zwischen den Strängen (zwischen zwei Strängen) verursacht größere Schäden, da sie die Replikation und Transkription blockiert und Chromosomenbrüche und -umlagerungen verursachen kann. Einige Vernetzer wie Cyclophosphamid, Mitomycin C und Cisplatin werden wegen ihrer hohen Toxizität für proliferierende Zellen als Chemotherapeutikum gegen Krebs eingesetzt.

DimerisierungBearbeiten

Hauptartikel: Dimer

Dimerisierung ist die Verbindung zweier Monomere zu einem Oligomer, wie z.B. die Bildung von Pyrimidin-Dimeren infolge von UV-Strahlung, die die Bildung eines Cyclobutylrings zwischen benachbarten Thyminen in der DNA fördert. I In menschlichen Hautzellen können bei normaler Sonneneinstrahlung an einem Tag Tausende von Dimeren gebildet werden. Die DNA-Polymerase η kann dazu beitragen, diese Läsionen fehlerfrei zu überbrücken; Personen mit einer gestörten DNA-Reparaturfunktion, wie z. B. Menschen mit Xeroderma pigmentosum, sind jedoch empfindlich gegenüber Sonnenlicht und können anfällig für Hautkrebs sein.

Interkalation zwischen BasenBearbeiten

Hauptartikel: Interkalation (Biochemie)

Die planare Struktur von Chemikalien wie Ethidiumbromid und Proflavin ermöglicht es ihnen, sich zwischen Basen in der DNA einzufügen. Diese Einfügung führt zu einer Dehnung des DNA-Rückgrats und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die DNA während der Replikation verrutscht, da die Bindung zwischen den Strängen durch die Dehnung weniger stabil wird. Das Vorwärtsgleiten führt zu einer Deletionsmutation, während das Rückwärtsgleiten zu einer Insertionsmutation führt. Auch die Interkalation von Anthrazyklinen wie Daunorubicin und Doxorubicin in die DNA stört die Funktion des Enzyms Topoisomerase II, wodurch die Replikation blockiert und eine mitotische homologe Rekombination verursacht wird.

InsertionsmutageneseEdit

Hauptartikel: Insertionsmutagenese

Transposons und Viren können DNA-Sequenzen in kodierende Regionen oder funktionelle Elemente eines Gens einfügen und zur Inaktivierung des Gens führen.

Mechanismen der adaptiven MutageneseBearbeiten

Hauptartikel: Adaptive Mutation

Adaptive Mutagenese wird definiert als Mutagenesemechanismen, die es einem Organismus ermöglichen, sich an einen Umweltstress anzupassen. Da die Vielfalt der Umweltbelastungen sehr groß ist, sind auch die Mechanismen, die dies ermöglichen, sehr vielfältig, wie die Forschung auf diesem Gebiet gezeigt hat. So hat sich beispielsweise bei Bakterien gezeigt, dass die Modulation der SOS-Reaktion und der endogenen Prophagen-DNA-Synthese die Resistenz von Acinetobacter baumannii gegen Ciprofloxacin erhöht. Es wird vermutet, dass die Resistenzmechanismen mit chromosomalen Mutationen zusammenhängen, die bei einigen Mitgliedern der Familie der Enterobacteriaceae, wie E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp, und Enterobacter spp. Chromosomale Ereignisse, insbesondere Genaplikation, scheinen für diese adaptive Mutagenese in Bakterien ebenfalls relevant zu sein.

Forschungen in eukaryotischen Zellen sind viel seltener, aber auch hier scheinen chromosomale Ereignisse von Bedeutung zu sein: Während eine ektopische intrachromosomale Rekombination beim Erwerb der Resistenz gegen 5-Fluorcytosin in Saccharomyces cerevisiae beteiligt ist, wurden Genomverdopplungen gefunden, die in S. cerevisiae Resistenz gegen nährstoffarme Umgebungen verleihen.