Mutageneesi voi tapahtua endogeenisesti (esim. spontaani hydrolyysi), normaaleissa soluprosesseissa, jotka voivat synnyttää reaktiivisia happilajeja ja DNA-addukteja, tai DNA:n replikaatiossa ja korjauksessa tapahtuvien virheiden kautta. Mutageenisuutta voi tapahtua myös ympäristön mutageenien vaikutuksesta, jotka aiheuttavat muutoksia organismin DNA:ssa. Mekanismi, jolla mutaatio tapahtuu, vaihtelee mutageenin eli aiheuttajan mukaan. Useimmat mutageenit vaikuttavat joko suoraan tai epäsuorasti mutageenisten aineenvaihduntatuotteiden välityksellä organismin DNA:han tuottaen vaurioita. Jotkin mutageenit voivat kuitenkin vaikuttaa replikaatioon tai kromosomien jakautumismekanismiin ja muihin soluprosesseihin.

Mutageenit voivat olla myös yksisoluisten organismien itseaiheuttamia, kun ympäristöolosuhteet rajoittavat organismin kasvua, kuten bakteerit, jotka kasvavat antibioottien läsnäollessa, hiivat, jotka kasvavat sienilääkkeen läsnäollessa, tai muut yksisoluiset organismit, jotka kasvavat ympäristössä, josta puuttuu välttämätön ravintoaine

Monet kemialliset mutageenit vaativat biologista aktivoitumista tullakseen mutageenisiksi. Tärkeä mutageenisten metaboliittien tuottamiseen osallistuva entsyymiryhmä on sytokromi P450. Muita entsyymejä, jotka voivat myös tuottaa mutageenisia metaboliitteja, ovat glutationi-S-transferaasi ja mikrosomaalinen epoksidihydrolaasi. Mutageeneja, jotka eivät itsessään ole mutageenisia, mutta vaativat biologista aktivointia, kutsutaan promutageeneiksi.

Vaikka useimmat mutageenit tuottavat vaikutuksia, jotka lopulta johtavat replikaatiovirheisiin, esimerkiksi luoden addukteja, jotka häiritsevät replikaatiota, jotkin mutageenit voivat vaikuttaa suoraan replikaatioprosessiin tai vähentää sen uskollisuutta. Perusanalogi, kuten 5-bromourasiili, voi korvata tymiinin replikaatiossa. Metallit, kuten kadmium, kromi ja nikkeli, voivat lisätä mutageenisuutta suorien DNA-vaurioiden lisäksi monin eri tavoin, esimerkiksi vähentämällä kykyä korjata virheitä sekä tuottamalla epigeneettisiä muutoksia.

Mutaatiot syntyvät usein DNA-vaurioiden aiheuttamien ongelmien seurauksena replikaation aikana, jolloin replikaatiossa tapahtuu virheitä. Bakteereissa mutageenien aiheuttamat laajat DNA-vauriot aiheuttavat replikaation aikana yksijuosteisia DNA-aukkoja. Tämä käynnistää SOS-vasteen, hätäkorjausprosessin, joka on myös virhealtis, ja synnyttää siten mutaatioita. Nisäkässoluissa replikaation pysähtyminen vaurioituneissa kohdissa indusoi useita pelastusmekanismeja, jotka auttavat ohittamaan DNA-vauriot, mutta myös tämä voi johtaa virheisiin. DNA-polymeraasien Y-perhe on erikoistunut DNA-vaurion ohittamiseen translesionisynteesiksi (TLS) kutsutussa prosessissa, jossa nämä vaurion ohittavat polymeraasit korvaavat pysähtyneen korkean uskollisuuden replikaatiokykyisen DNA-polymeraasin, kulkevat vaurion läpi ja pidentävät DNA:ta, kunnes vaurio on ohitettu niin, että normaali replikaatio voi jatkua; nämä prosessit voivat olla virhealttiita tai virheettömiä.

DNA-vauriot ja spontaani mutaatioEdit

Nisäkässoluissa tapahtuvien DNA-vaurioepisodien määrä päivässä on suuri (yli 60 000 päivässä). DNA-vaurioiden tiheä esiintyminen on todennäköisesti ongelma kaikille DNA:ta sisältäville organismeille, ja tarve selviytyä DNA-vaurioista ja minimoida niiden haitalliset vaikutukset on todennäköisesti perustavanlaatuinen ongelma elämälle.

Suuri osa spontaaneista mutaatioista syntyy todennäköisesti virhealttiista trans-lesionisynteesistä DNA-vauriokohdan ohi templaattisäikeessä DNA:n replikaation aikana. Tällä prosessilla voidaan voittaa mahdollisesti tappavia esteitä, mutta sillä hinnalla, että tytär-DNA:han syntyy epätarkkuuksia. DNA-vaurioiden syy-yhteyttä spontaaneihin mutaatioihin havainnollistavat aerobisesti kasvavat E. coli -bakteerit, joissa 89 prosenttia spontaanisti esiintyvistä emäskorvausmutaatioista johtuu reaktiivisten happilajien (ROS) aiheuttamista DNA-vaurioista. Hiivassa yli 60 prosenttia spontaaneista yhden emäsparin substituutioista ja deleetioista johtuu todennäköisesti trans-lesionisynteesistä.

Eukaryooteissa merkittävä mutaatioiden lähde on myös epätarkka DNA:n korjausprosessi non-homologous end joining, jota käytetään usein kaksoissäikeiden katkosten korjaamisessa.

Yleisesti näyttää siltä, että spontaanien mutaatioiden pääasiallinen perimmäinen syy on virhealtis trans-lesionisynteesi DNA:n replikaation aikana, ja että virhealtis non-homologous end joining -korjausreitti voi myös olla merkittävä tekijä eukaryooteissa.

Spontaani hydrolyysi Muokkaa

DNA ei ole täysin stabiili vesiliuoksessa, ja DNA:n depurinaatiota voi tapahtua. Fysiologisissa olosuhteissa glykosidisidos voi hydrolysoitua spontaanisti, ja DNA:n 10 000 puriinikohdan arvioidaan depurinoivan joka päivä solussa. DNA:lle on olemassa lukuisia DNA:n korjausreittejä; jos apuriinikohta ei kuitenkaan korjaannu, nukleotidien virheellinen sitoutuminen voi tapahtua replikaation aikana. DNA-polymeraasit sisällyttävät apuriinikohtaan mieluiten adeniinia.

Sytidiini voi myös deaminoitua uridiiniksi yhdellä viidesosalla depurinaationopeudesta, mikä voi johtaa G:stä A:han siirtymiseen. Eukaryoottisoluissa on myös 5-metyylisytosiinia, jonka uskotaan osallistuvan geenien transkription kontrollointiin ja joka voi deaminoitua tymiiniksi.

TautomeriaMuokkaa

Pääartikkeli: Tautomeeri

Tautomerisaatio on prosessi, jossa yhdisteet järjestäytyvät spontaanisti uudelleen muodostaen rakenteellisia isomeerimuotojaan. Esimerkiksi guaniinin ja tymiinin keto- (C=O) muodot voivat järjestäytyä uudelleen harvinaisempiin enoli- (-OH) muotoihinsa, kun taas adeniinin ja sytosiinin amino- (-NH2 ) muodot voivat johtaa harvinaisempiin imino- (=NH) muotoihin. DNA:n replikaatiossa tautomerisaatio muuttaa emäspariutumiskohtia ja voi aiheuttaa nukleiinihappoemästen virheellisen pariutumisen.

Emästen modifikaatioMuutos

Normaalit solumolekyylit voivat modifioida emäksiä endogeenisesti. DNA:ta voidaan esimerkiksi metyloida S-adenosyylimetioniinilla, jolloin merkityn geenin ilmentyminen muuttuu ilman, että itse DNA-sekvenssi muuttuu. Histonimodifikaatio on siihen liittyvä prosessi, jossa histoniproteiineja, joiden ympärille DNA kietoutuu, voidaan samalla tavoin muuttaa metylaation, fosforylaation tai asetylaation avulla; nämä modifikaatiot voivat muuttaa paikallisen DNA:n geeniekspressiota, ja ne voivat myös merkitä vaurioituneen DNA:n paikkoja, jotka tarvitsevat korjausta. DNA:ta voidaan myös glykosyloida pelkistävillä sokereilla.

Monet yhdisteet, kuten PAH-yhdisteet, aromaattiset amiinit, aflatoksiini ja pyrrolizidiinialkaloidit, voivat muodostaa sytokromi P450:n katalysoimia reaktiivisia happilajeja. Nämä aineenvaihduntatuotteet muodostavat DNA:n kanssa addukteja, jotka voivat aiheuttaa replikaatiovirheitä, ja tilaa vievät aromaattiset adduktiot voivat muodostaa emästen välille vakaan interkalaation ja estää replikaation. Adduktiot voivat myös aiheuttaa konformaatiomuutoksia DNA:ssa. Jotkin adduktiot voivat myös johtaa DNA:n depurinaatioon; on kuitenkin epäselvää, kuinka merkittävää tällainen adduktien aiheuttama depurinaatio on mutaatioiden synnyssä.

Emästen alkylointi ja arylointi voivat aiheuttaa virheitä replikaatiossa. Jotkin alkyloivat aineet, kuten N-nitrosamiinit, saattavat vaatia sytokromi-P450:n katalyyttisen reaktion reaktiivisen alkyylikationin muodostamiseksi. Guaniinin N7 ja O6 sekä adeniinin N3 ja N7 ovat herkimpiä hyökkäyksille. N7-guaniiniadduktiot muodostavat suurimman osan DNA:n adduktioista, mutta ne eivät näytä olevan mutageenisia. Guaniinin O6-alkylaatio on kuitenkin haitallista, koska guaniinin O6-adduktin eksisiokorjaus voi olla huono joissakin kudoksissa, kuten aivoissa. Guaniinin O6-metylaatio voi johtaa G:stä A:han siirtymiseen, kun taas O4-metyylitymiini voi parittua väärin guaniinin kanssa. Syntyvän mutaation tyyppi voi kuitenkin riippua adduktin koosta ja tyypistä sekä DNA-sekvenssistä.

Ionisoiva säteily ja reaktiiviset happilajit hapettavat usein guaniinia tuottaen 8-oksoguaniinia.

Katso myös: Epigenetiikka

Selkärangan vauriotMuutos

Ionisoiva säteily voi tuottaa erittäin reaktiivisia vapaita radikaaleja, jotka voivat rikkoa DNA:n sidoksia. Kaksijuosteiset murtumat ovat erityisen vahingollisia ja vaikeasti korjattavia, ja ne aiheuttavat kromosomin osan translokaatiota ja deletoitumista. Alkyloivat aineet, kuten sinappikaasu, voivat myös aiheuttaa murtumia DNA:n selkärangassa. Myös oksidatiivinen stressi voi tuottaa erittäin reaktiivisia happilajeja, jotka voivat vahingoittaa DNA:ta. Erittäin reaktiivisten lajien aiheuttamien muiden vaurioiden virheellinen korjaaminen voi myös johtaa mutaatioihin.

RistikytkentäMuokkaa

Pääartikkeli: DNA:n ristisilloittuminen

DNA:n nukleotidien emästen välisiä kovalenttisia sidoksia, olivatpa ne sitten samassa tai vastakkaisissa säikeissä, kutsutaan DNA:n ristisilloittumiseksi; DNA:n ristisilloittuminen voi vaikuttaa sekä DNA:n replikaatioon että transkriptioon, ja se voi johtua altistumisesta useille eri tekijöille. Jotkin luonnossa esiintyvät kemikaalit voivat myös edistää ristisilloittumista, kuten psoraleenit UV-säteilyn aktivoinnin jälkeen ja typpihappo. Säikeiden välinen ristisilloittuminen (kahden säikeen välillä) aiheuttaa enemmän vahinkoa, koska se estää replikaation ja transkription ja voi aiheuttaa kromosomien katkeamisia ja uudelleenjärjestelyjä. Joitakin ristisilloittimia, kuten syklofosfamidia, mitomysiini C:tä ja sisplatiinia, käytetään syöpäkemoterapiana, koska ne ovat erittäin myrkyllisiä proliferoiville soluille.

DimerisaatioMuokkaa

Pääartikkeli: Dimeri

Dimerisaatio koostuu kahden monomeerin liittymisestä oligomeerin muodostamiseksi, kuten pyrimidiinidimeerien muodostuminen UV-säteilylle altistumisen seurauksena, mikä edistää syklobutyylirenkaan muodostumista DNA:ssa vierekkäisten tymiinien välille. I Ihmisen ihosoluissa voi muodostua päivässä tuhansia dimeerejä normaalin auringonvalolle altistumisen seurauksena. DNA-polymeraasi η voi auttaa ohittamaan nämä vauriot virheettömästi; henkilöt, joiden DNA:n korjaustoiminta on puutteellista, kuten xeroderma pigmentosum -tautia sairastavat henkilöt, ovat kuitenkin herkkiä auringonvalolle ja saattavat sairastua ihosyöpään.

Emästen väliin interkaloitunutEdit

Pääartikkeli: Interkalaatio (biokemia)

Kemikaalien, kuten etidiumbromidin ja proflaviinin, tasorakenne mahdollistaa niiden asettumisen emästen väliin DNA:ssa. Tämä insertti aiheuttaa DNA:n selkärangan venymisen ja tekee DNA:n liukumisen todennäköisemmäksi replikaation aikana, koska säikeiden välinen sidos muuttuu vähemmän vakaaksi venymisen vuoksi. Eteenpäin suuntautuva liukuminen johtaa deleetiomutaatioon, kun taas taaksepäin suuntautuva liukuminen johtaa insertiomutaatioon. Myös antrasykliinien, kuten daunorubisiinin ja doksorubisiinin, interkaloituminen DNA:han häiritsee topoisomeraasi II -entsyymin toimintaa, mikä estää replikaation sekä aiheuttaa mitoottista homologista rekombinaatiota.

Insertionaalinen mutageneesi Muokkaa

Pääartikkeli: Insertionaalinen mutageneesi

Transposonit ja virukset voivat lisätä DNA-sekvenssejä geenin koodaaville alueille tai funktionaalisiin elementteihin ja johtaa geenin inaktivaatioon.

Adaptiiviset mutageneesimekanismitKäsittele

Pääartikkeli: Adaptiivinen mutaatio

Adaptiivinen mutageneesi on määritelty mutaatiomekanismeiksi, joiden avulla organismi pystyy sopeutumaan ympäristöstressiin. Koska ympäristöstressien kirjo on hyvin laaja, myös sen mahdollistavat mekanismit ovat varsin laajoja, sikäli kuin alan tutkimus on osoittanut. Esimerkiksi bakteereissa SOS-vasteen ja endogeenisen profaagin DNA-synteesin moduloinnin on osoitettu lisäävän Acinetobacter baumanniin resistenssiä siprofloksasiinia vastaan. Resistenssimekanismien oletetaan liittyvän kromosomimutaatioihin, joita ei voida siirtää horisontaalisen geenisiirron kautta joillakin Enterobacteriaceae-heimon jäsenillä, kuten E. coli, Salmonella spp. ja Klebsiella spp, ja Enterobacter spp. Kromosomaaliset tapahtumat, erityisesti geenien aplikaatio, näyttävät myös olevan merkityksellisiä tämän bakteerien adaptiivisen mutageenisuuden kannalta.

Eukaryoottisoluilla tehdyt tutkimukset ovat paljon vähäisempiä, mutta kromosomaaliset tapahtumat näyttävät myös olevan melko merkityksellisiä: vaikka ektooppisen intrakromosomaalisen rekombinaation on raportoitu olevan osallisena resistenssin hankkimisessa 5-fluorosytosiinille Saccharomyces cerevisiae -bakteerissa, genomiduplikaatioiden on havaittu antavan resistenssin ravintoainepuutteellisissa ympäristöissä

.