A mutagenezis bekövetkezhet endogén módon (pl. spontán hidrolízis), normál sejtfolyamatok révén, amelyek reaktív oxigénfajokat és DNS-adduktokat hozhatnak létre, vagy a DNS-replikáció és -javítás hibája révén. A mutagenezis bekövetkezhet olyan környezeti mutagének jelenlétében is, amelyek változásokat idéznek elő a szervezet DNS-ében. A mutáció bekövetkezésének mechanizmusa az érintett mutagéntől, vagyis a kórokozótól függően változik. A legtöbb mutagén vagy közvetlenül, vagy közvetve, mutagén anyagcseretermékein keresztül hat a szervezet DNS-ére, és elváltozásokat hoz létre. Egyes mutagének azonban a replikációs vagy kromoszóma-megosztási mechanizmust és más sejtfolyamatokat is befolyásolhatnak.

A mutagenezist az egysejtű szervezetek maguk is előidézhetik, ha a környezeti feltételek korlátozzák a szervezet növekedését, például antibiotikumok jelenlétében növekvő baktériumok, gombaölő szer jelenlétében növekvő élesztő, vagy más egysejtű szervezetek, amelyek olyan környezetben nőnek, ahol hiányzik egy esszenciális tápanyag

Néhány kémiai mutagénnek biológiai aktiválásra van szüksége ahhoz, hogy mutagénné váljon. A mutagén metabolitok keletkezésében részt vevő enzimek egyik fontos csoportja a citokróm P450. A mutagén metabolitokat előállító egyéb enzimek közé tartozik a glutation-S-transzferáz és a mikroszomális epoxid-hidroláz. Azokat a mutagéneket, amelyek önmagukban nem mutagének, de biológiai aktiválást igényelnek, promutagéneknek nevezzük.

Míg a legtöbb mutagén olyan hatásokat fejt ki, amelyek végső soron a replikáció hibáit eredményezik, például a replikációt zavaró adduktokat hoznak létre, egyes mutagének közvetlenül befolyásolhatják a replikációs folyamatot vagy csökkenthetik annak hűségét. Az olyan bázisanalógok, mint az 5-bromouracil helyettesíthetik a timint a replikációban. Az olyan fémek, mint a kadmium, a króm és a nikkel a közvetlen DNS-károsodáson kívül számos módon fokozhatják a mutagenezist, például csökkenthetik a hibák javításának képességét, valamint epigenetikai változásokat idézhetnek elő.

A mutációk gyakran a DNS-léziók által a replikáció során okozott problémák eredményeként keletkeznek, ami a replikáció hibáit eredményezi. Baktériumokban a DNS mutagének okozta kiterjedt károsodása a replikáció során egyszálú DNS-hézagokat eredményez. Ez indukálja az SOS-választ, egy vészhelyzeti javítási folyamatot, amely szintén hibás, és ezáltal mutációkat generál. Emlőssejtekben a replikáció megakadása a sérült helyeken számos mentőmechanizmust indukál, amelyek segítenek a DNS-léziók áthidalásában, azonban ez is eredményezhet hibákat. A DNS-polimerázok Y családja a DNS-léziók áthidalására specializálódott a transzléziós szintézisnek (TLS) nevezett folyamatban, amelynek során ezek a léziók áthidaló polimerázok a megrekedt nagy hűségű replikatív DNS-polimeráz helyébe lépnek, áthaladnak a lézión és meghosszabbítják a DNS-t, amíg a lézión át nem jutnak, hogy a normális replikáció folytatódhasson; ezek a folyamatok lehetnek hibásak vagy hibamentesek.

DNS-károsodás és spontán mutációSzerkesztés

Az emlőssejtekben naponta bekövetkező DNS-károsodási epizódok száma magas (naponta több mint 60 000). A DNS-károsodások gyakori előfordulása valószínűleg minden DNS-t tartalmazó szervezet számára problémát jelent, és a DNS-károsodásokkal való megbirkózás és káros hatásuk minimalizálásának szükségessége valószínűleg az élet alapvető problémája.

A legtöbb spontán mutáció valószínűleg a DNS-replikáció során a sablonszálban lévő DNS-károsodási hely mellett történő hibás transzléziós szintézisből ered. Ez a folyamat képes leküzdeni a potenciálisan halálos blokkokat, de azon az áron, hogy pontatlanságokat vezet be a leány-DNS-be. A DNS-károsodás és a spontán mutáció okozati kapcsolatát az aerob módon növekvő E. coli baktériumok szemléltetik, amelyekben a spontán előforduló bázishelyettesítési mutációk 89%-át a reaktív oxigénfajok (ROS) által kiváltott DNS-károsodás okozza. Élesztőben a spontán egy bázispáros szubsztitúciók és deléciók több mint 60%-át valószínűleg a transzléziós szintézis okozza.

A mutációk további jelentős forrása az eukariótákban a nem-homológ végcsatlakozás, a DNS-javítás pontatlan folyamata, amelyet gyakran alkalmaznak a kettős szálszakadások javításakor.

Általánosságban úgy tűnik, hogy a spontán mutáció fő kiváltó oka a DNS-replikáció során a hibás transzléziós szintézis, és a hibás nem-homológ végcsatlakozás javítási útvonala is fontos szerepet játszhat az eukariótákban.

Spontán hidrolízisSzerkesztés

A DNS nem teljesen stabil vizes oldatban, és előfordulhat a DNS depurinációja. Fiziológiás körülmények között a glikozidos kötés spontán hidrolizálódhat, és becslések szerint naponta 10 000 purinhely depurinálódik a DNS-ben egy sejtben. A DNS-hez számos DNS-javítási útvonal létezik; ha azonban az apurin-helyet nem javítják, a nukleotidok hibás beépülése előfordulhat a replikáció során. Az apurinikus helyre a DNS-polimerázok előszeretettel építik be az adenint.

A citidin is deaminálódhat uridinné, a depurináció sebességének egy ötszázadával, és G-ről A-ra történő átmenetet eredményezhet. Az eukarióta sejtek tartalmaznak 5-metilcitozint is, amelyről úgy gondolják, hogy részt vesz a génátírás szabályozásában, és amely deaminálódhat timinné.

TautomerizmusSzerkesztés

Főcikk: Tautomer

Aautomerizáció az a folyamat, amelynek során a vegyületek spontán átrendeződnek, hogy felvegyék szerkezeti izomer formáikat. Például a guanin és a timin keto- (C=O) formái átrendeződhetnek a ritka enol (-OH) formáikba, míg az adenin és a citozin amino (-NH2 ) formái a ritkább imino (=NH) formákat eredményezhetik. A DNS-replikáció során a tautomerizáció megváltoztatja a bázispárosodási helyeket, és a nukleinsavbázisok helytelen párosodását okozhatja.

A bázisok módosításaSzerkesztés

A bázisok endogén módon is módosulhatnak a normál sejtmolekulák által. Például a DNS metilálható S-adenozil-metioninnal, így megváltoztatva a megjelölt gén kifejeződését anélkül, hogy magának a DNS-szekvenciának a mutációja bekövetkezne. A hiszton-módosítás egy kapcsolódó folyamat, amelyben a hisztonfehérjék, amelyek körül a DNS tekeredik, hasonlóképpen módosulhatnak metiláció, foszforiláció vagy acetiláció révén; ezek a módosítások megváltoztathatják a helyi DNS génexpresszióját, és a javításra szoruló, sérült DNS helyeit is jelölhetik. A DNS redukáló cukrokkal glikozilálódhat is.

Sok vegyület, például a PAH-ok, az aromás aminok, az aflatoxin és a pirrolizidin alkaloidok a citokróm P450 által katalizált reaktív oxigénfajokat képezhetnek. Ezek a metabolitok adduktokat képeznek a DNS-sel, amelyek hibákat okozhatnak a replikációban, a terjedelmes aromás adduktok pedig stabil interkalációt képezhetnek a bázisok között és blokkolhatják a replikációt. Az adduktok konformációs változásokat is előidézhetnek a DNS-ben. Egyes adduktok a DNS depurinációját is eredményezhetik; bizonytalan azonban, hogy az ilyen, az adduktok által okozott depurináció milyen jelentőséggel bír a mutáció létrehozásában.

A bázisok alkilezése és arilezése hibákat okozhat a replikációban. Egyes alkiláló szerek, mint például az N-nitrozaminok, a citokróm-P450 katalitikus reakcióját igényelhetik a reaktív alkil-kation kialakulásához. A guanin N7-je és O6-a, valamint az adenin N3-a és N7-e a legérzékenyebb a támadásra. Az N7-guanin adduktok alkotják a DNS-adduktok nagy részét, de úgy tűnik, hogy nem mutagén hatásúak. A guanin O6-jának alkilezése azonban káros, mivel a guanin O6-adduktjának excíziós javulása egyes szövetekben, például az agyban, gyenge lehet. A guanin O6-metilációja G-ről A-ra való átmenetet eredményezhet, míg az O4-metil-timinnek a guaninnal való félrekapcsolódása lehetséges. A keletkező mutáció típusa azonban függhet az addukt méretétől és típusától, valamint a DNS-szekvenciától.

Az ionizáló sugárzás és a reaktív oxigénfajok gyakran oxidálják a guanint 8-oxoguanin keletkezése érdekében.

Sz: Epigenetika

GerinckárosodásSzerkesztés

Az ionizáló sugárzás erősen reaktív szabad gyököket hozhat létre, amelyek a DNS-ben lévő kötéseket megbonthatják. A kettősszálú törések különösen károsak és nehezen javíthatók, transzlokációt és a kromoszóma egy részének delécióját eredményezik. Az alkiláló szerek, mint például a mustárgáz, szintén okozhatnak töréseket a DNS gerincében. Az oxidatív stressz is létrehozhat erősen reaktív oxigénfajokat, amelyek károsíthatják a DNS-t. Az erősen reaktív fajok által kiváltott egyéb károsodások helytelen javítása szintén mutációkhoz vezethet.

KeresztkötésSzerkesztés

Főcikk: A DNS keresztkötése

A DNS-ben lévő nukleotidok bázisai közötti kovalens kötéseket, legyenek azok azonos vagy ellentétes szálon, a DNS keresztkötésének nevezzük; a DNS keresztkötése mind a DNS replikációját, mind az átírását befolyásolhatja, és számos anyagnak való kitettség okozhatja. Néhány természetben előforduló vegyi anyag is elősegítheti a keresztkötést, például a psoralének az UV-sugárzás általi aktiválást követően, valamint a salétromsav. A szálak közötti (két szál közötti) keresztkötés több kárt okoz, mivel blokkolja a replikációt és az átírást, és kromoszómatöréseket és átrendeződéseket okozhat. Egyes keresztkötéseket, például a ciklofoszfamidot, a mitomicin C-t és a ciszplatint rákellenes kemoterápiaként használják, mivel nagyfokú toxicitásuk van a proliferáló sejtekre.

DimerizációSzerkesztés

Főcikk: Dimer

A dimerizáció két monomer összekapcsolódásából áll, hogy oligomer alakuljon ki, mint például a pirimidin-dimerek kialakulása UV-sugárzás hatására, amely elősegíti a DNS-ben a szomszédos timinek közötti ciklobutilgyűrű kialakulását. I Az emberi bőrsejtekben egy nap alatt több ezer dimer képződhet a napfénynek való normális kitettség következtében. A DNS-polimeráz η segíthet hibátlanul áthidalni ezeket az elváltozásokat; azonban a DNS-javító funkcióban hibás egyének, mint például a xeroderma pigmentosumban szenvedők, érzékenyek a napfényre, és hajlamosak lehetnek a bőrrákra.

Bázisok közötti interkalációSzerkesztés

Főcikk: Interkaláció (biokémia)

A vegyi anyagok, például az etídium-bromid és a proflavin síkbeli szerkezete lehetővé teszi, hogy beilleszkedjenek a DNS bázisai közé. Ez a beillesztés a DNS gerincének megnyúlását okozza, és valószínűbbé teszi a DNS replikáció során történő elcsúszását, mivel a szálak közötti kötés a megnyúlás miatt kevésbé stabil lesz. Az előre csúszás deléciós mutációt, míg a hátrafelé csúszás inszerciós mutációt eredményez. Az antraciklinek, például a daunorubicin és a doxorubicin DNS-be történő interkalációja is zavarja a topoizomeráz II enzim működését, blokkolva a replikációt, valamint mitotikus homológ rekombinációt okoz.

Insertionális mutagenezisSzerkesztés

Főcikk: Insertionális mutagenezis

Transzpozonok és vírusok DNS-szekvenciákat illeszthetnek be egy gén kódoló régióiba vagy funkcionális elemeibe, ami a gén inaktiválódását eredményezi.

Adaptív mutagenezis mechanizmusokSzerkesztés

Főcikk: Adaptív mutáció

Az adaptív mutagenezist olyan mutagenezis mechanizmusokként definiálták, amelyek lehetővé teszik egy szervezet számára, hogy alkalmazkodjon egy környezeti stresszhez. Mivel a környezeti stresszek sokfélesége igen széleskörű, az ezt lehetővé tevő mechanizmusok is igen széleskörűek, amennyire a területen végzett kutatások kimutatták. Például baktériumokban, míg az SOS-válasz és az endogén profág DNS-szintézis modulációjáról kimutatták, hogy növeli az Acinetobacter baumannii ciprofloxacinnal szembeni rezisztenciáját. A rezisztencia mechanizmusok feltehetően a horizontális géntranszferrel nem átvihető kromoszómális mutációhoz kapcsolódnak az Enterobacteriaceae család egyes tagjaiban, mint például az E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp, és az Enterobacter spp. Úgy tűnik, hogy a kromoszómális események, különösen a génaplikáció, szintén fontosak a baktériumok ezen adaptív mutagenezisében.

Az eukarióta sejteken végzett kutatások sokkal ritkábbak, de úgy tűnik, hogy a kromoszómális események is meglehetősen relevánsak: míg a Saccharomyces cerevisiae-ben az 5-fluorocitozinnal szembeni rezisztencia megszerzésében ektopikus intrakromoszómális rekombinációról számoltak be, addig az S. cerevisiae-ben a genomduplikációkat találták a tápanyagszegény környezetben való rezisztencia kialakulásában

.