La mutagenesi può avvenire in modo endogeno (per esempio idrolisi spontanea), attraverso normali processi cellulari che possono generare specie reattive dell’ossigeno e addotti del DNA, o attraverso errori nella replicazione e riparazione del DNA. La mutagenesi può anche verificarsi come risultato della presenza di mutageni ambientali che inducono cambiamenti al DNA di un organismo. Il meccanismo con cui avviene la mutazione varia a seconda del mutageno, o dell’agente causale, coinvolto. La maggior parte dei mutageni agisce direttamente, o indirettamente attraverso metaboliti mutageni, sul DNA di un organismo, producendo lesioni. Alcuni mutageni, tuttavia, possono influenzare la replicazione o il meccanismo di divisione cromosomica, e altri processi cellulari.

La mutagenesi può anche essere autoindotta da organismi unicellulari quando le condizioni ambientali sono restrittive per la crescita dell’organismo, come i batteri che crescono in presenza di antibiotici, il lievito che cresce in presenza di un agente antifungino, o altri organismi unicellulari che crescono in un ambiente privo di un nutriente essenziale

Molti mutageni chimici richiedono un’attivazione biologica per diventare mutageni. Un importante gruppo di enzimi coinvolti nella generazione di metaboliti mutageni è il citocromo P450. Altri enzimi che possono anche produrre metaboliti mutageni includono la glutatione S-transferasi e l’epossido idrolasi microsomiale. I mutageni che non sono mutageni di per sé ma richiedono un’attivazione biologica sono chiamati promutageni.

Mentre la maggior parte dei mutageni produce effetti che alla fine risultano in errori nella replicazione, per esempio creando addotti che interferiscono con la replicazione, alcuni mutageni possono influenzare direttamente il processo di replicazione o ridurre la sua fedeltà. Analogo della base come il 5-bromouracile può sostituire la timina nella replicazione. Metalli come il cadmio, il cromo e il nichel possono aumentare la mutagenesi in una serie di modi oltre al danno diretto al DNA, per esempio riducendo la capacità di riparare gli errori, così come producendo cambiamenti epigenetici.

Le mutazioni spesso sorgono come risultato di problemi causati da lesioni al DNA durante la replicazione, con conseguenti errori nella replicazione. Nei batteri, danni estesi al DNA dovuti a mutageni provocano lacune nel DNA a singolo filamento durante la replicazione. Questo induce la risposta SOS, un processo di riparazione di emergenza che è anche soggetto a errori, generando così mutazioni. Nelle cellule dei mammiferi, lo stallo della replicazione nei siti danneggiati induce una serie di meccanismi di salvataggio che aiutano a bypassare le lesioni del DNA, tuttavia, questo può anche portare ad errori. La famiglia Y di DNA polimerasi è specializzata nel bypass delle lesioni del DNA in un processo chiamato sintesi translesionale (TLS), in cui queste polimerasi di bypass delle lesioni sostituiscono la DNA polimerasi replicativa ad alta fedeltà in stallo, transitano la lesione ed estendono il DNA fino a quando la lesione è stata superata in modo che la replicazione normale possa riprendere; questi processi possono essere soggetti a errori o privi di errori.

Danno al DNA e mutazione spontaneaModifica

Il numero di episodi di danno al DNA che si verificano in una cellula di mammifero al giorno è elevato (più di 60.000 al giorno). Il frequente verificarsi di danni al DNA è probabilmente un problema per tutti gli organismi contenenti DNA, e la necessità di far fronte ai danni al DNA e di ridurre al minimo i loro effetti deleteri è probabilmente un problema fondamentale per la vita.

La maggior parte delle mutazioni spontanee deriva probabilmente dalla sintesi trans-lesionale soggetta a errore oltre un sito di danno al DNA nel filamento modello durante la replicazione del DNA. Questo processo può superare blocchi potenzialmente letali, ma al costo di introdurre imprecisioni nel DNA figlio. La relazione causale del danno al DNA alla mutazione spontanea è illustrata dai batteri E. coli in crescita aerobica, in cui l’89% delle mutazioni di sostituzione delle basi che si verificano spontaneamente sono causate da danni al DNA indotti da specie reattive dell’ossigeno (ROS). Nel lievito, più del 60% delle sostituzioni spontanee di una singola coppia di basi e delle delezioni sono probabilmente causate dalla sintesi trans-lesionale.

Un’ulteriore fonte significativa di mutazioni negli eucarioti è l’impreciso processo di riparazione del DNA non-homologous end joining, che è spesso impiegato nella riparazione delle rotture del doppio filamento.

In generale, sembra che la principale causa alla base della mutazione spontanea sia la sintesi trans-lesionale soggetta a errori durante la replicazione del DNA e che la via di riparazione non omologa soggetta a errori possa anche essere un importante contributore negli eucarioti.

Idrolisi spontaneaModifica

Il DNA non è completamente stabile in soluzione acquosa, e può verificarsi la depurinazione del DNA. In condizioni fisiologiche il legame glicosidico può essere idrolizzato spontaneamente e si stima che 10.000 siti purinici nel DNA siano depurinati ogni giorno in una cellula. Esistono numerose vie di riparazione del DNA; tuttavia, se il sito apurinico non viene riparato, può verificarsi un’errata incorporazione di nucleotidi durante la replicazione. L’adenina è incorporata di preferenza dalle DNA polimerasi in un sito apurinico.

La citidina può anche essere deaminata in uridina a un cinquecentesimo del tasso di depurinazione e può provocare una transizione da G ad A. Le cellule eucariotiche contengono anche la 5-metilcitosina, che si pensa sia coinvolta nel controllo della trascrizione genica, che può essere deaminata in timina.

TautomerismoModifica

Articolo principale: Tautomero

La tautomerizzazione è il processo attraverso il quale i composti si riorganizzano spontaneamente per assumere le loro forme isomeriche strutturali. Per esempio, le forme cheto (C=O) di guanina e timina possono riarrangiare nelle loro rare forme enol (-OH), mentre le forme amminiche (-NH2 ) di adenina e citosina possono dare luogo alle più rare forme imino (=NH). Nella replicazione del DNA, la tautomerizzazione altera i siti di accoppiamento delle basi e può causare l’accoppiamento improprio delle basi dell’acido nucleico.

Modificazione delle basiModifica

Le basi possono essere modificate endogenamente dalle normali molecole cellulari. Per esempio, il DNA può essere metilato dalla S-adenosilmetionina, alterando così l’espressione del gene segnato senza incorrere in una mutazione della sequenza del DNA stesso. La modifica dell’istone è un processo correlato in cui le proteine istone intorno alle quali il DNA si avvolge possono essere modificate in modo simile tramite metilazione, fosforilazione o acetilazione; queste modifiche possono agire per alterare l’espressione genica del DNA locale, e possono anche agire per indicare le posizioni del DNA danneggiato che necessitano di riparazione. Il DNA può anche essere glicosilato da zuccheri riducenti.

Molti composti, come gli IPA, le ammine aromatiche, l’aflatossina e gli alcaloidi pirrolizidinici, possono formare specie reattive di ossigeno catalizzate dal citocromo P450. Questi metaboliti formano addotti con il DNA, che possono causare errori nella replicazione, e gli addotti aromatici voluminosi possono formare intercalazioni stabili tra le basi e bloccare la replicazione. Gli addotti possono anche indurre cambiamenti conformazionali nel DNA. Alcuni addotti possono anche provocare la depurinazione del DNA; è tuttavia incerto quanto sia significativa la depurinazione causata dagli addotti nel generare mutazioni.

Alchilazione e arilazione delle basi possono causare errori nella replicazione. Alcuni agenti alchilanti come le N-Nitrosamine possono richiedere la reazione catalitica del citocromo-P450 per la formazione di un catione alchilico reattivo. N7 e O6 della guanina e N3 e N7 dell’adenina sono più suscettibili di attacco. Gli addotti N7-guanina formano la maggior parte degli addotti del DNA, ma sembrano essere non mutageni. L’alchilazione a O6 della guanina, tuttavia, è dannosa perché la riparazione per escissione di O6-addotti di guanina può essere scarsa in alcuni tessuti come il cervello. La metilazione O6 della guanina può risultare in una transizione da G ad A, mentre la O4-metiltimina può essere mispaired con la guanina. Il tipo di mutazione generato, tuttavia, può dipendere dalla dimensione e dal tipo di addotto, nonché dalla sequenza del DNA.

Le radiazioni ionizzanti e le specie reattive dell’ossigeno spesso ossidano la guanina per produrre 8-oxoguanina.

Vedi anche: Epigenetica

Danni alla spina dorsaleModifica

Le radiazioni ionizzanti possono produrre radicali liberi altamente reattivi che possono rompere i legami nel DNA. Le rotture a doppio filamento sono particolarmente dannose e difficili da riparare, producendo traslocazione e cancellazione di parte di un cromosoma. Anche gli agenti alchilanti come l’iprite possono causare rotture nella spina dorsale del DNA. Lo stress ossidativo può anche generare specie di ossigeno altamente reattive che possono danneggiare il DNA. La riparazione non corretta di altri danni indotti dalle specie altamente reattive può anche portare a mutazioni.

CrosslinkingModifica

Articolo principale: Reticolazione del DNA

I legami covalenti tra le basi dei nucleotidi nel DNA, siano essi nello stesso filamento o in filamenti opposti, sono indicati come reticolazione del DNA; la reticolazione del DNA può influenzare sia la replicazione che la trascrizione del DNA, e può essere causata dall’esposizione a una varietà di agenti. Alcune sostanze chimiche presenti in natura possono anche promuovere il crosslinking, come gli psoraleni dopo l’attivazione da parte dei raggi UV, e l’acido nitroso. La reticolazione interstrand (tra due filamenti) causa più danni, poiché blocca la replicazione e la trascrizione e può causare rotture cromosomiche e riarrangiamenti. Alcuni reticolanti come la ciclofosfamide, la mitomicina C e il cisplatino sono usati come chemioterapici anticancro a causa del loro alto grado di tossicità per le cellule in proliferazione.

DimerizzazioneModifica

Articolo principale: Dimer

La dimerizzazione consiste nel legame di due monomeri per formare un oligomero, come la formazione di dimeri di pirimidina in seguito all’esposizione ai raggi UV, che promuove la formazione di un anello ciclobutilico tra le timine adiacenti nel DNA. I Nelle cellule della pelle umana, migliaia di dimeri possono essere formati in un giorno a causa della normale esposizione alla luce solare. La DNA polimerasi η può aiutare a bypassare queste lesioni in modo privo di errori; tuttavia, gli individui con una funzione di riparazione del DNA difettosa, come chi soffre di xeroderma pigmentosum, sono sensibili alla luce solare e possono essere inclini al cancro della pelle.

Intercalazione tra basiModifica

Articolo principale: Intercalazione (biochimica)

La struttura planare di sostanze chimiche come il bromuro di etidio e la proflavina permette loro di inserirsi tra le basi del DNA. Questo inserimento fa sì che la spina dorsale del DNA si allunghi e rende più probabile lo slittamento del DNA durante la replicazione, poiché il legame tra i filamenti è reso meno stabile dallo stiramento. Lo slittamento in avanti provocherà una mutazione per delezione, mentre lo slittamento inverso provocherà una mutazione per inserzione. Inoltre, l’intercalazione nel DNA di antracicline come la daunorubicina e la doxorubicina interferisce con il funzionamento dell’enzima topoisomerasi II, bloccando la replicazione e causando la ricombinazione mitotica omologa.

Mutagenesi inserzionaleModifica

Articolo principale: Mutagenesi inserzionale

Transposoni e virus possono inserire sequenze di DNA in regioni codificanti o elementi funzionali di un gene e causare l’inattivazione del gene.

Meccanismi di mutagenesi adattativaModifica

Articolo principale: Mutazione adattativa

La mutagenesi adattativa è stata definita come meccanismi di mutagenesi che permettono ad un organismo di adattarsi ad uno stress ambientale. Poiché la varietà di stress ambientali è molto ampia, i meccanismi che la permettono sono anch’essi molto ampi, come hanno dimostrato le ricerche sul campo. Per esempio, nei batteri, mentre la modulazione della risposta SOS e la sintesi del DNA dei profagi endogeni hanno dimostrato di aumentare la resistenza dell’Acinetobacter baumannii alla ciprofloxacina. Si presume che i meccanismi di resistenza siano legati a mutazioni cromosomiche non trasferibili tramite trasferimento genico orizzontale in alcuni membri della famiglia delle Enterobacteriaceae, come E. coli, Salmonella spp, Klebsiella spp, ed Enterobacter spp. Gli eventi cromosomici, specialmente l’aplificazione genica, sembrano essere rilevanti per questa mutagenesi adattativa nei batteri.

La ricerca nelle cellule eucariotiche è molto più scarsa, ma anche gli eventi cromosomici sembrano essere piuttosto rilevanti: mentre una ricombinazione ectopica intracromosomica è stata riportata come coinvolta nell’acquisizione della resistenza alla 5-fluorocitosina in Saccharomyces cerevisiae, duplicazioni del genoma sono state trovate per conferire resistenza in S. cerevisiae ad ambienti poveri di nutrienti.