Mutagênese pode ocorrer endogenamente (por exemplo, hidrólise espontânea), através de processos celulares normais que podem gerar espécies reativas de oxigênio e adutos de DNA, ou através de erro na replicação e reparo do DNA. A mutagênese também pode ocorrer como resultado da presença de mutagênios ambientais que induzem mudanças no DNA de um organismo. O mecanismo pelo qual ocorre a mutação varia de acordo com o mutagénico, ou o agente causador, envolvido. A maioria dos agentes mutagênicos atua diretamente, ou indiretamente através de metabólitos mutagênicos, sobre o DNA de um organismo, produzindo lesões. Alguns mutagênios, entretanto, podem afetar a replicação ou o mecanismo de partição cromossômica, e outros processos celulares.

Mutagênese também pode ser auto-induzida por organismos unicelulares quando as condições ambientais são restritivas ao crescimento do organismo, como bactérias crescendo na presença de antibióticos, leveduras crescendo na presença de um agente antifúngico, ou outros organismos unicelulares crescendo em um ambiente sem um nutriente essencial

Muitos agentes mutagênicos químicos requerem ativação biológica para se tornarem mutagênicos. Um importante grupo de enzimas envolvidas na geração de metabolitos mutagênicos é o citocromo P450. Outras enzimas que também podem produzir metabólitos mutagênicos incluem glutationa S-transferase e epóxidos hidrolase microssomal. Os mutagênicos que não são mutagênicos por si mesmos, mas requerem ativação biológica são chamados de promutagênios.

Embora a maioria dos mutagênios produz efeitos que resultam em erros de replicação, por exemplo, criando adutos que interferem na replicação, alguns mutagênios podem afetar diretamente o processo de replicação ou reduzir sua fidelidade. Analógicos básicos como o 5-bromouracil podem substituir a timina na replicação. Metais como cádmio, cromo e níquel podem aumentar a mutagênese de várias maneiras, além de danos diretos ao DNA, por exemplo, reduzindo a capacidade de reparar erros, bem como produzindo alterações epigenéticas.

Mutações freqüentemente surgem como resultado de problemas causados por lesões no DNA durante a replicação, resultando em erros na replicação. Em bactérias, danos extensivos ao DNA devido a mutagênios resultam em lacunas de DNA de cadeia única durante a replicação. Isto induz a resposta SOS, um processo de reparo de emergência que também é propenso a erros, gerando assim mutações. Em células de mamíferos, a paralisação da replicação em locais danificados induz uma série de mecanismos de resgate que ajudam a contornar lesões de DNA, no entanto, isto também pode resultar em erros. A família Y de DNA polimerases é especializada em bypass de lesão de DNA em um processo denominado síntese de translação (TLS) pelo qual estas polimerases de bypass de lesão substituem a polimerase de DNA replicativa de alta fidelidade, transitam a lesão e estendem o DNA até que a lesão tenha passado, de modo que a replicação normal possa ser retomada; estes processos podem ser propensos a erros ou isentos de erros.

danos no DNA e mutação espontâneaEditar

O número de episódios de danos no DNA que ocorrem em uma célula de mamífero por dia é alto (mais de 60.000 por dia). A ocorrência frequente de danos no DNA é provavelmente um problema para todos os organismos que contêm DNA, e a necessidade de lidar com os danos no DNA e minimizar seus efeitos deletérios é provavelmente um problema fundamental para a vida.

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As mutações espontâneas mais prováveis surgem da síntese de trans-lesão propensa a erro, passando por um local de dano no DNA na cadeia de modelos durante a replicação do DNA. Este processo pode superar bloqueios potencialmente letais, mas à custa da introdução de imprecisões no ADN filhas. A relação causal dos danos do DNA à mutação espontânea é ilustrada pela bactéria E. coli em crescimento aeróbico, na qual 89% das mutações de substituição de base espontâneas são causadas por espécies reativas de oxigênio (ROS) – danos induzidos pelo DNA. Em leveduras, mais de 60% das substituições e deleções espontâneas de um par de bases são provavelmente causadas pela síntese de trans-lesão.

Uma fonte adicional significativa de mutações em eucariotas é o processo impreciso de reparo do DNA não-homólogo, que é frequentemente empregado no reparo de quebras de fio duplo.

Em geral, parece que a principal causa subjacente da mutação espontânea é a síntese de trans-lesão propensa a erro durante a replicação do DNA e que a via de reparo da união final não-homológica propensa a erro também pode ser um contribuinte importante em eucariotas.

Hidrólise espontâneaEditar

O DNA não é totalmente estável em solução aquosa, e a depuração do DNA pode ocorrer. Sob condições fisiológicas a ligação glicosídica pode ser hidrolisada espontaneamente e estima-se que 10.000 sítios purínicos no DNA sejam depurados diariamente em uma célula. Existem inúmeras vias de reparação do ADN para o ADN; contudo, se o local apurínico não for reparado, pode ocorrer uma má incorporação de nucleótidos durante a replicação. A adenina é preferencialmente incorporada por polimerases de DNA em um local apurínico.

Cytidine também pode ser desaminada para uridina a um quíntuplo da taxa de depuração e pode resultar em transição de G para A. As células eucarióticas também contêm 5-metil-citosina, que se pensa estar envolvida no controle da transcrição do gene, que pode ser desaminada para a timina.

TautomerismoEditar

Artigo principal: Tautomerização

Tautomerização é o processo pelo qual os compostos se reorganizam espontaneamente para assumir suas formas estruturais de isômeros. Por exemplo, as formas keto (C=O) de guanina e timina podem se reorganizar em suas raras formas de enol (-OH), enquanto as formas amino (-NH2 ) de adenina e citosina podem resultar nas formas mais raras de imino (=NH). Na replicação do DNA, a tautomerização altera os locais de emparelhamento da base e pode causar o emparelhamento impróprio das bases do ácido nucleico.

Modificação das basesEditar

Bases podem ser modificadas endogenamente por moléculas celulares normais. Por exemplo, o DNA pode ser metilado por S-adenosilmetionina, alterando assim a expressão do gene marcado sem que ocorra uma mutação na própria sequência de DNA. A modificação do histone é um processo relacionado no qual as proteínas histone em torno das quais as bobinas de DNA podem ser modificadas de forma semelhante através da metilação, fosforilação ou acetilação; estas modificações podem agir para alterar a expressão gênica do DNA local, e também podem agir para denotar locais de DNA danificado que necessitam de reparação. O DNA também pode ser glicosilado pela redução de açúcares.

Muitos compostos, como PAHs, aminas aromáticas, aflatoxina e alcalóides de pirrolizidina, podem formar espécies reativas de oxigênio catalisadas pelo citocromo P450. Esses metabólitos formam adutos com o DNA, que podem causar erros de replicação, e os volumosos adutos aromáticos podem formar intercalação estável entre as bases e bloquear a replicação. Os adutos também podem induzir alterações conformacionais no ADN. Alguns adutos também podem resultar na depuração do DNA; no entanto, é incerto quão significativa essa depuração causada pelos adutos é na geração de mutação.

Alquilação e ariação de bases podem causar erros na replicação. Alguns agentes alquilantes como N-Nitrosaminas podem requerer a reação catalítica do citocromo-P450 para a formação de um cátion alquil reativo. N7 e O6 da guanina e N3 e N7 da adenina são mais susceptíveis ao ataque. Os adutos N7-guanina formam a maior parte dos adutos de DNA, mas parecem ser não mutagênicos. A alquilação em O6 da guanina, no entanto, é prejudicial porque a reparação da excisão de O6-adutos da guanina pode ser pobre em alguns tecidos, como o cérebro. A metilação de O6 da guanina pode resultar na transição de G para A, enquanto que o O4-metiltimina pode ser mal reparado com a guanina. O tipo da mutação gerada, entretanto, pode ser dependente do tamanho e tipo do aduto, bem como da seqüência de DNA.

As espécies de radiação ionizante e oxigênio reativo freqüentemente oxidam a guanina para produzir 8-oxoguanina.

Veja também: Epigenética

Danos na espinha dorsalEditar

A radiação ionizante pode produzir radicais livres altamente reativos que podem quebrar as ligações no DNA. As quebras de cadeia dupla são especialmente prejudiciais e difíceis de reparar, produzindo translocação e eliminação de parte de um cromossoma. Agentes alquilantes como o gás mostarda também podem causar quebras na espinha dorsal do ADN. O stress oxidativo também pode gerar espécies de oxigénio altamente reactivas que podem danificar o ADN. A reparação incorreta de outros danos induzidos pelas espécies altamente reativas também pode levar a mutações.

CrosslinkingEdit

Artigo principal: Crosslinking of DNA

Ligações covalentes entre as bases dos nucleotídeos no DNA, sejam elas da mesma cadeia ou cadeias opostas, são chamadas de crosslinking do DNA; o crosslinking do DNA pode afetar tanto a replicação quanto a transcrição do DNA, e pode ser causado pela exposição a uma variedade de agentes. Alguns produtos químicos naturais também podem promover a reticulação, tais como psoralens após ativação pela radiação UV, e ácido nitroso. As ligações cruzadas entre duas vertentes causam mais danos, pois bloqueiam a replicação e transcrição e podem causar quebras e rearranjos cromossómicos. Alguns reticuladores como a ciclofosfamida, mitomicina C e cisplatina são usados como anticancerígenos quimioterápicos devido ao seu alto grau de toxicidade às células proliferantes.

DimerizationEdit

Main article: Dimer

Dimerização consiste na ligação de dois monômeros para formar um oligômero, como a formação de dímeros de pirimidina como resultado da exposição à radiação UV, que promove a formação de um anel ciclobutílico entre timinas adjacentes no DNA. I Nas células da pele humana, milhares de dímeros podem ser formados em um dia devido à exposição normal à luz solar. A DNA polimerase η pode ajudar a contornar estas lesões de uma forma sem erros; no entanto, indivíduos com funções de reparação do DNA defeituosas, como os que sofrem de xeroderma pigmentosum, são sensíveis à luz solar e podem ser propensos ao cancro da pele.

Intercalação entre basesEditar

Artigo principal: Intercalação (bioquímica)

A estrutura planar de produtos químicos como brometo de etídeo e proflavina permite a sua inserção entre bases no DNA. Esta inserção faz com que a espinha dorsal do DNA se estique e torna mais provável que ocorra um deslizamento no DNA durante a replicação, uma vez que a ligação entre os cordões se torna menos estável pelo estiramento. O deslizamento para a frente resultará em mutação de eliminação, enquanto que o deslizamento para trás resultará numa mutação de inserção. Além disso, a intercalação no DNA de antraciclinas como a daunorubicina e a doxorubicina interfere no funcionamento da enzima topoisomerase II, bloqueando a replicação e causando a recombinação homóloga mitótica.

Mutagênese de inserçãoEditar

Artigo principal: Mutagênese de inserção

Transposições e vírus podem inserir sequências de DNA em regiões codificadoras ou elementos funcionais de um gene e resultar na inativação do gene.

Mecanismos mutagênicos adaptativosEditar

Artigo principal: Mutação adaptativa

Mutagênese adaptativa tem sido definida como mecanismos mutagênicos que permitem que um organismo se adapte a um estresse ambiental. Como a variedade de tensões ambientais é muito ampla, os mecanismos que a permitem também são bastante amplos, até onde a pesquisa no campo tem mostrado. Por exemplo, nas bactérias, enquanto a modulação da resposta SOS e a síntese do DNA endógeno do profágeno tem mostrado aumentar a resistência do Acinetobacter baumannii à ciprofloxacina. Presume-se que os mecanismos de resistência estejam ligados à mutação cromossômica intransferível através da transferência horizontal de genes em alguns membros da família Enterobacteriaceae, como E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp, e Enterobacter spp. Eventos cromossômicos, especialmente aplificação de genes, também parecem ser relevantes para esta mutagênese adaptativa em bactérias.

Pesquisa em células eucarióticas é muito mais escassa, mas eventos cromossômicos também parecem ser bastante relevantes: enquanto uma recombinação intracromossômica ectópica tem sido relatada como estando envolvida na aquisição de resistência à 5-fluorocitosina em Saccharomyces cerevisiae, duplicações genômicas têm sido encontradas para conferir resistência em S. cerevisiae a ambientes pobres em nutrientes.