Mutagenese kan endogeen optreden (b.v. spontane hydrolyse), via normale cellulaire processen waarbij reactieve zuurstofspecies en DNA-adducten kunnen ontstaan, of door fouten bij de replicatie en reparatie van DNA. Mutagenese kan ook optreden als gevolg van de aanwezigheid van omgevingsmutagenen die veranderingen in het DNA van een organisme teweegbrengen. Het mechanisme waardoor mutatie optreedt, verschilt naar gelang van het mutageen of de veroorzaker ervan. De meeste mutagenen werken direct of indirect, via mutagene metabolieten, in op het DNA van een organisme en veroorzaken daarbij beschadigingen. Sommige mutagenen kunnen echter ook het replicatie- of chromosoomverdelingsmechanisme en andere cellulaire processen beïnvloeden.

Mutagenese kan ook door eencellige organismen zelf worden geïnduceerd wanneer de milieuomstandigheden de groei van het organisme beperken, zoals bacteriën die groeien in aanwezigheid van antibiotica, gist die groeit in aanwezigheid van een schimmelwerend middel, of andere eencellige organismen die groeien in een milieu met een tekort aan een essentiële voedingsstof

Veel chemische mutagenen vereisen biologische activering om mutageen te worden. Een belangrijke groep enzymen die bij de productie van mutagene metabolieten betrokken is, is het cytochroom P450. Andere enzymen die ook mutagene metabolieten kunnen produceren, zijn glutathion-S-transferase en microsomaal epoxidehydrolase. Mutagenen die op zichzelf niet mutageen zijn, maar biologische activering vereisen, worden promutagenen genoemd.

De meeste mutagenen veroorzaken effecten die uiteindelijk resulteren in fouten bij de replicatie, bijvoorbeeld door adducten te maken die de replicatie verstoren, maar sommige mutagenen kunnen het replicatieproces rechtstreeks beïnvloeden of de getrouwheid ervan verminderen. Base-analogen zoals 5-bromouracil kunnen thymine bij de replicatie vervangen. Metalen zoals cadmium, chroom en nikkel kunnen naast directe DNA-beschadiging de mutagenese op een aantal manieren vergroten, bijvoorbeeld door het vermogen om fouten te herstellen te verminderen, en door epigenetische veranderingen te veroorzaken.

Mutaties ontstaan vaak als gevolg van problemen veroorzaakt door DNA-beschadigingen tijdens de replicatie, waardoor fouten in de replicatie ontstaan. Bij bacteriën leidt uitgebreide beschadiging van het DNA door mutagenen tot enkelstrengs DNA-gaten tijdens de replicatie. Dit induceert de SOS-respons, een noodherstelproces dat ook foutgevoelig is, waardoor mutaties worden gegenereerd. In zoogdiercellen induceert het stoppen van de replicatie op beschadigde plaatsen een aantal reddingsmechanismen die de DNA-laesies helpen omzeilen, maar dit kan ook tot fouten leiden. De Y-familie van DNA-polymerasen is gespecialiseerd in het omzeilen van DNA-laesies in een proces dat translesionsynthese (TLS) wordt genoemd, waarbij deze lesion-bypass polymerasen het vastgelopen replicatieve DNA-polymerase met hoge getrouwheid vervangen, de laesie passeren en het DNA verlengen totdat de laesie is gepasseerd, zodat de normale replicatie kan worden hervat; deze processen kunnen foutgevoelig of foutloos zijn.

DNA-schade en spontane mutatieEdit

Het aantal DNA-schade-episodes dat per dag in een zoogdiercel optreedt, is hoog (meer dan 60.000 per dag). Het frequent optreden van DNA-schade is waarschijnlijk een probleem voor alle DNA-bevattende organismen, en de noodzaak om met DNA-schade om te gaan en de schadelijke effecten ervan te minimaliseren is waarschijnlijk een fundamenteel probleem voor het leven.

De meeste spontane mutaties ontstaan waarschijnlijk door foutgevoelige trans-lesiesynthese langs een DNA-beschadigingsplaats in de sjabloonstreng tijdens de DNA-replicatie. Dit proces kan potentieel dodelijke blokkades overwinnen, maar ten koste van de introductie van onnauwkeurigheden in het dochter-DNA. Het oorzakelijk verband tussen DNA-beschadiging en spontane mutatie wordt geïllustreerd door aëroob groeiende E. coli-bacteriën, waarin 89% van de spontaan optredende basesubstitutiemutaties veroorzaakt worden door reactieve zuurstofsoorten (ROS)-geïnduceerde DNA-beschadiging. Bij gist wordt meer dan 60% van de spontane substituties en deleties van één basenpaar waarschijnlijk veroorzaakt door trans-lesiesynthese.

Een andere belangrijke bron van mutaties bij eukaryoten is het onnauwkeurige DNA-reparatieproces non-homologous end joining, dat vaak wordt toegepast bij de reparatie van dubbelstrengsbreuken.

In het algemeen lijkt het erop dat de belangrijkste onderliggende oorzaak van spontane mutatie de foutgevoelige trans-lesiesynthese tijdens de DNA-replicatie is en dat de foutgevoelige non-homologous end joining herstelroute ook een belangrijke bijdrage kan leveren in eukaryoten.

Spontane hydrolyseEdit

DNA is niet geheel stabiel in waterige oplossing, en depurinatie van het DNA kan optreden. Onder fysiologische omstandigheden kan de glycosidebinding spontaan worden gehydrolyseerd en naar schatting worden elke dag in een cel 10.000 purineplaatsen in het DNA gedepurineerd. Er bestaan talrijke DNA-reparatiepaden voor DNA; indien de apurinische plaats echter niet wordt gerepareerd, kan er tijdens de replicatie misincorporatie van nucleotiden optreden. Adenine wordt door DNA-polymerasen bij voorkeur opgenomen in een apurinische plaats.

Cytidine kan ook worden gedemineerd tot uridine met een vijfhonderdste van de snelheid van depurinering en kan resulteren in G naar A overgang. Eukaryote cellen bevatten ook 5-methylcytosine, waarvan men denkt dat het betrokken is bij de controle van gentranscriptie, dat kan worden gedesamineerd tot thymine.

TautomerismeEdit

Main article: Tautomer

Tautomerisatie is het proces waarbij verbindingen zich spontaan herschikken om hun structurele isomeervormen aan te nemen. Zo kunnen de keto (C=O) vormen van guanine en thymine zich herschikken in hun zeldzame enol (-OH) vormen, terwijl de amino (-NH2 ) vormen van adenine en cytosine kunnen resulteren in de zeldzamere imino (=NH) vormen. Bij DNA-replicatie verandert tautomerisatie de basenpaarplaatsen en kan het onjuiste paren van nucleïnezuurbasen veroorzaken.

Modificatie van basenEdit

Basen kunnen endogeen worden gemodificeerd door normale celmoleculen. DNA kan bijvoorbeeld worden gemethyleerd door S-adenosylmethionine, waardoor de expressie van het gemarkeerde gen verandert zonder dat er een mutatie in de DNA-sequentie zelf optreedt. Histonmodificatie is een verwant proces waarbij de histon-eiwitten waaromheen het DNA spiraalt, op soortgelijke wijze kunnen worden gemodificeerd via methylering, fosforylering of acetylering; deze modificaties kunnen de genexpressie van het lokale DNA wijzigen en kunnen ook locaties van beschadigd DNA aanduiden die moeten worden hersteld. DNA kan ook worden geglycosyleerd door reducerende suikers.

Veel verbindingen, zoals PAK’s, aromatische aminen, aflatoxine en pyrrolizidine alkaloïden, kunnen reactieve zuurstofsoorten vormen die worden gekatalyseerd door cytochroom P450. Deze metabolieten vormen adducten met het DNA, wat fouten in de replicatie kan veroorzaken, en de omvangrijke aromatische adducten kunnen stabiele intercalaties vormen tussen de basen en de replicatie blokkeren. De adducten kunnen ook conformatieveranderingen in het DNA teweegbrengen. Sommige adducten kunnen ook resulteren in depurinering van het DNA; het is echter onzeker hoe significant een dergelijke depurinering zoals veroorzaakt door de adducten is bij het genereren van mutatie.

Alkylering en arylering van basen kunnen fouten in de replicatie veroorzaken. Sommige alkylerende agentia zoals N-Nitrosaminen kunnen de katalytische reactie van cytochroom-P450 nodig hebben voor de vorming van een reactief alkylkation. N7 en O6 van guanine en de N3 en N7 van adenine zijn het meest gevoelig voor aantasting. N7-guanine-adducten vormen het leeuwendeel van de DNA-adducten, maar ze lijken niet-mutageen te zijn. Alkylering op O6 van guanine is echter schadelijk omdat excisieherstel van O6-adduct van guanine in sommige weefsels, zoals de hersenen, slecht kan zijn. De O6-methylering van guanine kan resulteren in een G naar A overgang, terwijl O4-methylthymine mispaired kan worden met guanine. Het type van de ontstane mutatie kan echter afhankelijk zijn van de grootte en het type van het adduct, alsmede van de DNA-sequentie.

Ioniserende straling en reactieve zuurstofspecies oxideren guanine vaak tot 8-oxoguanine.

Zie ook: Epigenetica

RuggengraatschadeEdit

Ioniserende straling kan zeer reactieve vrije radicalen produceren die de bindingen in het DNA kunnen verbreken. Dubbelstrengsbreuken zijn bijzonder schadelijk en moeilijk te herstellen, en veroorzaken translocatie en deletie van een deel van een chromosoom. Alkylerende stoffen zoals mosterdgas kunnen ook breuken in de DNA-backbone veroorzaken. Oxidatieve stress kan ook zeer reactieve zuurstofspecies genereren die het DNA kunnen beschadigen. Onjuiste reparatie van andere schade die door de zeer reactieve species wordt veroorzaakt, kan ook tot mutaties leiden.

CrosslinkingEdit

Main article: Crosslinking van DNA

Covalente bindingen tussen de basen van nucleotiden in DNA, zij het in dezelfde streng of in tegenovergestelde strengen, worden crosslinking van DNA genoemd; crosslinking van DNA kan zowel de replicatie als de transcriptie van DNA beïnvloeden, en het kan worden veroorzaakt door blootstelling aan een verscheidenheid van agentia. Sommige in de natuur voorkomende chemische stoffen kunnen ook crosslinking bevorderen, zoals psoralinen na activering door UV-straling, en salpeterzuur. Interstreng-krosslinking (tussen twee strengen) veroorzaakt meer schade, aangezien het de replicatie en transcriptie blokkeert en chromosomale breuken en herschikkingen kan veroorzaken. Sommige crosslinkers zoals cyclofosfamide, mitomycine C en cisplatine worden gebruikt als antikanker chemotherapeuticum vanwege hun hoge mate van toxiciteit voor prolifererende cellen.

DimerisatieEdit

Main article: Dimer

Dimerisatie bestaat uit de binding van twee monomeren om een oligomeer te vormen, zoals de vorming van pyrimidine dimeren als gevolg van blootstelling aan UV-straling, die de vorming van een cyclobutylring tussen aangrenzende thyminen in DNA bevordert. I In menselijke huidcellen kunnen in één dag duizenden dimeren worden gevormd als gevolg van normale blootstelling aan zonlicht. DNA polymerase η kan helpen deze laesies op een foutloze manier te omzeilen; personen met een defecte DNA-herstelfunctie, zoals lijders aan xeroderma pigmentosum, zijn echter gevoelig voor zonlicht en kunnen vatbaar zijn voor huidkanker.

Intercalatie tussen basenEdit

Main article: Intercalatie (biochemie)

Door de vlakke structuur van chemicaliën als ethidiumbromide en proflavine kunnen ze tussen basen in het DNA invoegen. Door deze tussenvoeging wordt de ruggengraat van het DNA uitgerekt en wordt de kans op uitglijden in het DNA tijdens de replicatie groter, omdat de binding tussen de strengen door het uitrekken minder stabiel wordt. Voorwaartse slip leidt tot een deletiemutatie, terwijl omgekeerde slip leidt tot een insertiemutatie. Ook de intercalatie in het DNA van anthracyclines zoals daunorubicine en doxorubicine interfereert met de werking van het enzym topoisomerase II, waardoor de replicatie wordt geblokkeerd en er mitotische homologe recombinatie optreedt.

InvoegingsmutageneseEdit

Main article: Insertionele mutagenese

Transposons en virussen kunnen DNA-sequenties in coderende gebieden of functionele elementen van een gen invoegen en resulteren in inactivering van het gen.

Mechanismen van adaptieve mutageneseEdit

Main article: Adaptieve mutatie

Adaptieve mutagenese is gedefinieerd als mutagenesemechanismen die een organisme in staat stellen zich aan een milieustress aan te passen. Aangezien de verscheidenheid aan milieustresss zeer groot is, zijn de mechanismen die dit mogelijk maken ook zeer groot, voor zover uit onderzoek op dit gebied is gebleken. Bij bacteriën bijvoorbeeld is aangetoond dat modulatie van de SOS-respons en de endogene prophage DNA-synthese de resistentie van Acinetobacter baumannii tegen ciprofloxacine verhoogt. Aangenomen wordt dat resistentiemechanismen verband houden met chromosomale mutatie die niet via horizontale genoverdracht overdraagbaar is bij sommige leden van de familie Enterobacteriaceae, zoals E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp, en Enterobacter spp. Chromosomale voorvallen, met name genapplificatie, lijken ook van belang te zijn voor deze adaptieve mutagenese bij bacteriën.

Onderzoek bij eukaryote cellen is veel schaarser, maar chromosomale gebeurtenissen lijken ook tamelijk relevant te zijn: terwijl een ectopische intrachromosomale recombinatie betrokken lijkt te zijn bij de verwerving van resistentie tegen 5-fluorocytosine bij Saccharomyces cerevisiae, is gebleken dat genoomduplicaties bij S. cerevisiae resistentie verlenen tegen voedingsarme milieus.