Μεταλλαξογένεση

Μεταλλαξογένεση είναι μια διαδικασία με την οποία οι γενετικές πληροφορίες ενός οργανισμού αλλάζουν με την παραγωγή μετάλλαξης.

Μεταλλαξογένεση ή μεταλλαξιογένεση ή μεταλλαξιγένεση είναι διαδικασία με την οποία οι γενετικές πληροφορίες ενός οργανισμού αλλάζουν με τη δημιουργία μετάλλαξης. Μπορεί να εμφανιστεί αυθόρμητα στη φύση ή ως αποτέλεσμα έκθεσης σε μεταλλαξιογόνους παράγοντες. Μπορεί επίσης να επιτευχθεί πειραματικά με τη χρήση εργαστηριακών διαδικασιών. Το μεταλλαξιογόνο είναι παράγοντας που προκαλεί τη μετάλλαξη, είτε είναι χημικός είτε φυσικός, που οδηγεί σε αυξημένο ρυθμό μεταλλάξεων στον γενετικό κώδικα ενός οργανισμού. Στη φύση, η μεταλλαξογένεση μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο και διάφορες κληρονομικές ασθένειες, αλλά είναι επίσης κινητήρια δύναμη της εξέλιξης. Η μεταλλαξογένεση ως επιστήμη αναπτύχθηκε με βάση το έργο που έκαναν οι Hermann Muller, Charlotte Auerbach και J. M. Robson στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα.[1]

ΙστορικόΕπεξεργασία

Το DNA μπορεί να τροποποιηθεί, είτε φυσικά είτε τεχνητά, από έναν αριθμό φυσικών, χημικών και βιολογικών παραγόντων, με αποτέλεσμα μεταλλάξεις. Ο Hermann Muller διαπίστωσε ότι οι "υψηλές θερμοκρασίες" έχουν την ικανότητα να μεταλλάσσουν γονίδια στις αρχές της δεκαετίας του 1920,[2] και το 1927, απέδειξε μια αιτιώδη σχέση με τη μετάλλαξη κατά τον πειραματισμό με μηχάνημα ακτίνων Χ, σημειώνοντας φυλογενετικές αλλαγές όταν ακτινοβολούν μύγες φρούτων με σχετικά υψηλή δόση ακτίνων Χ.[3][4] Ο Muller παρατήρησε μια σειρά χρωμοσωμικών ανακατατάξεων στα πειράματά του και πρότεινε τη μετάλλαξη ως αιτία καρκίνου.[5][6] Η συσχέτιση της έκθεσης στην ακτινοβολία και του καρκίνου είχε παρατηρηθεί ήδη από τον Ανρί Μπεκερέλ το 1902, έξι χρόνια μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ από τον Βίλχελμ Κόνραντ Ρέντγκεν και την ανακάλυψη της ραδιενέργειας από τον Ανρί Μπεκερέλ.[7] Ο Lewis Stadler, σύγχρονος του Muller, έδειξε επίσης την επίδραση των ακτίνων Χ στις μεταλλάξεις στο κριθάρι το 1928 και της υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας στον αραβόσιτο το 1936.[8] Τη δεκαετία του 1940, οι Charlotte Auerbach και J. M. Robson διαπίστωσαν ότι το αέριο μουστάρδας μπορεί επίσης να προκαλέσει μετάλλαξη σε μύγες φρούτων.[9]

Ενώ οι αλλαγές στο χρωμόσωμα που προκαλούνται από τις ακτίνες Χ και το αέριο μουστάρδας ήταν εύκολα παρατηρήσιμες στους πρώτους ερευνητές, άλλες αλλαγές στο DNA που προκλήθηκαν από άλλα μεταλλαξιογόνα δεν ήταν τόσο εύκολα παρατηρήσιμες. ο μηχανισμός με τον οποίο εμφανίζονται μπορεί να είναι πολύπλοκος και να διαρκέσει περισσότερο. Για παράδειγμα, η αιθάλη προτάθηκε να είναι αιτία καρκίνου ήδη από το 1775,[10] και η πίσσα άνθρακα αποδείχθηκε ότι προκαλεί καρκίνο το 1915.[11] Οι χημικές ουσίες που εμπλέκονται και στα δύο αποδείχθηκαν αργότερα ότι είναι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)).[12] Τα PAH από μόνα τους δεν είναι καρκινογόνα και προτάθηκε το 1950 ότι οι καρκινογόνες μορφές PAH είναι τα οξείδια που παράγονται ως μεταβολίτες από κυτταρικές διεργασίες.[13] Η μεταβολική διαδικασία αναγνωρίστηκε τη δεκαετία του 1960 ως κατάλυση από το κυτόχρωμα P450, το οποίο παράγει δραστικές μορφές που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το DNA για να σχηματίσουν προσαγωγές ή μόρια προϊόντος που προκύπτουν από την αντίδραση του DNA και, σε αυτή την περίπτωση, το κυτόχρωμα P450.[14][15] Ο μηχανισμός με τον οποίο οι προσαγωγές PAH προκαλούν μετάλλαξη, ωστόσο, είναι ακόμη υπό διερεύνηση.

Διάκριση μεταξύ μετάλλαξης και βλάβης του DNAΕπεξεργασία

Βλάβη του DNA είναι μια ανώμαλη αλλοίωση στη δομή του DNA που δεν μπορεί, από μόνη της, να αναπαραχθεί όταν αντιγράφεται το DNA. Αντίθετα, μια μετάλλαξη είναι μια αλλαγή στην αλληλουχία νουκλεϊκών οξέων που μπορεί να αναπαραχθεί. Ως εκ τούτου, μια μετάλλαξη μπορεί να να κληρονομηθεί από τη μια γενιά στην επόμενη. Βλάβη μπορεί να προκληθεί από χημική προσαγωγή ή δομική αποδιοργάνωση σε μια βάση DNA (δημιουργία μη φυσιολογικού νουκλεοτιδίου ή νουκλεοτιδικού θραύσματος) ή θραύση σε έναν ή και στους δύο κλώνους DNA. Μια τέτοια βλάβη στο DNA μπορεί να οδηγήσει σε μετάλλαξη. Όταν το DNA που περιέχει βλάβη αναπαράγεται, μπορεί να εισαχθεί λανθασμένη βάση στον νέο συμπληρωματικό κλώνο καθώς συντίθεται. Η εσφαλμένη εισαγωγή στον νέο κλώνο θα συμβεί απέναντι από την κατεστραμμένη θέση στον κλώνο του προτύπου και αυτή η εσφαλμένη εισαγωγή μπορεί να γίνει μετάλλαξη (δηλαδή ένα αλλαγμένο ζεύγος βάσεων) στον επόμενο γύρο αναπαραγωγής. Επιπλέον, οι θραύσεις στο δίκλωνο DNA μπορούν να επιδιορθωθούν με μια ανακριβή διαδικασία επιδιόρθωσης, μη ομόλογη τελική ένωση, η οποία προκαλεί μεταλλάξεις. Οι μεταλλάξεις μπορούν συνήθως να αποφευχθούν εάν τα ακριβή συστήματα επιδιόρθωσης του DNA αναγνωρίσουν τη βλάβη του DNA και την επιδιορθώσουν πριν από την ολοκλήρωση του επόμενου γύρου αντιγραφής. Τουλάχιστον 169 ένζυμα είτε χρησιμοποιούνται άμεσα στην επιδιόρθωση του DNA είτε επηρεάζουν τις διαδικασίες επιδιόρθωσης του DNA. Από αυτά, 83 χρησιμοποιούνται απευθείας στους 5 τύπους διαδικασιών επιδιόρθωσης DNA.

Το πυρηνικό DNA των θηλαστικών μπορεί να αντέξει περισσότερα από 60.000 επεισόδια βλάβης ανά κύτταρο την ημέρα. Εάν αφεθούν χωρίς διόρθωση, αυτές οι προσαγωγές, μετά από εσφαλμένη αντιγραφή που περνούν στις κατεστραμμένες θέσεις, μπορούν να προκαλέσουν μεταλλάξεις. Στη φύση, οι μεταλλάξεις που προκύπτουν μπορεί να είναι ευεργετικές ή επιβλαβείς - αυτή είναι η κινητήρια δύναμη της εξέλιξης. Ένας οργανισμός μπορεί να αποκτήσει νέα χαρακτηριστικά μέσω γενετικής μετάλλαξης, αλλά η μετάλλαξη μπορεί επίσης να οδηγήσει σε διαταραχή της λειτουργίας των γονιδίων και, σε σοβαρές περιπτώσεις, να προκαλέσει το θάνατο του οργανισμού. Η μετάλλαξη είναι επίσης μια σημαντική πηγή για την απόκτηση αντίστασης στα αντιβιοτικά σε βακτήρια, και σε αντιμυκητιακούς παράγοντες σε ζύμες και μούχλα.[16][17] Σε εργαστηριακό περιβάλλον, η μεταλλαξογένεση είναι μια χρήσιμη τεχνική για τη δημιουργία μεταλλάξεων που επιτρέπει τη λεπτομερή εξέταση των λειτουργιών των γονιδίων και των γονιδιακών προϊόντων, παράγοντας πρωτεΐνες με βελτιωμένα χαρακτηριστικά ή νέες λειτουργίες, καθώς και μεταλλαγμένα στελέχη με χρήσιμες ιδιότητες. Αρχικά, η ικανότητα ακτινοβολίας και χημικών μεταλλαξιογόνων να προκαλούν μετάλλαξη αξιοποιήθηκε για να δημιουργήσει τυχαίες μεταλλάξεις, αλλά αργότερα αναπτύχθηκαν τεχνικές για την εισαγωγή συγκεκριμένων μεταλλάξεων.

Στους ανθρώπους, κατά μέσο όρο 60 νέες μεταλλάξεις μεταδίδονται από τον γονέα στους απογόνους. Οι άνδρες, ωστόσο, τείνουν να μεταδίδουν περισσότερες μεταλλάξεις ανάλογα με την ηλικία τους, μεταδίδοντας κατά μέσο όρο δύο νέες μεταλλάξεις στους απογόνους τους με κάθε επιπλέον έτος της ηλικίας τους.[18][19]

ΜηχανισμοίΕπεξεργασία

Η μεταλλαξογένεση μπορεί να συμβεί ενδογενώς (π.χ. αυθόρμητη υδρόλυση), μέσω φυσιολογικών κυτταρικών διεργασιών που μπορούν να δημιουργήσουν δραστικές μορφές οξυγόνου] και προσαγωγές DNA, ή μέσω σφάλματος στην αντιγραφή και επιδιόρθωση του DNA.[20] Η μεταλλαξογένεση μπορεί επίσης να συμβεί ως αποτέλεσμα της παρουσίας περιβαλλοντικών μεταλλαξιογόνων ουσιών που προκαλούν αλλαγές στο DNA ενός οργανισμού. Ο μηχανισμός με τον οποίο συμβαίνει η μετάλλαξη ποικίλλει ανάλογα με το μεταλλαξιογόνο ή τον αιτιολογικό παράγοντα που εμπλέκεται. Τα περισσότερα μεταλλαξιογόνα δρουν είτε άμεσα, είτε έμμεσα μέσω μεταλλαξιογόνων μεταβολιτών, στο DNA ενός οργανισμού, παράγοντας αλλοιώσεις. Ωστόσο, ορισμένα μεταλλαξιογόνα μπορεί να επηρεάσουν την αντιγραφή ή τον χρωμοσωμικό μηχανισμό διαχωρισμού και άλλες κυτταρικές διεργασίες.

Η μεταλλαξογένεση μπορεί επίσης να αυτοεπαχθεί από μονοκύτταρους οργανισμούς όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι περιοριστικές για την ανάπτυξη του οργανισμού, όπως βακτήρια που αναπτύσσονται παρουσία αντιβιοτικών, ζύμη που αναπτύσσεται παρουσία αντιμυκητιασικού παράγοντα ή άλλοι μονοκύτταροι οργανισμοί που αναπτύσσονται σε περιβάλλον που στερείται ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό[21][22][23]

Πολλά χημικά μεταλλαξιογόνα απαιτούν βιολογική ενεργοποίηση για να γίνουν μεταλλαξιογόνα. Μια σημαντική ομάδα ενζύμων που εμπλέκονται στην παραγωγή μεταλλαξιογόνων μεταβολιτών είναι το κυτόχρωμα P450.[24] Άλλα ένζυμα που μπορεί επίσης να παράξουν μεταλλαξιογόνους μεταβολίτες περιλαμβάνουν τη μετφοράση της γλουταθειόνης και μικροσωματική εποξειδική υδρολάση. Τα μεταλλαξιογόνα που δεν είναι μεταλλαξιογόνα από μόνα τους αλλά απαιτούν βιολογική ενεργοποίηση ονομάζονται προμεταλλαξιογόνα.

Ενώ τα περισσότερα μεταλλαξιογόνα παράγουν αποτελέσματα που τελικά οδηγούν σε σφάλματα στην αναπαραγωγή, για παράδειγμα δημιουργώντας προσαγωγές που παρεμβαίνουν στην αναπαραγωγή, ορισμένα μεταλλαξιογόνα μπορεί να επηρεάσουν άμεσα τη διαδικασία αναπαραγωγής ή να μειώσουν την πιστότητά τους. Το ανάλογο βάσης όπως η 5-βρωμοουρακίλη μπορεί να υποκαταστήσει τη θυμίνη σε αντιγραφή. Μέταλλα όπως το κάδμιο, το χρώμιο και το νικέλιο μπορούν να αυξήσουν τη μεταλλαξογένεση με διάφορους τρόπους εκτός από την άμεση βλάβη του DNA, για παράδειγμα μειώνοντας την ικανότητα επιδιόρθωσης σφαλμάτων, καθώς και την παραγωγή επιγενετικών αλλαγών.[25]

Οι μεταλλάξεις προκύπτουν συχνά ως αποτέλεσμα προβλημάτων που προκαλούνται από αλλοιώσεις στο DNA κατά την αναπαραγωγή, με αποτέλεσμα σφάλματα στην αναπαραγωγή. Στα βακτήρια, εκτεταμένη αλλοίωση στο DNA λόγω μεταλλαξιογόνων έχει ως αποτέλεσμα κενά μονόκλωνου DNA κατά την αντιγραφή. Αυτό προκαλεί την απόκριση SOS, μια διαδικασία επείγουσας επιδιόρθωσης που είναι επίσης επιρρεπής σε σφάλματα, δημιουργώντας έτσι μεταλλάξεις. Σε κύτταρα θηλαστικών, η αναστολή της αναπαραγωγής σε κατεστραμμένες θέσεις προκαλεί έναν αριθμό μηχανισμών διάσωσης που βοηθούν στην παράκαμψη των αλλοιώσεων του DNA, ωστόσο, αυτό μπορεί επίσης να οδηγήσει σε σφάλματα. Η οικογένεια Y των DNA πολυμερασών ειδικεύεται στην παράκαμψη αλλοιώσεων DNA με μια διαδικασία που ονομάζεται διαβλαβική σύνθεση (translesion synthesis) (TLS), με την οποία αυτές οι πολυμεράσες παράκαμψης των αλλοιώσεων αντικαθιστούν την κολλημένη αντιγραφική πολυμεράση DNA υψηλής πιστότητας και επεκτείνει το DNA μέχρι να περάσει η βλάβη, έτσι ώστε να μπορέσει να συνεχίσει η κανονική αντιγραφή. Αυτές οι διαδικασίες μπορεί να είναι επιρρεπείς σε σφάλματα ή χωρίς σφάλματα.

Βλάβη DNA και αυθόρμητη μετάλλαξηΕπεξεργασία

Ο αριθμός των επεισοδίων βλαβών του DNA που συμβαίνουν σε ένα κύτταρο θηλαστικών ανά ημέρα είναι υψηλός (πάνω από 60.000 την ημέρα). Η συχνή εμφάνιση βλάβης στο DNA είναι πιθανώς πρόβλημα για όλους τους οργανισμούς που περιέχουν DNA και η ανάγκη αντιμετώπισης των βλαβών του DNA και ελαχιστοποίησης των επιβλαβών επιπτώσεών τους είναι πιθανότατα θεμελιώδες πρόβλημα για τη ζωή.

Οι περισσότερες αυθόρμητες μεταλλάξεις πιθανόν να προκύπτουν από σύνθεση διαβλάβης επιρρεπούς σε σφάλματα πέρα από μια περιοχή βλάβης DNA στο κλώνο του προτύπου κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του DNA. Αυτή η διαδικασία μπορεί να ξεπεράσει δυνητικά θανατηφόρα μπλοκαρίσματα, αλλά με κόστος την εισαγωγή ανακριβειών στο θυγατρικό DNA. Η αιτιώδης σχέση της βλάβης του DNA με την αυτόματη μετάλλαξη απεικονίζεται με την αερόβια ανάπτυξη των βακτηρίων E. coli, στα οποία το 89% των αυτόματων μεταλλάξεων υποκατάστασης βάσης προκαλούνται από βλάβη του DNA που οφείλεται σε επαγόμενες δραστικές μορφές οξυγόνου (ROS).[26] Στη ζύμη, περισσότερο από το 60% των αυτόματων υποκαταστάσεων και διαγραφών ζεύγους μίας βάσης πιθανόν να προκαλούνται από σύνθεση διαβλαβών.[27]

Μια επιπρόσθετη σημαντική πηγή μεταλλάξεων στα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι η ανακριβής διαδικασία επιδιόρθωσης του DNA (μη ομόλογη ακραία ένωση), η οποία χρησιμοποιείται συχνά στην επιδιόρθωση θραυσμάτων διπλού κλώνου.[28]

Σε γενικές γραμμές, φαίνεται ότι η κύρια υποκείμενη αιτία της αυθόρμητης μετάλλαξης είναι η σύνθεση διαβλάβης επιρρεπούς σε λάθη κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του DNA και ότι η οδός επιδιόρθωσης της μη ομόλογης ακραίας ένωσης είναι επιρρεπής σε λάθη μπορεί επίσης να είναι ένας σημαντικός συντελεστής στα ευκαρυωτικά κύτταρα.

Αυθόρμητη υδρόλυσηΕπεξεργασία

Το DNA δεν είναι απόλυτα σταθερό σε υδατικό διάλυμα και μπορεί να συμβεί αποπουρίνωση του DNA. Υπό φυσιολογικές συνθήκες, ο γλυκοζιδικός δεσμός μπορεί να υδρολυθεί αυθόρμητα και 10.000 θέσεις πουρίνης στο DNA εκτιμάται ότι ελευθερώνονται κάθε μέρα σε ένα κύτταρο.[20] Υπάρχουν πολλές διαδρομές επιδιόρθωσης του DNA. Ωστόσο, εάν δεν επιδιορθωθεί η απουρινική θέση, μπορεί να συμβεί εσφαλμένη ενσωμάτωση των νουκλεοτιδίων κατά την αντιγραφή. Η αδενίνη ενσωματώνεται κατά προτίμηση από πολυμεράσες DNA σε αποπουρινική θέση.

Η κυτιδίνη μπορεί επίσης να απαμινωθεί σε ουριδίνη στο 5% του ρυθμού αποπουρίνωσης και μπορεί να οδηγήσει σε μετάβαση G σε A. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν επίσης 5-μεθυλκυτοσίνη, που πιστεύεται ότι εμπλέκεται στον έλεγχο της γονιδιακής μεταγραφής, η οποία μπορεί να αποαμινωθεί σε θυμίνη.

ΤαυτομέρειαΕπεξεργασία

Κύριο λήμμα: Ταυτομέρεια

Ταυτομέρεια είναι η διαδικασία με την οποία οι ενώσεις αναδιατάσσονται αυθόρμητα ώστε να λάβουν τις μορφές των συντακτικών τους ισομερών. Για παράδειγμα, οι κετο (C = O) μορφές γουανίνης και θυμίνης μπορούν να αναδιαταχθούν στις σπάνιες ενολικές τους μορφές (-OH), ενώ οι αμινο (-NH2) μορφές αδενίνης και κυτοσίνης μπορούν να οδηγήσουν στις σπανιότερες ιμινο (= ΝΗ) μορφές. Στην αντιγραφή του DNA, ο ταυτομερισμός μεταβάλλει τις θέσεις ζεύξης βάσεων και μπορεί να προκαλέσει τον ακατάλληλο συνδυασμό των βάσεων του νουκλεϊνικού οξέος.[29]

Τροποποίηση βάσεωνΕπεξεργασία

Οι βάσεις μπορούν να τροποποιηθούν ενδογενώς από κανονικά κυτταρικά μόρια. Για παράδειγμα, το DNA μπορεί να μεθυλιωθεί με S-αδενοσυλομεθειονίνη, αλλάζοντας έτσι την έκφραση του επισημασμένου γονιδίου χωρίς να προκληθεί μετάλλαξη στην ίδια την αλληλουχία του DNA. Η τροποποίηση της ιστόνης είναι μια σχετική διαδικασία κατά την οποία οι πρωτεΐνες ιστόνης γύρω από τις οποίες οι έλικες DNA μπορούν να τροποποιηθούν παρομοίως μέσω μεθυλίωσης, φωσφορυλίωσης ή ακετυλίωσης. Αυτές οι τροποποιήσεις μπορεί να λειτουργήσουν για να αλλάξουν την γονιδιακή έκφραση του τοπικού DNA και μπορεί επίσης να δράσουν για να υποδηλώσουν τις θέσεις του κατεστραμμένου DNA που χρειάζεται επιδιόρθωση. Το DNA μπορεί επίσης να γλυκοσυλιωθεί από αναγωγικά σάκχαρα.

Πολλές ενώσεις, όπως PAH, αρωματικές αμίνες, αφλατοξίνη και αλκαλοειδή πυρρολιζιδίνης, μπορούν να σχηματίσουν δραστικές μορφές οξυγόνου που καταλύονται από το κυτόχρωμα P450. Αυτοί οι μεταβολίτες σχηματίζουν προσαγωγές με το DNA, το οποίο μπορεί να προκαλέσει σφάλματα στην αντιγραφή, και οι ογκώδεις αρωματικές προσαγωγές μπορούν να σχηματίσουν σταθερή παρεμβολή μεταξύ βάσεων και μπλοκ αντιγραφής. Οι προσαγωγές μπορούν επίσης να προκαλέσουν διαμορφωτικές αλλαγές στο DNA. Ορισμένες προσαγωγές μπορεί επίσης να οδηγήσουν στην αποπουρινοποίηση του DNA. [30] είναι, ωστόσο, αβέβαιο πόσο σημαντική είναι η αποπουρίνωση που προκαλείται από τις προσαγωγές στη δημιουργία μετάλλαξης.

Η αλκυλίωση και η αρυλίωση των βάσεων μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα στην αναπαραγωγή. Ορισμένοι παράγοντες αλκυλίωσης όπως οι Ν-νιτροζαμίνες μπορεί να απαιτούν την καταλυτική αντίδραση του κυτοχρώματος-Ρ450 για το σχηματισμό ενός δραστικού κατιόντος αλκυλίου. Τα N7 και O6 της γουανίνης και τα N3 και N7 της αδενίνης είναι τα πιο επιρρεπή σε επίθεση. Οι προσαγωγοί γουανίνης N7σχηματίζουν το μεγαλύτερο μέρος των προσαγωγών DNA, αλλά φαίνεται να είναι μη μεταλλαξιογόνα. Η αλκυλίωση στο O6 της γουανίνης, ωστόσο, είναι επιβλαβής, επειδή η επιδιόρθωση του DNA του προσαγωγού O6 - της γουανίνης μπορεί να είναι κακή σε ορισμένους ιστούς όπως ο εγκέφαλος.[31] Η μεθυλίωση O6 της γουανίνης μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα σε μετάπτωση της G σε Α, ενώ η O4-μεθυλοθυμίνη μπορεί να ζευγαρώσει εσφαλμένα με τη γουανίνη. Ο τύπος της μετάλλαξης που δημιουργείται, ωστόσο, μπορεί να εξαρτάται από το μέγεθος και τον τύπο του προσαγωγού καθώς και την αλληλουχία DNA.[32]

Η ιοντίζουσα ακτινοβολία και οι δραστικές μορφές οξυγόνου οξειδώνουν συχνά τη γουανίνη για να παράξουν 8-οξογουανίνη.

 
Τα βέλη υποδεικνύουν χρωμοσωμικές θραύσεις λόγω βλάβης στο DNA

Βλάβη σκελετούΕπεξεργασία

Η Ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί να παράγει πολύ δραστικές ελεύθερες ρίζες που μπορούν να σπάσουν τους δεσμούς στο DNA. Οι θραύσης της διπλής αλυσίδας είναι ιδιαίτερα επιβλαβείς και δύσκολα επιδιορθώσιμες, παράγοντας επιχιασμό και διαγραφή μέρους ενός χρωμοσώματος. Παράγοντες αλκυλίωσης όπως το αέριο μουστάρδας μπορεί επίσης να προκαλέσουν θραύσεις στον σκελετό του DNA. Το οξειδωτικό άγχος μπορεί επίσης να δημιουργήσει εξαιρετικά δραστικές μορφές οξυγόνου που μπορούν να βλάψουν το DNA. Η λανθασμένη επιδιόρθωση άλλων ζημιών που προκαλούνται από τις ιδιαίτερα δραστικές μορφές μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μεταλλάξεις.

ΔιασταύρωσηΕπεξεργασία

Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των βάσεων νουκλεοτιδίων στο DNA, είτε αυτοί βρίσκονται στον ίδιο κλώνο είτε σε αντίθετους κλώνους, αναφέρονται ως διασταύρωση του DNA. Η διασταύρωση του DNA μπορεί να επηρεάσει τόσο την αντιγραφή όσο και τη μεταγραφή του DNA και μπορεί να προκληθεί από την έκθεση σε μια ποικιλία παραγόντων. Ορισμένες φυσικά εμφανιζόμενες χημικές ουσίες μπορεί επίσης να προωθήσουν τη διασταύρωση, όπως τα ψωραλένια μετά από ενεργοποίηση από την υπεριώδη ακτινοβολία και το νιτρώδες οξύ. Η διακλωνική διασταύρωση (μεταξύ δύο κλώνων) προκαλεί μεγαλύτερη ζημιά, καθώς εμποδίζει την αντιγραφή και τη μεταγραφή και μπορεί να προκαλέσει χρωμοσωμικές θραύσεις και ανακατατάξεις. Ορισμένοι διασταυρωτές όπως η κυκλοφωσφαμίδη, η μιτομυκίνη C και η σισπλατίνη χρησιμοποιούνται στις αντικαρκινικές χημειοθεραπείες λόγω του υψηλού βαθμού τοξικότητάς τους στα πολλαπλασιαζόμενα κύτταρα.

ΔιμερισμόςΕπεξεργασία

Ο διμερισμός αποτελείται από τη σύνδεση δύο μονομερών για να σχηματίσει ένα ολιγομερές, όπως ο σχηματισμός διμερών πυριμιδίνης ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία, το οποίο προάγει το σχηματισμό ενός δακτυλίου κυκλοβουτυλίου μεταξύ γειτονικών θυμινών στο DNA.[33] Στα ανθρώπινα κύτταρα του δέρματος, μπορεί να σχηματιστούν χιλιάδες διμερή την ημέρα λόγω της φυσιολογικής έκθεσης στο ηλιακό φως. Η DNA πολυμεράση η μπορεί να βοηθήσει στην παράκαμψη αυτών των αλλοιώσεων με τρόπο χωρίς σφάλματα.[34] Ωστόσο, άτομα με ελαττωματική λειτουργία επιδιόρθωσης του DNA, όπως πάσχοντες από μελαχρωματική ξηροδερμία, είναι ευαίσθητα στο ηλιακό φως και μπορεί να είναι επιρρεπή σε καρκίνο του δέρματος.

 
Το αιθίδιο παρεμβάλλεται μεταξύ δύο ζευγών βάσης αδενίνης-θυμίνης.

Παρεμβολή μεταξύ βάσεωνΕπεξεργασία

Η επίπεδη δομή χημικών ουσιών όπως του βρωμιούχου αιθιδίου και της προφλαβίνης τους επιτρέπει να εισάγονται μεταξύ των βάσεων του DNA. Η εισαγωγή μιας επίπεδης ετεροκυκλικής ένωσης μεταξύ γειτονικών βάσεων της διπλής έλικας του DNA, που γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε το επίπεδο του ετεροκυκλικού συστήματος να είναι κάθετο στον φωσφοσακχαριτικό κορμό, ονομάζεται παρεμβολή. Η ένωση ονομάζεται παρεμβολέας και συνήθως έχει αρωματικό χαρακτήρα και θετικό φορτίο. Αν και ο παρεμβολέας δεν καταστρέφει τους δεσμούς υδρογόνου της διπλής έλικας του DNA, η εισαγωγή του μεταβάλει την τρισδιάστατη δομή της επειδή χρειάζεται μερική αριστερόστροφη αποέλιξη της διπλής έλικας προκειμένου να εξασφαλιστεί ο απαραίτητος χώρος. Αυτή η ένθεση αναγκάζει τον σκελετό του DNA να ξετυλιχθεί και να εκταθεί σε βαθμό που εξαρτάται από τη γεωμετρία του παρεμβολέα. Αυτή η μεταβολή της δομής του DNA μπορεί να εμποδίσει τη δράση ενζύμων που καταλύουν λειτουργίες όπως η μεταγραφή, η αντιγραφή και η επιδιόρθωση του DNA και να οδηγήσουν έτσι σε μεταλλάξεις.[35] Η ολίσθηση προς τα εμπρός θα οδηγήσει σε μετάλλαξη απαλοιφής, ενώ η αντίστροφη ολίσθηση θα οδηγήσει σε μετάλλαξη παρεμβολής. Επίσης, η παρεμβολή σε DNA ανθρακυκλινών όπως δαουνορουβικίνης και δοξορουβικίνης παρεμβαίνει στη λειτουργία του ενζύμου τοποϊσομεράση II, εμποδίζοντας την αντιγραφή καθώς και προκαλώντας μιτωτικό ομόλογο ανασυνδυασμό.

Μεταλλαξογένεση ένθεσηςΕπεξεργασία

Τα μεταθετόνια και οι ιοί μπορεί να εισάγουν αλληλουχίες DNA σε κωδικοποιητικές περιοχές ή λειτουργικά στοιχεία ενός γονιδίου και να οδηγήσουν σε αδρανοποίηση του γονιδίου.

Προσαρμοστικοί μηχανισμοί μεταλλαξογένεσηςΕπεξεργασία

Η προσαρμοστική μεταλλαξογένεση έχει οριστεί ως οι μηχανισμοί μεταλλαξογένεσης που επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να προσαρμοστεί σε περιβαλλοντική πίεση. Δεδομένου ότι η ποικιλία των περιβαλλοντικών πιέσεων είναι πολύ ευρεία, οι μηχανισμοί που το επιτρέπουν είναι επίσης αρκετά ευρείς, όσο έχει δείξει η έρευνα στο πεδίο. Για παράδειγμα, στα βακτήρια, η διαμόρφωση της απόκρισης SOS και η ενδογενής σύνθεση προφάγου DNA έχει αποδειχθεί ότι αυξάνει την αντοχή του "Acinetobacter baumannii" στην κιπροφλοξασίνη.[16] Οι μηχανισμοί αντοχής υποτίθεται ότι συνδέονται με χρωμοσωμική μετάλλαξη μη μεταβιβάσιμης μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων σε ορισμένα μέλη της οικογένειας Enterobacteriaceae, όπως το Ε. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp. και Enterobacter spp.[36] Τα χρωμοσωμικά γεγονότα, ειδικά η γονιδιακή ενίσχυση, φαίνεται επίσης να σχετίζονται με αυτήν την προσαρμοστική μεταλλαξογένεση στα βακτήρια.[37]

Η έρευνα σε ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πολύ πιο σπάνια, αλλά τα χρωμοσωμικά φαινόμενα φαίνεται επίσης να είναι μάλλον σχετικά: ενώ ένας έκτοπος ενδοχρωμοσωμικός ανασυνδυασμός έχει αναφερθεί ότι εμπλέκεται στην απόκτηση αντοχής στην 5-φθοροκυτοσίνη στο Saccharomyces cerevisiae,[17] έχουν διαπιστωθεί ότι οι διπλασιασμοί γονιδιωμάτων προσδίδουν αντίσταση στο S. cerevisiae σε περιβάλλον με φτωχά θρεπτικά συστατικά.[21][38][39]

Εργαστηριακές ΕφαρμογέςΕπεξεργασία

Στο εργαστήριο, η μεταλλαξογένεση είναι μια τεχνική με την οποία οι μεταλλάξεις DNA σχεδιάζονται σκόπιμα για να παράγουν μεταλλαγμένα γονίδια, πρωτεΐνες ή στελέχη οργανισμών. Διάφορα συστατικά ενός γονιδίου, όπως τα στοιχεία ελέγχου του και το γονιδιακό του προϊόν, μπορεί να μεταλλαχθούν έτσι ώστε η λειτουργία ενός γονιδίου ή πρωτεΐνης να μπορεί να εξεταστεί λεπτομερώς. Η μετάλλαξη μπορεί επίσης να παράγει μεταλλαγμένες πρωτεΐνες με τροποποιημένες ιδιότητες, ή ενισχυμένες, ή νέες λειτουργίες που μπορεί να αποδειχθούν χρήσιμες στο εμπόριο. Μεταλλαγμένα στελέχη οργανισμών που έχουν πρακτικές εφαρμογές ή επιτρέπουν τη διερεύνηση της μοριακής βάσης συγκεκριμένης κυτταρικής λειτουργίας, μπορούν επίσης να παραχθούν.

Οι πρώτες μέθοδοι μεταλλαξογένεσης παρήγαγαν εντελώς τυχαίες μεταλλάξεις. Ωστόσο, οι σύγχρονες μέθοδοι μεταλλαξογένεσης είναι ικανές να παράγουν μεταλλάξεις ειδικές με τη θέση. Οι σύγχρονες εργαστηριακές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αυτών των μεταλλάξεων περιλαμβάνουν:

  • Κατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση
  • Καθοδηγούμενη μεταλλαξογένεση σε θέση/ Μεταλλαξογένεση PCR
  • Μεταλλαξογένεση ένθεσης
  • Μεταλλαξογένεση με υπογραφή ετικέτας
  • Μεταλλαξογένεση μεταθετονίου
  • Μεταλλαξογένεση κορεσμού αλληλουχίας

ΠαραπομπέςΕπεξεργασία

  1. Beale, G. (1993). «The Discovery of Mustard Gas Mutagenesis by Auerbach and Robson in 1941». Genetics 134 (2): 393–399. PMID 8325476. 
  2. Kevin M. Gleason Published: 2017-03-07. «Hermann Joseph Muller's Study of X-rays as a Mutagen, (1926-1927)». 
  3. «Genetics and Genomics Timeline 1927 Hermann J. Muller (1890-1967) demonstrates that X rays can induce mutations». 
  4. Muller, H. J. (1927). «Artificial Transmutation of the Gene». Science 66 (1699): 84–87. doi:10.1126/science.66.1699.84. PMID 17802387. Bibcode1927Sci....66...84M. http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/holdings/m/hjm-1927a.pdf. 
  5. Crow, J. F.; Abrahamson, S. (1997). «Seventy Years Ago: Mutation Becomes Experimental». Genetics 147 (4): 1491–1496. PMID 9409815. 
  6. Calabrese, E. J. (30 June 2011). «Muller's Nobel lecture on dose–response for ionizing radiation:ideology or science?». Archives of Toxicology 85 (4): 1495–1498. doi:10.1007/s00204-011-0728-8. PMID 21717110. http://users.physics.harvard.edu/~wilson/freshman_seminar/Radiation/Calabrese-Muller-1-1.pdf. Ανακτήθηκε στις 30 December 2011. 
  7. Ronald L. Kathren (December 2002). «Historical Development of the Linear Nonthreshold Dose-Response Model as Applied to Radiation». University of New Hampshire Law Review 1 (1). https://scholars.unh.edu/unh_lr/vol1/iss1/5/. 
  8. Stadler, L. J.; G. F. Sprague (1936-10-15). «Genetic Effects of Ultra-Violet Radiation in Maize. I. Unfiltered Radiation». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 22 (10): 572–8. doi:10.1073/pnas.22.10.572. PMID 16588111. PMC 1076819. Bibcode1936PNAS...22..572S. http://www.pnas.org/cgi/reprint/22/10/579.pdf. Ανακτήθηκε στις 2007-10-11. 
  9. Auerbach, C.; Robson, J.M.; Carr, J.G. (March 1947). «Chemical Production of Mutations». Science 105 (2723): 243–7. doi:10.1126/science.105.2723.243. PMID 17769478. Bibcode1947Sci...105..243A. 
  10. Brown, J. R.; Thornton, J. L. (1957). «Percivall Pott (1714-1788) and Chimney Sweepers' Cancer of the Scrotum». British Journal of Industrial Medicine 14 (1): 68–70. doi:10.1136/oem.14.1.68. PMID 13396156. PMC 1037746. https://archive.org/details/sim_british-journal-of-industrial-medicine_1957-01_14_1/page/68. 
  11. «Experimentelle Studie ueber die Pathogenese der Epithel geschwuelste». Mitteilungen aus der Medizinischen Fakultät der Kaiserlichen Universität zu Tokyo 15: 295–344. 1915. 
  12. Luch, Andreas (2005). «Nature and Nurture — Lessons from Chemical Carcinogenesis: Chemical Carcinogens — From Past to Present». Medscape. 
  13. Boyland E (1950). «The biological significance of metabolism of polycyclic compounds». Biochemical Society Symposium 5: 40–54. ISSN 0067-8694. OCLC 216723160. https://books.google.com/books?id=_kYQAQAAMAAJ. 
  14. Omura, T.; Sato, R. (1962). «A new cytochrome in liver microsomes». The Journal of Biological Chemistry 237: 1375–1376. PMID 14482007. http://www.jbc.org/content/237/4/PC1375.long. 
  15. Conney, A. H. (1982). «Induction of microsomal enzymes by foreign chemicals and carcinogenesis by polycyclic aromatic hydrocarbons: G. H. A. Clowes Memorial Lecture». Cancer Research 42 (12): 4875–4917. PMID 6814745. http://cancerres.aacrjournals.org/content/42/12/4875.long. 
  16. 16,0 16,1 Geisinger, Edward; Vargas-Cuebas, Germán; Mortman, Nadav J.; Syal, Sapna; Dai, Yunfei; Wainwright, Elizabeth L.; Lazinski, David; Wood, Stephen και άλλοι. (2019-06-11). Miller, Samuel I., επιμ. «The Landscape of Phenotypic and Transcriptional Responses to Ciprofloxacin in Acinetobacter baumannii : Acquired Resistance Alleles Modulate Drug-Induced SOS Response and Prophage Replication». mBio 10 (3). doi:10.1128/mBio.01127-19. ISSN 2150-7511. PMID 31186328. 
  17. 17,0 17,1 Quinto-Alemany, David; Canerina-Amaro, Ana; Hernández-Abad, Luís G.; Machín, Félix; Romesberg, Floyd E.; Gil-Lamaignere, Cristina (2012-07-31). Sturtevant, Joy, επιμ. «Yeasts Acquire Resistance Secondary to Antifungal Drug Treatment by Adaptive Mutagenesis». PLOS ONE 7 (7): e42279. doi:10.1371/journal.pone.0042279. ISSN 1932-6203. PMID 22860105. Bibcode2012PLoSO...742279Q. 
  18. Jha, Alok (22 Αυγούστου 2012). «Older fathers pass on more genetic mutations, study shows». The Guardian. 
  19. Kong, A.; Frigge, M. L.; Masson, G.; Besenbacher, S.; Sulem, P.; Magnusson, G.; Gudjonsson, S. A.; Sigurdsson, A. και άλλοι. (2012). «Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk». Nature 488 (7412): 471–475. doi:10.1038/nature11396. PMID 22914163. Bibcode2012Natur.488..471K. 
  20. 20,0 20,1 Loeb, L. A. (1989). «Endogenous carcinogenesis: Molecular oncology into the twenty-first century--presidential address». Cancer Research 49 (20): 5489–5496. PMID 2676144. http://cancerres.aacrjournals.org/content/49/20/5489.full.pdf. 
  21. 21,0 21,1 Heidenreich, Erich (January 2007). «Adaptive Mutation in Saccharomyces cerevisiae». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 42 (4): 285–311. doi:10.1080/10409230701507773. ISSN 1040-9238. PMID 17687670. 
  22. Quinto-Alemany, David; Canerina-Amaro, Ana; Hernández-Abad, Luís G.; Machín, Félix; Romesberg, Floyd E.; Gil-Lamaignere, Cristina (2012-07-31). Sturtevant, Joy, επιμ. «Yeasts Acquire Resistance Secondary to Antifungal Drug Treatment by Adaptive Mutagenesis». PLOS ONE 7 (7): e42279. doi:10.1371/journal.pone.0042279. ISSN 1932-6203. PMID 22860105. Bibcode2012PLoSO...742279Q. 
  23. Aghapour, Zahra; Gholizadeh, Pourya; Ganbarov, Khudaverdi; bialvaei, Abed Zahedi; Mahmood, Suhad Saad; Tanomand, Asghar; Yousefi, Mehdi; Asgharzadeh, Mohammad και άλλοι. (April 2019). «Molecular mechanisms related to colistin resistance in Enterobacteriaceae». Infection and Drug Resistance 12: 965–975. doi:10.2147/idr.s199844. PMID 31190901. 
  24. Trevor M. Penning (2011). Chemical Carcinogenesis (Current Cancer Research). Springer. ISBN 978-1617379949. 
  25. «Genetic and epigenetic mechanisms in metal carcinogenesis and cocarcinogenesis: nickel, arsenic, and chromium». Chemical Research in Toxicology 21 (1): 28–44. January 2008. doi:10.1021/tx700198a. PMID 17970581. 
  26. «Impact of reactive oxygen species on spontaneous mutagenesis in Escherichia coli». Genes Cells 11 (7): 767–78. July 2006. doi:10.1111/j.1365-2443.2006.00982.x. PMID 16824196. 
  27. «DNA sequence analysis of spontaneous mutagenesis in Saccharomyces cerevisiae». Genetics 148 (4): 1491–505. April 1998. PMID 9560369. PMC 1460101. http://www.genetics.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=9560369. 
  28. Huertas P (January 2010). «DNA resection in eukaryotes: deciding how to fix the break». Nat. Struct. Mol. Biol. 17 (1): 11–6. doi:10.1038/nsmb.1710. PMID 20051983. 
  29. Sinden, Richard R. (1994). DNA Structure and Function. Academic Press. σελίδες 17–20. ISBN 978-0126457506. 
  30. Melendez-Colon, V. J.; Smith, C. A.; Seidel, A.; Luch, A.; Platt, K. L.; Baird, W. M. (1997). «Formation of stable adducts and absence of depurinating DNA adducts in cells and DNA treated with the potent carcinogen dibenzoa, lpyrene or its diol epoxides». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 94 (25): 13542–13547. doi:10.1073/pnas.94.25.13542. PMID 9391062. Bibcode1997PNAS...9413542M. 
  31. Boysen, G.; Pachkowski, B. F.; Nakamura, J.; Swenberg, J. A. (2009). «The Formation and Biological Significance of N7-Guanine Adducts». Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis 678 (2): 76–94. doi:10.1016/j.mrgentox.2009.05.006. PMID 19465146. 
  32. Loechler, E. L. (1996). «The role of adduct site-specific mutagenesis in understanding how carcinogen-DNA adducts cause mutations: Perspective, prospects and problems». Carcinogenesis 17 (5): 895–902. doi:10.1093/carcin/17.5.895. PMID 8640935. https://archive.org/details/sim_carcinogenesis_1996-05_17_5/page/895. 
  33. Setlow, R. B. (1966). «Cyclobutane-type pyrimidine dimers in polynucleotides». Science 153 (734): 379–386. doi:10.1126/science.153.3734.379. PMID 5328566. Bibcode1966Sci...153..379S. 
  34. Broyde, S.; Patel, D. J. (2010). «DNA repair: How to accurately bypass damage». Nature 465 (7301): 1023–1024. doi:10.1038/4651023a. PMID 20577203. Bibcode2010Natur.465.1023B. 
  35. Strekowski, Lucjan; Wilson, Beth (2007-10). «Noncovalent interactions with DNA: An overview» (στα αγγλικά). Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 623 (1-2): 3–13. doi:10.1016/j.mrfmmm.2007.03.008. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0027510707001480. 
  36. Aghapour, Zahra; Gholizadeh, Pourya; Ganbarov, Khudaverdi; bialvaei, Abed Zahedi; Mahmood, Suhad Saad; Tanomand, Asghar; Yousefi, Mehdi; Asgharzadeh, Mohammad και άλλοι. (April 2019). «Molecular mechanisms related to colistin resistance in Enterobacteriaceae». Infection and Drug Resistance 12: 965–975. doi:10.2147/idr.s199844. PMID 31190901. 
  37. Hersh, Megan N; Ponder, Rebecca G; Hastings, P.J; Rosenberg, Susan M (June 2004). «Adaptive mutation and amplification in Escherichia coli: two pathways of genome adaptation under stress». Research in Microbiology 155 (5): 352–359. doi:10.1016/j.resmic.2004.01.020. PMID 15207867. 
  38. Longerich, S.; Galloway, A. M.; Harris, R. S.; Wong, C.; Rosenberg, S. M. (1995-12-19). «Adaptive mutation sequences reproduced by mismatch repair deficiency.». Proceedings of the National Academy of Sciences 92 (26): 12017–12020. doi:10.1073/pnas.92.26.12017. ISSN 0027-8424. PMID 8618835. Bibcode1995PNAS...9212017L. 
  39. Rosenberg, Susan M.; Fitzgerald, Devon M. (2019-04-01). «What is mutation? A chapter in the series: How microbes "jeopardize" the modern synthesis». PLOS Genetics 15 (4): e1007995. doi:10.1371/journal.pgen.1007995. ISSN 1553-7404. PMID 30933985.