W przyrodzie istnieje wiele czynników powodujących modyfikacje w zapisie genetycznym. Są one nazywane mutagenamimutagenmutagenami, a zmiany, które w wyniku ich działania zostają utrwalone w DNA, określa się jako mutacjemutacjamutacje.

bg‑azure

Czynniki mutagenne i ich źródła

Mutageny mają zazwyczaj pochodzenie egzogenne – są czynnikami zewnętrznymi działającymi na organizm. Istnieją także mutageny endogenne, czyli wytwarzane w ustroju, do których zalicza się np. reaktywne formy tlenu – naturalne produkty metabolizmu mogące wywoływać stres oksydacyjny w komórce.

R129O902qhZJI1
Schemat. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Mutageny
    • Elementy należące do kategorii Mutageny
    • Nazwa kategorii: egzogenne
      • Elementy należące do kategorii egzogenne
      • Nazwa kategorii: promieniowanie UV
      • Nazwa kategorii: dym papierosowy
        • Elementy należące do kategorii dym papierosowy
        • Nazwa kategorii: benzopiren
        • Koniec elementów należących do kategorii dym papierosowy
      • Nazwa kategorii: niezdrowa żywność
        • Elementy należące do kategorii niezdrowa żywność
        • Nazwa kategorii: np. heterocykliczne aminy aromatyczne, nitrozoaminy
        • Koniec elementów należących do kategorii niezdrowa żywność
        Koniec elementów należących do kategorii egzogenne
    • Nazwa kategorii: endogenne
      • Elementy należące do kategorii endogenne
      • Nazwa kategorii: reaktywne formy tlenu
      • Koniec elementów należących do kategorii endogenne
      Koniec elementów należących do kategorii Mutageny
Wybrane źródła czynników mutagennych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wyróżnia się substancje mutagenne o udowodnionym działaniu mutagennym na człowieka oraz prawdopodobnym działaniu mutagennym, wnioskowanym na podstawie obserwacji lub innych dowodów, np. badań na innych gatunkach ssaków. Ponadto mutageny dzieli się na:

  • chemiczne;

  • fizyczne;

  • biologiczne.

bg‑gray2

Mutageny chemiczne

R1BNzzokOhmpM1
Schemat. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Mutageny
    • Elementy należące do kategorii Mutageny
    • Nazwa kategorii: chemiczne
      • Elementy należące do kategorii chemiczne
      • Nazwa kategorii: analogi zasad
        • Elementy należące do kategorii analogi zasad
        • Nazwa kategorii: 5-bromouracyl
        • Nazwa kategorii: 2-aminopuryna
        • Koniec elementów należących do kategorii analogi zasad
      • Nazwa kategorii: reaktywne formy tlenu
      • Nazwa kategorii: barwniki akrydynowe
        • Elementy należące do kategorii barwniki akrydynowe
        • Nazwa kategorii: bromek etydyny
        • Nazwa kategorii: oranż akrydyny
        • Koniec elementów należących do kategorii barwniki akrydynowe
        Koniec elementów należących do kategorii chemiczne
      Koniec elementów należących do kategorii Mutageny
Podział i przykłady chemicznych czynników mutagennych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Do podstawowego składu zasad, które wbudowywane są w procesie replikacjireplikacjareplikacji, należą zasady purynowe: adenina i guanina oraz zasady pirymidynowe: tymina i cytozyna. Mutageny chemiczne określa się jako związki bezpośrednio oddziałujące z DNA, prowadzące w konsekwencji do zmiany sekwencji nukleotydowej tej cząsteczki. Zdarza się, że podczas replikacji do łańcucha DNA zostanie wbudowany tzw. analog zasady, czyli związek o strukturze zbliżonej do zasady występującej w DNA.

R14oH5AOXKMbX
Bromek etydyny, pomimo silnych właściwości mutagennych, jest nadal stosowany w laboratoriach do wizualizacji DNA w świetle UV.
Źródło: Magdalena Fordon, licencja: CC BY-SA 3.0.

Jednym z analogów zasad jest 5‑bromouracyl, który może zostać wbudowany w miejsce tyminy. W większości przypadków tworzy on parę z adeniną, ale zdarza się, że przyjmuje formę, w której może sparować się z guaniną. Zmiana ta może zostać utrwalona w procesie replikacji, co będzie skutkować mutacją. Z tego względu 5‑bromouracyl zalicza się do chemicznych czynników mutagennych.

Inne związki należące do grupy mutagenów chemicznych obejmują: 2‑aminopurynę (analog guaniny i adeniny), kwas azotawy, reaktywne formy tlenu, hydroksyloaminę, a także czynniki wnikające do struktury podwójnej helisy DNA, takie jak bromek etydyny (EtBr).

bg‑gray2

Mutageny fizyczne

R1bINcuLGlG101
Schemat. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Mutageny
    • Elementy należące do kategorii Mutageny
    • Nazwa kategorii: fizyczne
      • Elementy należące do kategorii fizyczne
      • Nazwa kategorii: promieniowanie
        • Elementy należące do kategorii promieniowanie
        • Nazwa kategorii: jonizujące
          • Elementy należące do kategorii jonizujące
          • Nazwa kategorii: promienie X
          • Nazwa kategorii: promienie γ
          • Nazwa kategorii: promienie α
          • Nazwa kategorii: promienie β
          • Koniec elementów należących do kategorii jonizujące
        • Nazwa kategorii: niejonizujące
          • Elementy należące do kategorii niejonizujące
          • Nazwa kategorii: promieniowanie UV
          • Nazwa kategorii: promieniowanie cieplne
          • Koniec elementów należących do kategorii niejonizujące
          Koniec elementów należących do kategorii promieniowanie
        Koniec elementów należących do kategorii fizyczne
      Koniec elementów należących do kategorii Mutageny
Podział i przykłady fizycznych czynników mutagennych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Do mutagenów fizycznych należą:

  • promieniowanie jonizujące, np. promieniowanie X lub gamma (gamma), uszkadzające DNA – do źródeł tego typu promieniowania zalicza się aparaturę medyczną (aparaty rentgenowskie) oraz elektrownie atomowe;

  • promieniowanie ultrafioletowe (UV), powodujące powstawanie dimerów pirymidynowych, potencjalnie wywołujących zmiany podczas replikacji w przypadku nieodpowiedniego działania systemu naprawy DNA; promieniowanie UV związane jest z promieniowaniem słonecznym;

  • promieniowanie radioaktywne wywołane przez niestabilne izotopy pierwiastkówizotopyizotopy pierwiastków, a także przez aktywność człowieka – testy termojądrowe;

  • promieniowanie cieplne.

R1e9sAxfuV6Ow
Elektrownie jądrowe są obecnie najbardziej wydajnym źródłem energii. Stanowią jednak potencjalne zagrożenie, związane m.in. z gromadzeniem w reaktorach jądrowych produktów rozszczepienia jąder atomowych. Po wydostaniu się poza elektrownię związki te mogą napromieniować organizmy żywe.
Źródło: Pixabay, domena publiczna.

Nagłe skoki temperatury prowadzą niekiedy do hydrolizy wiązania beta‑N-glikozydowego w zasadach azotowych, powodując powstawanie pustych miejsc w nici DNA, które w wyniku działania mechanizmów naprawczych DNA mogą zostać wypełnione błędnym nukleotydem. Może to spowodować utrwalenie się mutacji w kolejnych cyklach replikacji.

bg‑gray2

Mutageny biologiczne

R15Tq72HJtODz1
Schemat. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Mutageny
    • Elementy należące do kategorii Mutageny
    • Nazwa kategorii: biologiczne
      • Elementy należące do kategorii biologiczne
      • Nazwa kategorii: retrowirusy
      • Nazwa kategorii: pierwotniaki
      • Nazwa kategorii: grzyby pleśniowe
        • Elementy należące do kategorii grzyby pleśniowe
        • Nazwa kategorii: aflatoksyny
        • Koniec elementów należących do kategorii grzyby pleśniowe
      • Nazwa kategorii: bakterie
      • Nazwa kategorii: transpozony
      • Koniec elementów należących do kategorii biologiczne
      Koniec elementów należących do kategorii Mutageny
Podział i przykłady biologicznych czynników mutagennych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Niektóre wirusy RNA, zwane retrowirusamiretrowirusretrowirusami, mają zdolność do wbudowywania swojego materiału genetycznego do genomu infekowanego gospodarza. Jest to możliwe dzięki enzymowi odwrotna transkryptaza, która przepisuje RNA wirusa na DNA. Takie DNA jest następnie wbudowywane do DNA gospodarza za pomocą enzymu integrazy. Zintegrowanie genomu wirusowego jest trwałą zmianą w informacji genetycznej komórki gospodarza.

R1WSsPUExsdEm
Materiałem genetycznym retrowirusów jest RNA. Dzięki odwrotnej transkryptazie może on zostać przepisany na DNA, który zostaje zintegrowany z genomowym DNA gospodarza.
Źródło: Pixabay, domena publiczna.

Do mutagenów biologicznych zaliczane są również grzyby pleśniowe produkujące aflatoksynyaflatoksynyaflatoksyny.

bg‑azure

Mutacje a choroby genetyczne

Mutacje w pewnych genach mogą być bardziej niebezpieczne od innych. Czasami substytucja jednego nukleotydusubstytucja nukleotydowasubstytucja jednego nukleotydu może skutkować poważną chorobą. Jej przykładem jest anemia sierpowata – wrodzona niedokrwistość spowodowana nieprawidłową strukturą hemoglobiny w czerwonych krwinkach. Mutacja wywołująca tę chorobę wpływa na obniżenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu, a w warunkach niskiej dostępności do tlenu – polimeryzację cząsteczek hemoglobiny.

R1XqBrSmZgndu1
Przypomnij sobie tytuł abstraktu, wysłuchaj nagrania i spróbuj zaproponować własny temat dla dzisiejszej lekcji.
Źródło: Jonathan Armstrong, licencja: CC BY-NC 4.0.

Niektóre mutageny wywołują mutacje DNA, które prowadzą do rozwoju choroby nowotworowej – są to czynniki rakotwórcze (karcenogenne). Zalicza się do nich m.in. substancje chemiczne, promieniowanie jonizujące i UV, a także niektóre wirusy.  Powodują one mutacje genów regulujących (tzw. protoonkogenów) i powstanie onkogenów. Prowadzi to do zaburzenia cyklu komórkowego i w konsekwencji zainicjowania procesu nowotworzenia. Onkogeny odpowiadają za niekontrolowaną proliferację, czyli namnażanie się komórek, co skutkuje rozwojem różnego rodzaju nowotworów.

1
Ciekawostka
RYmRlwgTC5bFA
Procedura testu Amesa.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Test Amesa to prosta i szybka metoda określająca potencjał mutagenny badanego czynnika. W teście wykorzystuje się konkretne szczepy bakterii z rodzaju Salmonella, które przez obecność wielu mutacji w swoim materiale genetycznym nie produkują niezbędnego im do życia aminokwasu – histydyny. Bakterie te wysiewa się na podłoże z minimalną zawartością histydyny i wystawia na działanie czynnika potencjalnie mutagennego poprzez naniesienie na podłoże krążka z bibuły nasączonego badaną substancją. Jeżeli po inkubacji na płytce obserwowany jest wzrost bakterii, czynnik uznaje się za mutagenny – w wyniku mutacji bakterie „odzyskały” zdolność do syntezy histydyny, bez której ich wzrost na podłożu jej pozbawionym nie byłby możliwy. Zjawisko to nazywa się rewersją mutacji.

Słownik

aflatoksyny
aflatoksyny

grupa związków wielopierścieniowych o silnym działaniu toksycznym, rakotwórczym, mutagennym i teratogennym na organizmy człowieka i zwierząt, wytwarzana przez niektóre gatunki pleśni z rodzaju kropidlak – Aspergillus flavus oraz Aspergillus parasiticus

izotopy
izotopy

atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów

kancerogen
kancerogen

czynnik mutagenny warunkujący powstawanie nowotworów

mutacja
mutacja

trwała zmiana w materiale genetycznym powstająca nagle, samoistnie lub z powodu działania różnych czynników

mutagen
mutagen

czynnik wywołujący mutacje

replikacja
replikacja

proces powielania materiału genetycznego w komórce

retrowirus
retrowirus

wirus, którego materiałem genetycznym jest RNA zdolne do integracji z genomem gospodarza po przeprowadzeniu odwrotnej transkrypcji

stres oksydacyjny
stres oksydacyjny

stan wynikający z nadmiaru reaktywnych form tlenu w komórce

substytucja nukleotydowa
substytucja nukleotydowa

typ spontanicznej mutacji genowej, w której dochodzi do zmiany składu nukleotydowego DNA poprzez podstawienie jednej pary zasad przez inną, np. A‑T zamiast G‑C.