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.

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.

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.

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

Ilustracja przedstawia wizualzację DNA w świetle UV. Na zdjęciu widać czarne tło oraz pionowe, dość szerokie smugi, które przecinają jasne, jaśniejsze i ciemniejsze, poziome linie.

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).

Do mutagenów fizycznych należą:

• promieniowanie jonizujące, np. promieniowanie X lub gamma (γgamma), 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

Grafika przedstawia elektrownię atomową oraz beczki z oznaczeniem ich radioaktywności. W tle zdjęcia znajdują się budynki, dwa wysokie, wąskie kominy z lecącą z nich parą oraz cztery szerokie chłodnie kominowe podobne do ściętego na górze stożka. Na pierwszym planie widać łąkę i pole rozdzielone pośrodku szeroką ścieżką. Na łące, polu i na ścieżce stoją lub leżą duże, żółte beczki z wiatrakiem z okrągłym środkiem i trzema ramionami w kolorze czarnym. W tle widać zachmurzone, szare niebo.

Nagłe skoki temperatury prowadzą niekiedy do hydrolizy wiązania βbeta‑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.

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

Grafika przedstawia wirusy znajdujące się na zielonym tle. Mają zielony kolor i kulisty kształt, a na całej powierzchni kuli walcowate wypustki rozszerzające się na końcu. Są rozrzucone bezładnie w całej przestrzeni.

Do mutagenów biologicznych zaliczane są również grzyby pleśniowe produkujące aflatoksynyaflatoksynyaflatoksyny.

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.

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.

Słownik