MutacjemutacjaMutacje to trwałe zmiany w zapisie informacji genetycznej. Mogą je wywoływać tzw. czynniki mutagenne (inaczej mutageny), które dzielą się na chemiczne i biologiczne oraz fizyczne.

Działanie mutagennych czynników chemicznych polega na ich interakcji z łańcuchem DNA. Mutageny te mogą modyfikować zasady azotowe lub bezpośrednio oddziaływać ze strukturą podwójnej helisy.

Analogi zasad azotowych

Do silnych mutagenów chemicznych należą analogi zasad azotowych, naturalnie występujących w kwasach nukleinowych. Ich budowa zbliżona do zasad azotowych w DNA powoduje, że mogą być w niego wbudowywane, co prowadzi do zmiany kodowanych aminokwasów.

Kwas azotowy(III)

Kwas azotowy(III) jest czynnikiem, który powoduje deaminacjędeaminacjadeaminację zasad azotowych. W wyniku usunięcia grupy aminowej cytozyny powstaje uracyl. W ten sposób może dojść do zmiany pary zasad azotowych – tranzycji typu G:C ➔ A:T. Z kolei deaminacja adeniny skutkuje powstaniem hipoksantyny. Związek ten może tworzyć wiązania wodorowe z cytozyną, prowadząc do powstawania tranzycji typu A:T ➔ G:C. Zmiany te mogą skutkować zmianą aminokwasów kodowanych przez dane kodony, co może powodować powstanie niefunkcjonalnych białek. Szczególnie niebezpieczne jest zjawisko agregacji białek, które są nieprawidłowo sfałdowane.

Czynniki alkilujące i arylujące

Do związków zaliczanych jako czynniki alkilujące i arylujące należą np. metylosulfonian metylu i etylonitrozomocznik. Związki te mogą prowadzić do alkilacjialkilacjaalkilacji i arylacjiarylacjaarylacji zasad azotowych. W wyniku takich modyfikacji powstają pochodne zasad azotowych, które nie są w stanie wytworzyć wiązań wodorowych. Miejsca podstawienia oraz rodzaje podstawionych grup różnią się w zależności od czynnika mutagennego.

Czynniki interkalująceinterkalacjainterkalujące (wnikające) to drobnocząsteczkowe substancje, które mają zdolność bezpośredniego wnikania w strukturę podwójnej helisy DNA. Wywołuje to lokalne zmiany strukturalne, takie jak wydłużenie nici na skutek insercjiinsercjainsercji, skrócenie jej w konsekwencji delecjidelecjadelecji lub skręcenie par zasad. Takie modyfikacje strukturalne mogą uniemożliwić zajście niektórych procesów, np. transkrypcji i replikacjireplikacjareplikacji, co czyni te związki silnymi mutagenami. Do czynników interkalujących zalicza się zarówno czynniki chemiczne (np. bromek etydyny, barwniki akrydynowebarwniki akrydynowebarwniki akrydynowe), jak i biologiczne (np. aflatoksyny).

Bromek etydyny jako czynnik interkalujący wbudowuje się między nici DNA. Efektem tego jest zmiana struktury DNA. Podczas procesu replikacji w miejscu interkalacji dochodzi do błędnego dobudowania nukleotydów do tworzącej się nici. Efektem tych zmian jest przesunięcie ramki odczytu, co z kolei może doprowadzić do powstania zmienionego białka lub krótszej wersji łańcucha polipeptydowego, kiedy dojdzie do powstania przedwczesnego kodonu STOP.

RRwEdAgsYXFoD

Schemat ilustruje występowanie czynników interkalujących DNA wpasowujące się w przerwy pomiędzy wiązaniami wodorowymi sąsiadujących ze sobą zasad azotowych. Przedstawia on dwie poziome linie, od których odchodzą w dół i w górę grube, łączące się ze sobą przerywanymi liniami odcinki zakończone półokrągłym wcięciem lub wypustką w przypadku odpowiednio pomarańczowej linii z literą A i niebieskiej linii z literą T, a zakończone spiczastym wcięciem i trójkątną wypustką w przypadku odpowiednio zielonej litery C i pomarańczowej linii z literą G. Symbolizuje to komplementarność zasad azotowych występujących w DNA - adeniny (A) z tyminą (T), oraz cytozyny (C) z guaniną (G). Pomiędzy nimi znajdują się jednolite, czerwone odcinki łączące górną i dolną, poziomą linię, umieszczone w nieregularnych odstępach. Są one opisane jako czynnik interkalujący.

Przykładem chemicznego czynnika mutagennego jest kolchicyna – związek pochodzący z nasion zimowita jesiennego (Colchicum autumnale). Zaburza ona proces podziału komórek, zakłócając tworzenie wrzeciona kariokinetycznego. Bez tej struktury chromosomy nie mogą prawidłowo, równomiernie rozdzielić się podczas mitozy. Prowadzi to do powstania komórek potomnych zawierających zduplikowany garnitur chromosomówgarnitur chromosomówgarnitur chromosomów. Zjawisko to nazywane jest poliploidiąpoliploidiapoliploidią.

Efektem działania kolchicyny na rośliny może być także zjawisko staśmienia (fascjacji), czyli tworzenia spłaszczonych struktur niektórych części roślin.

Kolchicyna wykorzystywana jest także w medycynie, stosowana jako środek przeciwzapalny w wielu chorobach. Dokładne poznanie mechanizmów jej działania pozwoli na bezpieczniejsze terapie z jej użyciem. Długotrwała ekspozycja na duże dawki kolchicyny może bowiem prowadzić do zaburzeń w funkcjonowaniu szpiku kostnego, nerek i układu nerwowego. Przyjmowanie kolchicyny w formie leku skorelowano z wystąpieniem azoospermii u mężczyzn, czyli brakiem plemników w nasieniu, a także zwiększonym ryzykiem poronień u kobiet oraz zwiększeniem prawdopodobieństwa bezpłodności.

Mutagenami, które najczęściej uszkadzają podwójną nić DNA, są różne typy promieniowania. Jest ono przykładem mutagenu fizycznego.

Promieniowanie UV może prowadzić do dimeryzacji zasad tyminowych, czyli łączenia się ze sobą dwóch sąsiadujących tymin w łańcuchu DNA. Jeżeli mutacja ta nie zostanie usunięta przez system naprawy DNA, może dojść do błędów podczas transkrypcji i replikacji, a nawet zatrzymania tych procesów.

RmZZ7W2dQnLZA

Schemat ilustruje wpływ promieniowania UV na łańcuch DNA, przyczyniającego się do tworzenia dimerów zasad tyminowych. Pierwsza ilustracja przedstawia dwie poziome linie, od których odchodzą w dół i w górę grube, łączące się ze sobą przerywanymi liniami odcinki zakończone półokrągłym wcięciem lub wypustką w przypadku odpowiednio pomarańczowej linii z literą A i niebieskiej linii z literą T, a zakończone spiczastym wcięciem i trójkątną wypustką w przypadku odpowiednio zielonej litery C i pomarańczowej linii z literą G. Symbolizuje to komplementarność zasad azotowych występujących w DNA - adeniny (A) z tyminą (T), oraz cytozyny (C) z guaniną (G). Nad ilustracją znajduje się żółta błyskawica z napisem: źródło promieniowania UV. Druga ilustracja jest bardzo podobna, jedynie pośrodku, w miejscu, gdzie znajduje się błyskawica, pozioma linia jest zdeformowana i podniesiona do góry, a linie symbolizujące zasadę azotową – tyminę są przekrzywione do wewnątrz i zbliżone do siebie, przez co nie łączą się z liniami symbolizującymi adeninę.

Z kolei promieniowanie X oraz gamma powoduje pękanie chromosomów. Oznacza to przerwanie nici DNA wchodzących w skład chromosomu. Systemy naprawcze komórki mogą ponownie złączyć nici, jednak dwuniciowe pęknięcia często nie zostają naprawione. Efektem tych zmian może być utrata fragmentu chromosomu, kiedy pęknięcia zajdą w dwóch miejscach. Inną zmianą w strukturze chromosomu powstającą na skutek pęknięć jest inwersja, czyli połączenie przerwanego fragmentu w odwrotnej orientacji. Kiedy pęknięcia zajdą na dwóch różnych chromosomach jednocześnie, systemy naprawcze komórki mogą nieprawidłowo połączyć fragmenty do chromosomów niehomologicznych. Proces ten nazywany jest translokacją.

Natomiast szok spowodowany nagłymi zmianami temperatury może doprowadzić do odłączenia się zasad azotowych od cząsteczek deoksyrybozy, które tworzą trzon DNA – łańcuch cukrowo−fosforanowy.

R13y57a9KbtqC

Schemat ilustruje zjawisko szoku termicznego, które może spowodować powstanie luk w DNA w wyniku odłączenia się zasad azotowych od cząsteczek deoksyrybozy. Pierwsza ilustracja przedstawia dwie poziome linie, od których odchodzą w dół i w górę grube, łączące się ze sobą przerywanymi liniami odcinki zakończone półokrągłym wcięciem lub wypustką w przypadku odpowiednio pomarańczowej linii z literą A i niebieskiej linii z literą T, a zakończone spiczastym wcięciem i trójkątną wypustką w przypadku odpowiednio zielonej litery C i pomarańczowej linii z literą G. Symbolizuje to komplementarność zasad azotowych występujących w DNA - adeniny (A) z tyminą (T), oraz cytozyny (C) z guaniną (G). Nad ilustracją znajduje się żółte słońce z napisem: wysoka temperatura. Druga ilustracja jest bardzo podobna, jedynie pośrodku, w miejscu, gdzie znajduje się słońce pojawiają się luki – brak w nim zasad azotowych. Trzecia ilustracja jest zbliżona do pierwszej, lecz pary zasad są ułożone w innej sekwencji – obrazuje to fakt, iż luki te są losowo uzupełniane dzięki mechanizmom naprawczym DNA, co prowadzi do mutacji.

Słownik