Кіріспе
Биологиялық процесс ретінде мутагенез – жалпы процесс. Мутагенез (/mjuːtə/'dʒɛnɪsɪs/) – организмнің генетикалық ақпараты мутация тудыру арқылы өзгеретін процесс. Ол табиғатта спонтанды түрде немесе мутагендердің әсерінен пайда болуы мүмкін. Сондай-ақ, зертханалық процедуралар қолданып, тәжірибе жүзінде де жүзеге асырылуы мүмкін. Мутаген – химиялық немесе физикалық фактор, ол организмнің генетикалық кодында мутациялардың жиілігін арттырады. Табиғатта мутагенез қатерлі ісіктер мен мұрагерлік ауруларға себеп болуы мүмкін, сонымен қатар эволюцияның итергіш күші болып табылады. Мутагенез ғылымы ХХ ғасырдың бірінші жартысында Герман Мюллер, Шарлотта Ауербах және Дж. М. Робсонның жұмыстары негізінде дамыды.
mutagenesis as a general process
Mutagenesis (/m//juː//t//ə/'/dʒ//ɛ//n//ɪ//s//ɪ//s/) is a process by which the genetic information of an organism is changed by the production of a mutation. It may occur spontaneously in nature, or as a result of exposure to mutagens. It can also be achieved experimentally using laboratory procedures. A mutagen is a mutation causing agent, be it chemical or physical, which results in an increased rate of mutations in an organism's genetic code. In nature mutagenesis can lead to cancer and various heritable diseases, and it is also a driving force of evolution. Mutagenesis as a science was developed based on work done by Hermann Muller, Charlotte Auerbach and J. M. Robson in the first half of the 20th century.
Тарих
ДНҚ табиғи немесе жасанды түрде физикалық, химиялық және биологиялық факторлардың әсерінен өзгеруі мүмкін, нәтижесінде мутациялар пайда болады. Герман Мюллер 1920 жылдардың басында "жоғары температураның" гендерді мутациялауға қабілетті екенін анықтады, ал 1927 жылы рентген аппаратымен тәжірибе жасағанда мутацияға себептік байланысты көрсетті, яғни жеміс шыбындарына салыстырмалы түрде жоғары дозадағы рентген сәулесін түсірген кезде филогенетикалық өзгерістерді байқады. Мюллер өз тәжірибелерінде хромосомалардың бірнеше рет қайта құрылғанын анықтады және мутацияны қатерлі ісіктің себебі деп ұсынды. Радиацияға ұшырау мен қатерлі ісік арасындағы байланыс 1902 жылы, Вильгельм Рентген рентген сәулелерін, ал Анри Беккерель радиоактивтілікті ашқаннан кейін алты жыл өткен соң байқалды. Мюллердің замандасы Льюис Штадлер 1928 жылы рентген сәулелерінің арпаның мутациясына, ал 1936 жылы ультракүлгін (УК) сәулеленудің жүгерінің мутациясына әсер ететінін көрсетті. 1940 жылдары Шарлотта Ауербах және Дж. М. Робсон қыша газының жеміс шыбындарының мутациясын тудыруы мүмкін екенін анықтады. Рентген сәулесі мен қыша газының әсерінен туындаған хромосомалық өзгерістер ертедегі зерттеушілерге оңай байқалса, басқа мутагендердің әсерінен ДНК-дағы басқа өзгерістер оңай көрінбейді; олардың пайда болу механизмі күрделі болуы мүмкін және оларды анықтау үшін көп уақыт қажет. Мысалы, 1775 жылы күйенің қатерлі ісікке себеп болатыны айтылды, ал 1915 жылы тас көмірдің қатерлі ісікті тудыратыны дәлелденді. Кейіннен екеуінде де қолданылатын химиялық заттардың полициклді ароматты көмірсутектер (ПАК) екені анықталды. ПАК-тың өзі канцерогенді емес, 1950 жылы ПАК-тың канцерогенді формалары клеткалық процестерде метаболиттер ретінде түзілетін оксидтер деп ұсынылды. Метаболиттік процесс 1960 жылдары цитохром P450 катализі ретінде анықталды, ол ДНК-мен өзара әрекеттесіп, аддукттарды немесе ДНК мен, осы жағдайда, цитохром P450 реакциясынан туындаған өнім молекулаларын құрай алады; ПАК аддукттарының мутацияға қалай әкелетінінің механизмі әлі де зерттелуде.
Мутация мен ДНК зақымдануының айырмашылығы
ДНҚ зақымдануы – ДНҚ құрылымындағы қалыптан тыс өзгерістер, олар ДНҚ көбейген кезде өзі қайталана алмайды. Ал мутация – бұл нуклеин қышқылының репликацияланатын тізбегінің өзгеруі; сондықтан мутация бір ұрпақтан екіншісіне мұрагерлікпен берілуі мүмкін. Зақымдану химиялық қосылу (аддукт), ДНҚ базасының құрылымдық бұзылуы (аномальды нуклеотид немесе нуклеотид фрагментін жасау), немесе ДНҚ-ның бір немесе екі тізбегінің үзілуі нәтижесінде туындауы мүмкін. Мұндай ДНҚ зақымдануы мутацияға алып келуі мүмкін. Зақымдалған ДНҚ көбейген кезде, жаңа толықтырылатын тізбекке қате негіз енгізілуі мүмкін (ДНҚ жөндеу § Транслезиялық синтез қараңыз). Жаңа тізбектегі қате енгізілу шаблон тізбегіндегі зақымдалған орынға қарама-қарсы болады, және бұл қате енгізілу келесі көбейтілу кезеңінде мутацияға (яғни өзгерген негіз жұбына) айналуы мүмкін. Сонымен қатар, ДНҚ-дағы екі тізбектің үзілуі дәл емес жөндеу процесі – гомолог емес ұштарды біріктіру арқылы жөнделуі мүмкін, бұл мутацияларды тудырады. Егер ДНҚ-ны жөндеудің нақты жүйелері ДНҚ зақымдануын тани отырып, оны келесі көбейтілу кезеңі аяқталғанға дейін жөндесе, мутациялардан аулақ болуға болады. Кем дегенде 169 фермент тікелей ДНҚ жөндеуге қатысады немесе ДНҚ жөндеу процестеріне әсер етеді. Олардың 83-і тікелей ДНҚ жөндеу процестерінің 5 түрінде қолданылады. ДНҚ зақымдануы (табиғи түрде пайда болатын) туралы мәліметтер бойынша, сүтқоректілердің ядролық ДНҚ-сы күніне бір жасушаға 60 000-нан астам зақымдану эпизодтарын бастан кешіруі мүмкін. Егер түзетілмесе, бұл аддукттар зақымдалған жерлерден тыс қате көбейтілуден кейін мутацияларға әкелуі мүмкін. Табиғатта пайда болатын мутациялар пайдалы немесе зиянды болуы мүмкін – бұл эволюцияның қозғаушы күші. Организм генетикалық мутация арқылы жаңа қасиеттерге ие болуы мүмкін, бірақ мутация гендердің функциясының бұзылуына да әкелуі мүмкін, ал ауыр жағдайларда организмнің өліміне себеп болуы мүмкін. Мутация бактерияларда антибиотиктерге, ал ашытқылар мен саңырауқұлақтардағы антифунгальды препараттарға төзімділіктің негізгі көзі болып табылады. Зертханалық жағдайда мутагенез – бұл мутацияларды жасауға арналған пайдалы әдіс, ол гендер мен ген өнімдерінің функцияларын егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік береді, жақсартылған қасиеттері немесе жаңа функциялары бар ақуыздарды, сондай-ақ пайдалы қасиеттері бар мутантты штаммдарды шығаруға мүмкіндік береді. Бастапқыда, мутацияны тудыратын радиация мен химиялық мутагендердің қабілеті кездейсоқ мутацияларды жасау үшін пайдаланылды, бірақ кейіннен нақты мутацияларды енгізу үшін әдістер әзірленді. Адамдарда ата-анадан ұрпаққа орташа есеппен 60 жаңа мутация беріледі. Алайда, еркектер өз жасына байланысты көбірек мутациялар береді, яғни әрбір қосымша жылға орташа есеппен екі жаңа мутацияны балаларына береді.
Механизмдер
Мутагенез эндогендік (мысалы, спонтанды гидролиз) жолмен, реактивті оттегі түрлерін және ДНК аддукттарын жасайтын қалыпты жасушалық процестер арқылы немесе ДНК репликациясы мен жөндеудегі қателер арқылы жүруі мүмкін. Көптеген химиялық мутагендер мутагендік қасиеттерге ие болу үшін биологиялық белсенділенуді қажет етеді. Мутагенді метаболиттердің түзілуіне қатысатын маңызды ферменттер тобы – цитохром P450. Басқа ферменттер, мутагенді метаболиттерді өндіруге қабілетті, – глутатион S трансфераза және микросомалық эпоксид гидролаза. Өздері мутагенді емес, бірақ биологиялық белсенділенуді қажет ететін мутагендер промутагендер деп аталады. Көптеген мутагендер репликациядағы қателерге әкелетін әсерлерді тудырады, мысалы, репликацияға кедергі келтіретін аддукттарды құрайды, бірақ кейбір мутагендер репликация процесіне тікелей әсер етуі немесе оның дәлдігін төмендетуі мүмкін. 5-бромурацил сияқты базалық аналогтар репликация кезінде тиминнің орнын баса алады. Кадмий, хром және никель сияқты металдар, ДНК-ның тікелей зақымдануынан өзге де көптеген жолдармен мутагенезді күшейте алады, мысалы, қателерді жөндеу қабілетін төмендету және эпигенетикалық өзгерістерді тудыру. Мутациялар көбінесе репликация кезінде ДНК зақымдануынан туындаған мәселелердің нәтижесінде пайда болады, бұл репликациядағы қателерге алып келеді. Бактерияларда мутагендердің салдарынан ДНК-ның кең ауқымды зақымдануы репликация кезінде бір тізбекті ДНК-ның үзілуіне әкеледі. Бұл SOS жауабын тудырады, бұл – төтенше жағдайлардағы жөндеу процесі, ол қателерге бейім, соның салдарынан мутациялар пайда болады. Сүтқоректілер жасушаларында зақымдалған жерлерде репликацияның тоқтауы ДНК зақымдануын айналып өтуге көмектесетін бірқатар құтқару механизмдерін іске қосады, бірақ бұл да қателерге алып келуі мүмкін. Y ДНК полимеразалар отбасысы транслезиялық синтез (TLS) деп аталатын процесте ДНК зақымдануын айналып өтуге маманданған, онда бұл зақымдануды айналып өтуге арналған полимеразалар тоқтап тұрған жоғары дәлдікті репликациялық ДНК полимеразасын алмастырады, зақымданудан өтеді және зақымдану аяқталғанша ДНК-ны ұзартады, осылайша қалыпты репликация жалғасады; бұл процестер қателі болуы немесе қатесіз болуы мүмкін.
ДНҚ зақымдануы және өздігінен мутациялануы
ДНҚ зақымдану эпизодтарының саны сүтқоректілердің жасушасында күніне жоғары болады (күніне 60 000-нан астам). ДНҚ зақымдануының жиі кездесуі ДНҚ барлық организмдер үшін мәселе болуы мүмкін, ал ДНҚ зақымданумен күресу және олардың зиянды әсерлерін азайту қажеттілігі тіршілік үшін негізгі мәселе болып табылады. Көптеген спонтанды мутациялар ДНҚ репликациясы кезінде матрицалық тізбектегі ДНҚ зақымдалған жерден қатеге бейім транслезиялық синтезден туындайды. Бұл процесс потенциалды өлімге әкелетін тосқауылдарды жеңе алады, бірақ оның құны жаңа ДНҚ-ға қателіктер енгізу болып табылады. ДНҚ зақымдануының спонтанды мутацияға себепті байланысын аэробты өсетін E. coli бактериясы көрсетеді, олардың 89% спонтанды түрде пайда болатын базалық алмастыру мутациялары реактивті оттегі түрлері (ROS) тудырған ДНҚ зақымдануынан пайда болады. Ашытқыда спонтанды бір базалық жұп алмасуы мен жойылуының 60% - дан астамы транслезиялық синтезден туындауы мүмкін. Эукариоттардағы мутацияның қосымша маңызды көзі – екі тізбектің үзілуін жөндеуде жиі қолданылатын гомолог емес ұштарды қосудың дәл емес ДНҚ жөндеу процесі. Жалпы алғанда, спонтанды мутацияның негізгі себебі ДНҚ репликациясы кезінде қатеге бейім транслезиялық синтез болып табылады, ал қатеге бейім гомолог емес ұштарды қосу жөндеу жолы эукариоттарда да маңызды рөл атқаруы мүмкін.
Өздігінен гидролиз
ДНҚ сулы ерітіндіде толыққанды тұрақты емес, және ДНҚ-ның депуринизациялануы мүмкін. Физиологиялық жағдайларда гликозидтік байланыс спонтанды түрде гидролизделiп, жасушадағы ДНҚ-дағы 10 000 пурин орнының күніне депуринизацияланатыны болжанады. ДНҚ-ны жөндеуге арналған көптеген жолдар бар; алайда, апуриндік орын жөнделмесе, репликация кезінде нуклеотидтердің қате енуі мүмкін. Аденин апуриндік орында ДНҚ полимеразалармен басымдықпен енгізіледі. Цитидин депуринизация жылдамдығының бес жүзден бірі мөлшерінде уридинге деаминациялануы мүмкін, бұл G-дан A-ға өтуге әкелуі мүмкін. Эукариоттық жасушаларда ген транскрипциясын бақылауға қатысатыны саналатын 5-метилцитозин де бар, ол тиминге деаминациялануы мүмкін.
Таутомеризм
Таутомеризация – қосылыстардың өздерінің құрылымдық изомерлік түрлерін қабылдауға спонтанды түрде қайта реттелу процесі. Мысалы, гуанин мен тиминнің кето (C=O) формалары сирек кездесетін энол (OH) формаларына айналуы мүмкін, ал аденин мен цитозиннің амино (NH2) формалары одан да сирек кездесетін имино (=NH) формаларына әкелуі мүмкін. ДНҚ көшірмесінде таутомеризация негіздердің жұптасу орындарын өзгертеді және нуклеин қышқылы негіздерінің қате жұптасуына себеп болуы мүмкін.
Негізгі негіздерді өзгерту
Негіздер эндогендік түрде қалыпты жасушалық молекулалар арқылы модификациялануы мүмкін. Мысалы, ДНК S-аденозилметионинмен метилирленуі мүмкін, осылайша ДНК тізбегінің өзінде мутация тудырмастан, белгіленген геннің экспрессиясын өзгертеді. Гистонды модификациялау – бұл ұқсас процесс, онда ДНК-ның айналасында оралатын гистонды ақуыздар метилирлеу, фосфорильдеу немесе ацетилдеу арқылы ұқсас түрде модификациялануы мүмкін; бұл модификациялар жергілікті ДНК-ның гендік экспрессиясын өзгертуге және жөндеуді қажет ететін зақымдалған ДНК-ның орналасқан жерін көрсетуге әсер етуі мүмкін. ДНК қанттарды азайту арқылы гликозилденуі де мүмкін. Көптеген қосылыстар, мысалы полициклді ароматты көмірсутектер (ПАҚ), ароматты аминдер, афлатоксин және пирролизидин алкалоидтары цитохром P450 катализдейтін реактивті оттегі түрлерін құрауы мүмкін. Бұл метаболиттер ДНК-мен аддукттар түзеді, бұл репликацияда қателерге әкелуі мүмкін, ал ірі ароматты аддукттар негіздер арасында тұрақты интеркаляция жасап, репликацияны тоқтатуы мүмкін. Адукттар ДНК-ның конформациялық өзгерістерін де тудыруы мүмкін. Кейбір аддукттар ДНК-ның депуринизациясына әкелуі мүмкін, бірақ аддукттардың тудырған депуринизациясы мутацияны қаншалықты тудыратыны әлі белгісіз. Негіздердің алкилденуі және арилденуі репликацияда қателерге себеп болуы мүмкін. Кейбір алкилдейтін заттар, мысалы N-нитрозаминдер, реактивті алкил катионының түзілуі үшін цитохром P450 катализдік реакциясын қажет етуі мүмкін. Гуаниннің N7 және O6, ал адениннің N3 және N7 орындары шабуылға ең осал. N7 гуанин аддукттары ДНК аддукттарының көп бөлігін құрайды, бірақ олар мутагенді емес сияқты көрінеді. Дегенмен, гуаниннің O6 алкилденуі зиянды, өйткені гуаниннің O6 аддуктының экзициялық жөнделуі ми сияқты кейбір тіндерде нашар болуы мүмкін. Гуаниннің O6 метилирленуі G-ден A-ға транзицияға әкелуі мүмкін, ал O4 метилтимин гуанинмен дұрыс жұптаспауы мүмкін. Алайда, туындаған мутацияның түрі аддукттың мөлшері мен түріне, сондай-ақ ДНК тізбегіне байланысты болуы мүмкін. Иондаушы сәулелену және реактивті оттегі түрлері көбінесе гуанинді окистендіріп, 8-оксогуанинді түзеді.
Мүйіздің зақымдануы
Иондаушы сәулелер ДНК-ның байланыстарын үзуге қабілетті, өте реактивті еркін радикалдарды тудыруы мүмкін. Екі тізгілі үзілістер ерекше қауіпті және жөндеуі қиын, хромосоманың бір бөлігінің транслокациясына және жойылуына себеп болады. Мысалы, горчичный газ сияқты алкилдеуші заттар да ДНК тізбегін үзуі мүмкін. Окистелу стресі ДНК-ға зиян келтіретін өте реактивті оттегі түрлерін де жасайды. Жоғары реактивті түрлердің тудырған басқа да зақымдануларын дұрыс жөндемеу де мутацияларға алып келуі мүмкін.
Тікелей байланыс
ДНК-дағы нуклеотидтердің негіздері арасындағы ковалентті байланыстар, олар бір тізбекте немесе қарама-қарсы тізбектерде болсын, ДНК-ның өзара байланысуы деп аталады; ДНК-ның өзара байланысуы ДНК-ның репликациясына және транскрипциясына әсер етуі мүмкін, және ол әртүрлі факторларға ұшырау салдарынан туындауы мүмкін. Табиғатта кездесетін кейбір химиялық заттар, мысалы, УФ сәулеленумен белсендірілген псоралендер және азот қышқылы да өзара байланысуды күшейте алады. Тізбектер аралық өзара байланысу (екі тізбек арасында) көбірек зақым келтіреді, себебі ол репликация мен транскрипцияны тоқтатады және хромосомалық үзілулерге және қайта құрылымдалуларға алып келуі мүмкін. Циклофосфамид, митомицин С және цисплатин сияқты кейбір өзара байланыстырушы заттар, олардың тез көбейетін жасушаларға жоғары уыттылығына байланысты, қатерлі ісікке қарсы химиотерапиялық препараттар ретінде қолданылады.
Димеризация
Димеризация – екі мономердің байланысы арқылы олигомердің түзілуі болып табылады, мысалы, УФ-сәулелену нәтижесінде пиримидин димерлерінің пайда болуы, бұл ДНК-дағы жақын орналасқан тиминдер арасында циклобутил сақинасының қалыптасуына себеп болады. Адам тері жасушаларында күнге қалыпты әсер етудің нәтижесінде күніне мыңдаған димерлер түзілуі мүмкін. ДНК полимераза η осы зақымдануларды қатесіз айналып өтуге көмектеседі; алайда, ксеродерма пигментозум сияқты ДНК жөндеу функциясы бұзылған адамдар күнге сезімтал және тері қатерлі ісігіне шалдығу қаупі жоғары. Клиникалық жағдайда, ісіктің УФ-сәулеленудің тікелей салдарынан пайда болғанын, күнге шамадан тыс көп әсер етуге байланысты туындайтын ерекше контекстке тән димеризация үлгісін анықтау үшін ДНК тізбегін зерттеу арқылы білуге болады.
Негіздер арасындағы интеркаляция
Этидий бромиді және профлавин сияқты химиялық заттардың жазық құрылымы оларға ДНК-дағы негіздер арасына енуге мүмкіндік береді. Бұл ену ДНК-ның негізгі тізбегін созуға алып келеді және жіптер арасындағы байланыс созылудан әлсірегендіктен, репликация кезінде ДНК-ның сығу мүмкіндігі артады. Алға қарай сығу нәтижесінде жойылма мутация, ал кері сығу нәтижесінде қосылма мутация пайда болады. Сонымен қатар, даунорубицин және доксорубицин сияқты антрациклиндердің ДНК-ға интеркалациясы топоизомераза II ферментінің жұмысына бөгет қойып, репликацияны тоқтатып, сондай-ақ митоздық гомологтық рекомбинацияны тудырады.
Инсерциялық мутагенез
Транспозондар және вирустар немесе ретротранспозондар ДНК тізбектерін геннің кодтау аймақтарына немесе функционалдық элементтеріне енгізіп, геннің іс-қимылын тоқтатуы мүмкін.