Введение
Мутагенез – это биологический процесс, представляющий собой общий процесс изменения генетической информации организма посредством возникновения мутаций. Он может происходить спонтанно в природе или в результате воздействия мутагенов, а также может быть осуществлен экспериментально в лабораторных условиях. Мутаген – это фактор, вызывающий мутации, будь то химический или физический, приводящий к увеличению частоты мутаций в генетическом коде организма. В природе мутагенез может приводить к раку и различным наследственным заболеваниям, а также является движущей силой эволюции. Мутагенез как научная дисциплина сформировался на основе работ Германа Мюллера, Шарлотты Ауэрбах и Дж. М. Робсона, выполненных в первой половине XX века.
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.
История
ДНК может быть модифицирована естественным или искусственным путем рядом физических, химических и биологических агентов, что приводит к мутациям. Герман Мюллер обнаружил, что "высокие температуры" способны вызывать мутации в генах в начале 1920-х годов, а в 1927 году продемонстрировал причинно-следственную связь с мутациями, проводя эксперименты с рентгеновской установкой и отмечая филогенетические изменения при облучении плодовых мух относительно высокой дозой рентгеновских лучей. Мюллер наблюдал ряд перестроек хромосом в своих экспериментах и предположил, что мутации могут быть причиной рака. Связь между воздействием радиации и раком была отмечена еще в 1902 году, через шесть лет после открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном и открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Льюис Штадлер, современник Мюллера, также показал влияние рентгеновских лучей на мутации ячменя в 1928 году и ультрафиолетового (УФ) излучения на кукурузу в 1936 году. В 1940-х годах Шарлотта Ауербах и Дж. М. Робсон обнаружили, что горчичный газ также может вызывать мутации у плодовых мух. В то время как изменения в хромосомах, вызванные рентгеновскими лучами и горчичным газом, были легко наблюдаемы для ранних исследователей, другие изменения в ДНК, вызванные другими мутагенами, были не так легко обнаружимы; механизм их возникновения может быть сложным и требует больше времени для изучения. Например, сажа предполагалась причиной рака еще в 1775 году, а канцерогенное действие угольной смолы было продемонстрировано в 1915 году. Позже было установлено, что химические вещества, участвующие в обоих случаях, являются полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Сами по себе ПАУ не являются канцерогенными, и в 1950 году было предложено, что канцерогенными формами ПАУ являются оксиды, образующиеся как метаболиты в ходе клеточных процессов. Метаболический процесс был идентифицирован в 1960-х годах как катализ цитохромом P450, который производит реактивные соединения, способные взаимодействовать с ДНК с образованием аддуктов – молекул-продуктов, возникающих в результате реакции ДНК и, в данном случае, цитохрома P450; однако механизм, посредством которого аддукты ПАУ вызывают мутации, все еще исследуется.
Различие между мутацией и повреждением ДНК
Повреждение ДНК – это аномальное изменение структуры ДНК, которое само по себе не может быть реплицировано при репликации ДНК. В отличие от этого, мутация – это изменение последовательности нуклеиновых кислот, которое может быть реплицировано; следовательно, мутация может передаваться по наследству от одного поколения к другому. Повреждение может возникнуть в результате химического присоединения (образования аддукта), структурного нарушения основания ДНК (создания аномального нуклеотида или фрагмента нуклеотида) или разрыва одной или обеих цепей ДНК. Такое повреждение ДНК может приводить к мутациям. Когда ДНК, содержащая повреждение, реплицируется, в новую комплементарную цепь может быть встроено неправильное основание в процессе ее синтеза (см. Ремонт ДНК § Транслезионный синтез). Неправильное встраивание в новую цепь произойдет напротив поврежденного участка в матричной цепи, и это неправильное встраивание может стать мутацией (т.е. измененной парой оснований) в следующем раунде репликации. Кроме того, двунитевые разрывы в ДНК могут быть восстановлены неточным процессом репарации, негомологичным соединением концов, который приводит к образованию мутаций. Мутаций обычно можно избежать, если точные системы репарации ДНК распознают повреждение ДНК и устраняют его до завершения следующего раунда репликации. По крайней мере 169 ферментов либо непосредственно участвуют в репарации ДНК, либо влияют на процессы репарации ДНК. Из них 83 непосредственно участвуют в 5 типах процессов репарации ДНК, указанных в таблице, представленной в статье «Ремонт ДНК». Ядерная ДНК млекопитающих может подвергаться более чем 60 000 эпизодам повреждений на клетку в день, как указано со ссылками в статье «Повреждение ДНК (естественное)». Если эти повреждения не будут устранены, эти аддукты, после ошибочной репликации мимо поврежденных участков, могут привести к мутациям. В природе возникающие мутации могут быть полезными или вредными – это движущая сила эволюции. Организм может приобретать новые признаки посредством генетической мутации, но мутация также может приводить к нарушению функции генов и, в тяжелых случаях, к гибели организма. Мутация также является основным источником приобретения устойчивости к антибиотикам у бактерий и к противогрибковым препаратам у дрожжей и плесени. В лабораторных условиях мутагенез является полезным методом для создания мутаций, позволяющим детально изучить функции генов и продуктов генов, получая белки с улучшенными характеристиками или новыми функциями, а также мутантные штаммы с полезными свойствами. Изначально способность радиации и химических мутагенов вызывать мутации использовалась для генерации случайных мутаций, но позже были разработаны методы для введения специфических мутаций. У людей в среднем 60 новых мутаций передаются от родителей к потомству. Однако мужчины, как правило, передают больше мутаций в зависимости от возраста, передавая в среднем две новые мутации своему потомству с каждым дополнительным годом жизни.
Механизмы
Мутагенез может происходить эндогенно (например, спонтанный гидролиз), в результате нормальных клеточных процессов, способных генерировать реактивные формы кислорода и аддукты ДНК, или из-за ошибок в репликации и репарации ДНК. Многие химические мутагены требуют биологической активации для проявления мутагенного действия. Важной группой ферментов, участвующих в образовании мутагенных метаболитов, является цитохром P450. Другие ферменты, которые также могут продуцировать мутагенные метаболиты, включают глутатион-S-трансферазы и микросомальную эпоксидгидролазу. Мутагены, сами по себе не мутагенные, но требующие биологической активации, называются промутагенами. В то время как большинство мутагенов приводят к эффектам, которые в конечном итоге вызывают ошибки в репликации, например, формируя аддукты, препятствующие репликации, некоторые мутагены могут непосредственно влиять на процесс репликации или снижать его точность. Основания-аналоги, такие как 5-бромурацил, могут замещать тимин в процессе репликации. Металлы, такие как кадмий, хром и никель, могут усиливать мутагенез различными способами, помимо прямого повреждения ДНК, например, снижая способность к восстановлению ошибок и вызывая эпигенетические изменения. Мутации часто возникают из-за проблем, вызванных повреждениями ДНК во время репликации, что приводит к ошибкам репликации. У бактерий обширные повреждения ДНК, вызванные мутагенами, приводят к образованию одноцепочечных разрывов ДНК во время репликации. Это индуцирует SOS-ответ, аварийный процесс репарации, который также склонен к ошибкам, тем самым генерируя мутации. В клетках млекопитающих остановка репликации в местах повреждений индуцирует ряд механизмов восстановления, которые помогают обходить повреждения ДНК, однако это также может приводить к ошибкам. Y-семейство ДНК-полимераз специализируется на обходе повреждений ДНК в процессе, называемом транслезионным синтезом (TLS), при котором эти полимеразы обхода повреждений замещают застрявшую высокоточную репликативную ДНК-полимеразу, преодолевают повреждение и удлиняют ДНК до тех пор, пока повреждение не будет обойдено, чтобы нормальная репликация могла возобновиться; эти процессы могут быть подвержены ошибкам или протекать без ошибок.
Повреждение ДНК и спонтанная мутация
Количество эпизодов повреждения ДНК, происходящих в клетке млекопитающих в течение дня, велико (более 60 000 в день). Частое возникновение повреждений ДНК, вероятно, представляет собой проблему для всех организмов, содержащих ДНК, а необходимость справляться с повреждениями ДНК и минимизировать их негативные последствия, вероятно, является фундаментальной проблемой для жизни. Большинство спонтанных мутаций, по-видимому, возникают в результате неточного транслезионного синтеза, обходящего участок повреждения ДНК в матричной цепи во время репликации ДНК. Этот процесс позволяет преодолевать потенциально летальные блоки, но ценой внесения неточностей в дочернюю ДНК. Причинно-следственная связь между повреждением ДНК и спонтанной мутацией иллюстрируется ростом аэробных бактерий *E. coli*, у которых 89% спонтанно возникающих мутаций замещения оснований обусловлены повреждением ДНК, вызванным реактивными формами кислорода (ROS). У дрожжей более 60% спонтанных однонуклеотидных замен и делеций, вероятно, вызваны транслезионным синтезом. Дополнительным значительным источником мутаций у эукариот является неточный процесс репарации ДНК – не гомологичное соединение концов, которое часто используется при восстановлении разрывов двойной спирали. В целом, представляется, что основной причиной спонтанных мутаций является неточный транслезионный синтез во время репликации ДНК, а неточный путь репарации не гомологичным соединением концов также может быть важным фактором у эукариот.
Спонтанный гидролиз
ДНК не является полностью стабильной в водном растворе, и может происходить депуринизация ДНК. В физиологических условиях гликозидная связь может спонтанно гидролизоваться, и, по оценкам, в клетке ежедневно депуринируется 10 000 пуриновых оснований в ДНК. Существует множество путей восстановления ДНК, однако, если апуриновый участок не восстановлен, во время репликации может произойти ошибочная инкорпорация нуклеотидов. ДНК-полимеразы предпочтительно включают аденин в апуриновый участок. Цитидин также может деаминироваться в уридин со скоростью, составляющей одну пятьсотую от скорости депуринизации, что может привести к переходу G в A. Эукариотические клетки также содержат 5-метилцитозин, который предположительно участвует в контроле транскрипции генов и может деаминироваться в тимин.
Таутомеризм
Таутомеризация – это процесс, при котором соединения спонтанно перестраиваются, принимая свои структурные изомерные формы. Например, кето (C=O) формы гуанина и тимина могут перестраиваться в их редкие енольные (OH) формы, а амино (NH2) формы аденина и цитозина могут приводить к еще более редким имино (=NH) формам. При репликации ДНК таутомеризация изменяет сайты спаривания оснований и может вызывать неправильное спаривание нуклеотидных оснований.
Изменение оснований
Основания могут быть модифицированы эндогенно нормальными клеточными молекулами. Например, ДНК может быть метилирована S-аденозилметионином, тем самым изменяя экспрессию гена, не вызывая мутации в самой последовательности ДНК. Модификация гистонов – это связанный процесс, при котором белки гистонов, вокруг которых наматывается ДНК, могут быть аналогичным образом модифицированы посредством метилирования, фосфорилирования или ацетилирования; эти модификации могут изменять экспрессию генов локальной ДНК, а также обозначать участки поврежденной ДНК, нуждающейся в репарации. ДНК также может быть гликозилирована восстанавливающимися сахарами. Многие соединения, такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), ароматические амины, афлатоксины и пирролизидиновые алкалоиды, могут образовывать реактивные формы кислорода, катализируемые цитохромом P450. Эти метаболиты образуют аддукты с ДНК, которые могут вызывать ошибки при репликации, а объемные ароматические аддукты могут стабильно интеркалировать между основаниями и блокировать репликацию. Аддукты также могут индуцировать конформационные изменения в ДНК. Некоторые аддукты могут приводить к депуринированию ДНК; однако, степень влияния такого депуринирования, вызванного аддуктами, на возникновение мутаций, остается неясной. Алкилирование и арилирование оснований могут вызывать ошибки при репликации. Некоторые алкилирующие агенты, такие как N-нитрозоамины, могут требовать каталитической реакции цитохрома P450 для образования реактивного алкильного катиона. Наиболее восприимчивы к атаке N7 и O6 гуанина, а также N3 и N7 аденина. Аддукты гуанина в положении N7 составляют основную массу аддуктов ДНК, но, по-видимому, не являются мутагенными. Однако алкилирование гуанина в положении O6 вредно, поскольку эксизионная репарация аддукта гуанина в положении O6 может быть неэффективной в некоторых тканях, таких как мозг. Метилирование гуанина в положении O6 может приводить к переходу G в A, а O4-метилтимин может неправильно спариваться с гуанином. Тип возникающей мутации, однако, может зависеть от размера и типа аддукта, а также от последовательности ДНК. Ионизирующее излучение и реактивные формы кислорода часто окисляют гуанин, образуя 8-оксогуанин.
Повреждение позвоночника
Ионизирующее излучение может образовывать высокореактивные свободные радикалы, способные разрывать связи в ДНК. Двухцепочечные разрывы особенно опасны и трудно поддаются восстановлению, приводя к транслокациям и делециям части хромосомы. Алкилирующие агенты, такие как горчичный газ, также могут вызывать разрывы в цепи ДНК. Окислительный стресс также может генерировать высокореактивные формы кислорода, способные повреждать ДНК. Некорректное восстановление других повреждений, вызванных высокореактивными частицами, также может приводить к мутациям.
Ссылки на другие сайты
Ковалентные связи между основаниями нуклеотидов в ДНК, будь то в одной цепи или в противоположных цепях, называются сшиванием ДНК; сшивание ДНК может влиять как на репликацию, так и на транскрипцию ДНК и может быть вызвано воздействием различных факторов. Некоторые химические вещества, встречающиеся в природе, также могут способствовать сшиванию, такие как псоралены после активации УФ-излучением и азотистая кислота. Сшивание между цепями (между двумя цепями) вызывает больший ущерб, поскольку блокирует репликацию и транскрипцию и может приводить к хромосомным разрывам и перестройкам. Некоторые агенты сшивки, такие как циклофосфамид, митомицин С и цисплатин, используются в качестве противораковых химиотерапевтических препаратов из-за их высокой токсичности для пролиферирующих клеток.
Димеризация
Димеризация заключается в соединении двух мономеров с образованием олигомера, например, образование пиримидиновых димеров в результате воздействия ультрафиолетового излучения, которое способствует формированию циклобутильного кольца между соседними тиминами в ДНК. В клетках кожи человека тысячи димеров могут образовываться ежедневно из-за нормального воздействия солнечного света. ДНК-полимераза η может способствовать обходу этих повреждений без ошибок; однако, люди с нарушенной функцией репарации ДНК, такие как пациенты с ксеродермой пигментной, чувствительны к солнечному свету и подвержены риску развития рака кожи. Клинически, установить, сформировалась ли опухоль как прямое следствие воздействия ультрафиолетового излучения, можно посредством анализа секвенирования ДНК для выявления характерного контекстно-зависимого паттерна димеризации, возникающего при чрезмерном воздействии солнечного света.
Интеркаляция между основаниями
Плоская структура химических веществ, таких как бромид этидия и профлавин, позволяет им внедряться между основаниями в ДНК. Это внедрение вызывает растяжение цепи ДНК и повышает вероятность проскальзывания ДНК во время репликации, поскольку растяжение ослабляет связь между нитями. Прямое проскальзывание приводит к делеционной мутации, а обратное – к мутации вставки. Кроме того, интеркаляция в ДНК антрациклинов, таких как даунорубицин и доксорубицин, нарушает работу фермента топоизомеразы II, блокируя репликацию и вызывая митотическую гомологичную рекомбинацию.
Инсерционный мутагенез
Транспозоны, вирусы или ретротранспозоны могут вставлять последовательности ДНК в кодирующие области или функциональные элементы гена, что может привести к инактивации гена.