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.

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.