Мутагенеза ― постапка со која генетските информации на организмот се менувани со настанок на мутација. Може да биде појавена спонтано во природата или како резултат на изложеност на мутагени. Може да биде постигнатна и опитно со користење на лабораториски процедури. Мутагенот е агенс што предизвикува мутација, било да е тоа хемиски или физички, што резултира со зголемена стапка на мутации во генетскиот код на организмот. Во природата, мутагенезата може да доведе до рак и разни наследни болести, а исто така е движечка сила на еволуцијата. Мутагенезата како наука била развиена врз основа на работата направена од Херман Мулер, Шарлот Ауербах и Џон Робсон во првата половина на 20 век.
Историја ДНК може да биде изменета, природно или вештачки, со помош на голем број физички, хемиски и биолошки агенси, што резултира со мутации. Херман Мулер открил дека „високите температури“ имаат способност да мутираат гени во раните 1920-ти, и во 1927 година, покажал причинско-последична врска со мутацијата при испитување со машина за рендген, забележувајќи ги филогенетските промени при зрачењето врз овошните мувите со релативно висока доза на рендгенски зраци. Мулер забележал голем број хромозомски преуредувања во неговите опити и предложил мутација како причина за рак. Поврзаноста на изложеноста на зрачење и ракот била забележана уште во 1902 година, шест години по откривањето на рендгенските зраци од Вилхелм Рентген и откривањето на радиоактивноста од страна на Анри Бекерел. Луис Стадлер, современикот на Мулер, исто така, го покажал ефектот на рендгенските зраци на мутациите во јачменот во 1928 година и на ултравиолетовото зрачење врз пченката во 1936 година. Во 1940-тите, Шарлот Ауербах и Џ Робсон откриле дека иперитниот гас може да предизвика мутации и кај овошните муви.
Додека промените во хромозомот предизвикани од рендгенски зраци и иперит биле лесно забележливи за раните истражувачи, други промени на ДНК предизвикани од други мутагени не биле толку лесно забележливи; механизмот со кој тие се појавуваат може да биде сложен и да биде потребно подолго време за да биде разоткриен. На пример, саѓите биле предложувани како причина за рак уште во 1775 година, и било докажано дека јагленот катран предизвикува рак во 1915 година. Подоцна било покажано дека хемикалиите вклучени во двете се полициклични ароматични јаглеводороди. Полицикличните ароматични јаглеводороди сами по себе не се ракородни, а во 1950 година било предложено дека ракородните облици на полицикличните ароматични јаглеводороди се оксидите произведени како метаболити од клеточните постапки. Метаболичката постапка била идентификувана во 1960-тите како катализа од цитохром P450, кој произведува реактивни видови кои можат да општат со ДНК за да образуваат адукти или производни молекули кои произлегуваат од реакцијата на ДНК и, во овој случај, цитохром P450; механизмот со кој адуктите на полицикличните ароматични јаглеводороди доведуваат до мутација, сепак, сè уште е под истрага.
Разлика помеѓу мутација и оштетување на ДНК Оштетувањето на ДНК е абнормална промена во структурата на ДНК која сама по себе не може да се реплицира. Спротивно на тоа, мутација е промена во низата на нуклеинска киселина која може да се реплицира; оттука, мутација може да биде наследена од една генерација до друга. Оштетувањето може да настане од хемиско додавање (адукт) или структурно нарушување на базата на ДНК (создавање абнормален нуклеотид или нуклеотиден фрагмент) или прекин на една или двете нишки на ДНК. Таквото оштетување на ДНК може да резултира со мутација. Кога се реплицира оштетување што содржи ДНК, може да биде вметната погрешна база во новата комплементарна низа додека е синтетизирана (видете статија Поправка на ДНК § Синтеза на транслезија). Неправилното вметнување во новата влакно ќе се случи спроти оштетеното место во шаблонот, и ова неправилно вметнување може да стане мутација (т.е. променет базен пар) во следниот круг на репликација. Понатаму, прекините на двојни влакна во ДНК може да бидат поправени со неточна постапка на поправка, нехомологно завршно спојување, што создава мутации. Мутациите вообичаено може да бидат избегнати ако точните системи за поправка на ДНК препознаат оштетување на ДНК и го поправаат пред завршувањето на следниот круг на репликација. Најмалку 169 ензими или директно се користени во поправка на ДНК или влијаат на постапките за поправка на ДНК. Од нив, 83 се директно вклучени во петте вида процеси за поправка на ДНК.
Јадрената ДНК на цицачите може да одржува повеќе од 60.000 епизоди на оштетување по клетка дневно, како што е наведено со референци во оштетување на ДНК во природни услови. Ако се оставени непоправени, овие адукти, по погрешна репликација покрај оштетените места, може да доведат до мутации. Во природата, мутациите што се појавуваат може да бидат корисни или штетни - ова е движечката сила на еволуцијата. Организмот може да стекне нови особини преку генетска мутација, но мутацијата може да резултира и со нарушена функција на гените и, во тешки случаи, да предизвика смрт на организмот. Мутацијата е исто така главен извор за стекнување на отпорност на антибиотици кај бактериите и на противгабни агенси кај квасецот и мувлата. Во лабораториски услови, мутагенезата е корисна техника за создавање мутации што овозможува детално испитување на функциите на гените и генските производи, произведувајќи белковини со подобрени особини или нови функции, како и мутант соеви со корисни својства. Првично, способноста на зрачењето и хемиските мутагени да предизвикаат мутација била искористена за да бидат создадени случајни мутации, но подоцна биле развиени техники за воведување специфични мутации.
Кај луѓето, во просек се пренесувани 60 нови мутации од родител кон потомство. Меѓутоа, мажите имаат тежнеење да пренесуваат повеќе мутации во зависност од нивната возраст, пренесувајќи во просек две нови мутации на нивните потомци со секоја дополнителна година од нивната возраст.
Механизми Мутагенезата може да биде појавена ендогено (на пр. спонтана хидролиза), преку нормални клеточни постапки кои можат да создаваатреактивни кислородни видови и адукти на ДНК, или преку грешка во репликацијата и поправката на ДНК. Мутагенезата може да се појави и како резултат на присуството на мутагени во животната средина, кои предизвикуваат промени во ДНК на организмот. Механизмот со кој се јавува мутација варира во зависност од вклучениот мутаген, или предизвикувачкиот агенс. Повеќето мутагени делуваат директно или индиректно преку мутагени метаболити на ДНК на организмот, создавајќи лезии. Некои мутагени, сепак, може да влијаат на механизмот за репликација или хромозомска поделба и други клеточни постапки.
Мутагенезата, исто така, може да биде самоиндуцирана од едноклеточни организми кога условите на животната средина се ограничувачки за растот на организмот, како што се бактерии кои растат во присуство на антибиотици, квасец што расте во присуство на антигабичен агенс или други едноклеточни организми кои растат во средина во која нема неопходна хранлива материја.
Многу хемиски мутагени бараат биолошко активирање за да станат мутагени. Важна група на ензими вклучени во создавањето мутагени метаболити е цитохромот P450. Други ензими кои исто така можат да произведат мутагенски метаболити се глутатион S-трансфераза и микрозомска епоксидна хидролаза. Мутагените кои сами по себе не се мутагени, но бараат биолошко активирање се нарекувани промутагени.
Додека повеќето мутагени произведуваат ефекти кои на крајот резултираат со грешки во репликацијата, на пример создавање адукти кои се мешани во репликацијата, некои мутагени може директно да влијаат на постапката на репликација или да ја намалат неговата верност. Основниот аналог како што е 5-бромоурацил може да го замени тиминот при репликација. Металите како што се кадмиумот, хромот и никелот може да ја зголемат мутагенезата на повеќе начини, покрај директното оштетување на ДНК, на пример, да ја намалат способноста за поправка на грешки, како и да создаваат епигенетски промени.
Мутациите често се јавуваат како резултат на проблеми предизвикани од лезии на ДНК за време на репликацијата, што резултира со грешки во репликацијата. Кај бактериите, големото оштетување на ДНК поради мутагени резултира со едноверижна ДНК празнини за време на репликацијата. Ова предизвикува „SOS“ одговор, постапка на итна поправка, кој исто така е склона кон грешки, а со тоа создава мутации. Во клетките на цицачите, застојот на репликацијата на оштетените места предизвикува голем број механизми за спасување кои помагаат да се заобиколат лезиите на ДНК, но тоа исто така може да резултира со грешки. Семејството Y на ДНК-полимерази е специјализирана за пренасочување на лезија на ДНК во постапка наречена транслезиска синтеза при што овие лезиско-пренасочени полимерази ја заменуваат застојаната репликативна ДНК-полимераза со висока верност, ја пренесуваат лезијата и ја продолжуваат ДНК додека не биде помината лезијата, за нормалната репликација да може да продолжи; овие постапки може да бидат склони кон грешки или без грешки.
Оштетување на ДНК и спонтана мутација Бројот на епизоди на оштетување на ДНК што се случуваат во клетка на цицач дневно е висок (повеќе од 60.000 дневно). Честата појава на оштетување на ДНК е веројатно проблем за сите организми кои содржат ДНК, а потребата за справување со оштетувањето на ДНК и минимизирање на нивните штетни ефекти е веројатно основен проблем за животот.
Повеќето спонтани мутации веројатно произлегуваат од транслезиска синтеза склона кон грешки покрај местото на оштетување на ДНК во шаблонот за време на репликацијата на ДНК. Оваа постапка може да ги надмине потенцијалните смртоносни блокади, но по цена на воведување неточности во ДНК-ќерката. Причинската врска на оштетувањето на ДНК со спонтана мутација е илустрирана со аеробно растечката бактерија E. coli, во која 89% од спонтано настанатите мутации за замена на базата се предизвикани од оштетување на ДНК предизвикано од реактивни видови кислород. Кај квасецот, повеќе од 60% од спонтаните замени и бришења на парови со една база најверојатно се предизвикани од транслезиска синтеза.
Дополнителен значаен извор на мутации кај еукариотите е неточната постапка на нехомологното завршно поврзување при поправката на ДНК, што често е користено за поправка на прекини на двојни влакна.
Општо земено, се чини дека главната основна причина за спонтана мутација е транслезиската синтеза склона кон грешки за време на репликацијата на ДНК и дека патеката за поправка на нехомологно завршно спојување склоно кон грешка, исто така, може да биде важен придонесувач кај еукариотите.
Спонтана хидролиза ДНК не е целосно стабилна во воден раствор и може да дојде до депуринација на ДНК. Под физиолошки услови , гликозидната врска може да се хидролизира спонтано и е проценувано дека 10.000 пурински места во ДНК се депуринирани секој ден во клетката. Постојат бројни патишта за поправка на ДНК во самата ДНК; сепак, ако апуринското место не е поправено, може да дојде до погрешно вклучување на нуклеотидите за време на репликацијата. Аденинот е преференцијално вклучен од ДНК-полимеразите во апуринско место.
Цитидинот, исто така, може да биде деаминиран во уридин со една петстотинка од стапката на депуринација и може да резултира со преод од Г во А. Еукариотските клетки исто така содржат 5-метилцитозин, за кој е сметан дека е вклучен во контролата на транскрипцијата на гените, кој може да биде деаминиран во тимин.
Тавтомеризам Тавтомеризацијата е постапка со кој соединенијата спонтано се преуредувани за да ги добијат нивните структурни изомерни облици. На пример, кето (C=O) облиците на гванин и тимин може да се преуредат во нивните ретки облици на енол (-OH), додека амино (-NH2) облиците на аденин и цитозин може да резултираат со поретко имино (=NH) облици. Во репликацијата на ДНК, тавтомеризацијата ги менува местата за спарување на базите и може да предизвика неправилно спарување на базите на нуклеинската киселина.
Изменување на базите