Termin "mutacja" do nauki wprowadził Hugo de Vries w roku 1909. Mutacja to zmiana w materiale genetycznym, powstająca samorzutnie lub pod wpływem różnych czynników. Mutacja może być dziedziczona, jeśli nastąpiła w linii komórek płciowych.
Rodzaje mutacji:
genowe (punktowe) - zachodzą na odcinku DNA krótszym niż jeden gen; polegają na zmianie właściwej sekwencji nukleotydów (zamianie, wycięciu lub wstawieniu par pojedynczych nukleotydów lub odcinków trochę dłuższych)
chromosomowe - dotyczą zmiany struktury chromosomów lub ich liczby
strukturalne (aberracje) - polegają na zmianie struktury w obrębie jednego chromosomu lub pomiędzy chromosomami niehomologicznymi
liczbowe (genomowe) - dotyczą zmiany całego genomu, który zostaje zubożony lub powiększony o jeden chromosom lub też zwielokrotniony całkowicie (o całe "n"); są wynikiem zaburzenia procesów podziałowych, konkretnie nieprawidłowego rozejścia się chromosomów
mutacja genowa zwane także nukleotydową (zmiany na poziomie pojedynczych nukleotydów)
substytucja (w niektórych źródłach mutacja punktowa):
Za polimorfizm uznawana jest zmiana w sekwencji nukleotydów występująca w populacji z częstością większą niż 1% i na ogół nie prowadząca do zmian w sekwencji kodowanego przez dany gen polipeptydu. Polimorfizm może dotyczyć pojedynczego nukleotydu, lub dłuższej powtarzającej się wielokrotnie określonej sekwencji. Najczęściej występującym typem zmienności sekwencji DNA genomowego jest polimorfizm pojedynczego nukleotydu, tzw. SNP (ang. single nucleotide polymorphism), polegający na zastąpieniu pojedynczego nukleotydu innym. Stanowi on 90% wszystkich różnic w sekwencji. Liczbę tego typu markerów w DNA genomowym człowieka szacuje się na ok. 3 mln.
Tak więc molekularny mechanizm powstawania zmian polimorficznych i mutacji jest identyczny; natomiast różnica między nimi polega na częstości występowania – znacznie wyższej w przypadku polimorfizmów – oraz na konsekwencjach zmiany w odniesieniu do polipeptydu i cech fenotypowych. Zmiany polimorficzne powstały w przeszłości i powstają prawdopodobnie obecnie, stanowiąc element zmienności genomu. Analiza polimorfizmów może być jednym z narzędzi do poznania zarówno ewolucji ludzkiego genomu oraz śledzenia międzygatunkowych różnic w sekwencji DNA. Zakłada się, że jeśli zmiany zostały utrwalone przez środowiskowe czynniki selekcjonujące, to oznacza, że w czasie ewolucji, musiały być dla gatunku korzystne z punktu widzenia przeżycia i reprodukcji.
Mutagenem nazywa się każdy czynnik, który wywołuje mutacje. Czynnik taki zmienia materiał genetyczny. Do najważniejszych czynników mutagennych należą: mutageny chemiczne, mutageny fizyczne oraz mutageny biologiczne. Wśród mutagenów chemicznych możemy wyróżnić następujące: niektóre kwasy, czyli na przykład kwas azotowy (III), aminy, na przykład anilina, pestycydy, niektóre gazy bojowe, na przykład iperyt, który jest czynnikiem alkilującym DNA, barwniki wiążące DNA, benzopiren, który znajduje się w dymie tytoniowym, dioksyny oraz prawie wszystkie związki aromatyczne. Do mutagenów fizycznych należą na przykład: promieniowanie jonizujące, a w tym promieniowanie gamma oraz promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie kosmiczne, wysoka temperatura, szok termiczny, bodźce traumatyczne takie jak urazy oraz niektóre wirusy, a zwłaszcza retrowirusy. W celu wykrycia mutagenu stosuje się specjalny test Amesa. Natomiast do mutagenów biologicznych możemy zaliczyć między innymi: wirus różyczki oraz wirus opryszczki, pierwotniaki, które wywołują toksoplazmozę oraz grzyby pleśniowe. Toksyczność jest z kolei cechą związków chemicznych. Cecha ta polega na powodowaniu zaburzeń funkcji albo też na śmierci komórek żywych, organów albo organizmów. Związki toksyczne wywierają działanie toksyczne poprzez wchłonięcie drogą doustną, drogą oddechową albo też poprzez absorpcję przez skórę.
Czynnik teratogenny a. teratogen (od teratos, potwór) – czynnik pochodzący ze środowiska zewnętrznego, działający na organizm kobiety i płodu, wywołujący wady wrodzone u płodu.
Wyróżnia się wśród nich czynniki:
biologiczne:
infekcje wirusowe i bakteryjne
zaburzenia metaboliczne
fizyczne
chemiczne:
niektóre leki,
niektóre witaminy w dużych dawkach, np. witamina A
związki chemiczne występujące w środowisku
Szybkość mutacji wzrasta, gdy komórki są wystawione na działanie czynników chemicznych lub fizycznych zwanych mutagenami. Reagują bezpośrednio z DNA i zmieniają strukturę pojedynczych nukleotydów. Może to prowadzić do takich zmian i zaburzeń w parowaniu zasad ze podczas replikacji DNA niewłaściwa zasada wbudowywana jest naprzeciw zasady zmodyfikowanej zmieniając w ten sposób sekwencję DNA. Dodatkowa replikacja utrwala zmianę tworząc zmutowana sekwencję DNA. Mutageny działają w różny sposób i powodują poważne fizyczne uszkodzenia DNA, które blokują replikację lub transkrypcję DNA. Wiele różnych naturalnych i syntetycznych, organicznych i nieorganicznych związków chemicznych może reagować z DNA zmieniając jego strukturę i powodując mutacje. Większość mutagenów chemicznych jest rakotwórcza i sprzyja powstawaniu nowotworów. Mutacje może powodować dodatkowo szereg czynników fizycznych. Dotyczy to promieniowania jonizującego w postaci promieni X i gamma, promieniowania niejonizujacego, a zwłaszcza światła ultrafioletowego i ciepła.
Naprawa przez wycięcie nukleotydu (ang. nucleotide excision repair, NER) – mechanizm naprawy DNA w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych mający na celu usuwanie uszkodzeń DNA spowodowanych czynnikami chemicznymi lub fizycznymi, takimi jak promieniowanie UV.
W mechanizmie NER u człowieka uczestniczą następujące białka:
XPC
TFIIH: XPB, XPD (helikazy)
RPA (HSSP)
XPG, ERCC1/XPF (egzonukleazy)
polimeraza DNA δ lub ε
Mechanizm NER usuwa duże uszkodzenia DNA zniekształcające strukturę podwójnej helisy (ang. bulky distortions). W pierwszym etapie NER uszkodzenie jest rozpoznawane na drodze niezależnej od ATP przez białko XPA, po którym następuje zależny od ATP etap formowania kompleksu "preincision". Do białek wchodzących w skład kompleksu mogą należeć XPC, XPB i XPD, chociaż niewykluczone że część z nich może odgrywać rolę czynników rekrutujących i oddysocjowywać po utworzeniu kompleksu. Następnie duży fragment DNA (około 30 par zasad) jest usuwany przez nukleazę wycinającą (endonukleazę). Endonukleaza (XPG, XPF) nacina nić DNA w dwóch miejscach, kolejność 3’ czy 5’ jest losowa. Następnie usunięty odcinek jest zastępowany na drodze dokładnego parowania zasad, dzięki aktywności enzymu polimerazy DNA δ albo polimerazy ε, w obecności PCNA i RFC. Proces syntezy naprawczej kończy reakcja ligazy, łączącej końce wstawki z resztą nici DNA.
O ważnej roli mechanizmu NER u człowieka świadczą choroby genetyczne spowodowane mutacjami w genach kodujących białka biorące w nim udział. Do tej grupy schorzeń należą:
xeroderma pigmentosum, siedem postaci spowodowane mutacjami w genach kodujących XPA-XPG
zespół Cockayne’a, dwie postaci (A i B) spowodowane mutacjami w genie kodującym ERRC-6
trichotiodystrofia (TTD), spowodowana mutacjami w genach kodujących XPB, XPD albo inną podjednostkę TFIIH.
Mutageny chemiczne Do podstawowych grup mutagenów chemicznych należą: • Analogi zasad azotowych • Czynniki de aminujące • Czynniki interkalające • Związki alkilujące • Reaktywne formy tlenu i wolne rodniki tlenowe • Policykliczne węglowodory aromatyczne Analogi zasad – są to puryny i pirymidyny, które są wystarzająco podobne do typowych zasad azotowych aby mogły być włączone do łańcuchów DNA podczas replikacji. Powodują mutacje punktowe typu tranzycji lub trans wersji. Czynniki inerkalujące – barwniki akrydynowe. Związki te są płaskimi cząsteczkami złożonymi z kilku pierścieni, wnikają między pary zasd azotowych w łańcuchu DNA, zwiększając odległość pomiędzy sąsiednimi parami zasad. Powodują poślizg” polimerazy DNA podczas replikacji, indukują mutacje typu insercji i delecji, co prowadzi do zmiany ramki odczytu. Związki alkilujące – wprowadzają grupy alkilowe (metylowe, etylowe) do zasad azotowych, głównie purynowych. np. grupa alkilowa w pozycji 7 azotu pierścienia guaniny powoduje osłabienie wiązania guaniny z pentozą i oddzielenie tej zasady od łańcucha DNA. Jest to tzw. Proces depurynizacji DNA, skutkiem którego sa mutacje punktowe – tranzycie i trans wersje. Produktem alkilacji reszt fosforanowych w DNA są fosfotrójestry. Hydroliza wytworzonych w tej reakcji nietrwałych wiązań może doprowadzić do przerwania łańcucha DNA. Czynniki de aminujące – (kwas azotowy, dwusiarczan sodowy) – powodują usunięcie grupy aminowej z zasad nukleotydu. Skutkiem deaminacji jest powstanie zmodyfikowanej zasady o odmiennych właściwościach parowania. Wolne rodniki i reaktywne związki tlenu - powstają m.in. pod wpływem promieniowania jonizującego. Powodują uszkodzenia zasad azotowych, reszt cukrowych, rozerwanie łańcucha fosfodiestrowego, powstawanie wiązań krzyżowych w DNA oraz pomiędzy DNA i białkami chromatyny. Pęknięcia nici DNA pod wpływem wolnych rodników tlenowych prowadzą do aberracji strukturalnych chromosomów. Do mutagenów chemicznych należą także niektóre leki. Do leków takich należą:
• cytostatyki; busulfan, methotrekstat, • antybiotyki o właściwościach cytostatycznych – aktynomycyna C i D, daunomycyna Związki chemiczne występujące w produktach żywnościowych • produkty pirolizy aminokwasów (heterocykliczne aminy aromatyczne) • miko toksyny (aflatoksyny – Aspergillus, Penicyllium, Fusarium) • środki konserwujące (azotany)