A mutaxénese é o proceso polo cal a información xenética dun organismo cambia debido a que se orixinou unha mutación. Pode ocorrer espontaneamente na natureza ou como resultado da exposición a mutáxenos. Pode conseguirse experimentalmente usando procedementos de laboratorio. Un mutáxeno é un axente causante de mutacións (axente mutaxénico), que pode ser químico ou físico, que dá lugar a un incremento na taxa de mutación na información xenética dun organismo. Na natureza a mutaxénese pode conducir á formación dun cancro e a diversas doenzas herdables, pero é tamén unha forza que pula a evolución. A mutaxénese como ciencia desenvolveuse baseándose nos traballos que fixeron Hermann Muller, Charlotte Auerbach e J. M. Robson na primeira metade do século XX.
Historia
O ADN pode ser modificado de forma natural ou artificialmente por diversos axentes físicos, químicos e biolóxicos, orixinándose mutacións. Hermann Muller atopou a inicios da década de 1920 que as "altas temperaturas" teñen a capacidade de facer mutar xenes, e en 1927 demostrou a existencia dunha ligazón causal da irradiación con raios X coa mutación experimentando cunha máquina de raios X, notando cambios xenéticos cando irradiaba moscas do vinagre cunha dose relativamente alta. Muller observou varios rearranxos cromosómicos neste experimento e suxeriu que as mutacións poden ser causa do cancro. A asociación da exposición á radiación co cancro fora observada xa en 1902, seis anos despois do descubrimento dos raios X por Wilhelm Röntgen, e o descubrimento da radioactividade por Henri Becquerel. Lewis Stadler, contemporáneo de Muller, tamén mostrou o efecto dos raios X sobre as mutacións na cebada en 1928, e da radiación ultravioleta (UV) no millo en 1936. Na década de 1940, Charlotte Auerbach e J. M. Robson descubriron que o gas mostaza pode tamén causar mutacións nas moscas do vinagre.
Aínda que os cambios nos cromosomas causados polos raios X e o gas mostaza eran doadamente observables polos primeiros investigadores, outros cambios no ADN inducidos por outros mutáxenos non eran tan fáciles de observar; o mecanismo polo cal ocorren pode ser complexo e levar moito tempo descubrilo. Por exemplo, suxeriuse que o feluxe causa cancro xa en 1775, e demostrouse que o alcatrán de hulla causa tamén cancro en 1915. Os compostos químicos implicados en ambos os casos foron despois identificados como hidrocarburos aromáticos policíclcicos (HAPs). Os HAPs por si sós non son carcinoxénicos e propúxose en 1950 que as formas carcinoxénicas dos HAPs son os óxidos producidos como metabolitos nos procesos celulares. O proceso metabólico identificouse na década de 1960 como unha catálise do citocromo P450, que produce especies reactivas, que poden interaccionar co ADN para formar adutos, ou moléculas produto resultantes da reacción; o mecanismo polo cal os adutos HAPs dan lugar a mutacións está aínda investigándose.
Distinción entre mutación e danos no ADN
Os danos no ADN son alteracións anormais na estrutura do ADN que non poden, por si sós, ser replicados cando se produce a replicación do ADN. En contraste, unha mutación é un cambio na secuencia dun ácido nucleico que pode ser replicada; por tanto, unha mutación pode herdarse dunha xeración á seguinte. Os danos poden ocorrer pola adición dun axente químico (aduto), ou pola alteración estrutural dunha base do ADN (creando un nucleótido anormal ou fragmento de nucleótido) ou unha rotura nunha das febras do ADN ou en ambas. Ditos danos no ADN poden ter como resultado unha mutación. Cando se replica un ADN que contén danos, pode inserirse unha base incorrecta na nova febra complementaria a medida que se sintetiza (ver reparación do ADN § Síntese translesión). A inserción incorrecta na nova febra ocorre en fronte do sitio danado na febra molde e esta inserción incorrecta pode converterse nunha mutación (é dicir, un par de bases cambiado) na seguinte rolda de replicación. Ademais, as roturas de dobre febra no ADN poden ser reparadas por un proceso de reparación inexacto, como é a unión de extremos non homólogos, que produce mutacións. As mutacións poden normalmente evitarse se sistemas precisos de reparación do ADN recoñecen o dano no ADN e repárano antes de que se complete a seguinte rolda de replicación. Empréganse directa ou indirectamente polo menos 169 encimas na reparación do ADN oun inflúen nos procesos de reparación do ADN. Deles, 83 son empregados directamente nos cinco tipos de procesos de reparación (ver reparación do ADN).
O ADN nuclear de mamífero pode sufrir máiss de 60.000 episodios de danos por célula e día (ver danos no ADN (por causas naturais)). Se se deixan sen corrixir, estes adutos, despois dunha replicación incorrecta dos sitios danados, pode orixinarse unha mutación. Na natureza as mutacións que se orixinan poden ser beneficiosas ou deletéreas e isto é unha forza que pula a evolución. Un organismo pode adquirir novas características por medio de mutacións xenéticas, mais as mutacións poden tamén ter como resultado a alteración ou perda de función dun xene e, en casos graves, causan a morte do organismo. A mutación é tamén unha fonte principal para a adquisición de resistencia a antibióticos en bacterias, e a axentes antifúnxicos en lévedos e mofos. Nun laboratorio, a mutaxénese é unha técnica útil para xerar mutacións que permitan examinar a función dos xenes e produtos xénicos en detalle, producindo proteínas ou cepas con funcións e propiedades útiles melloradas ou novas. Inicialmente a capacidade das radiacións e os mutáxenos químicos de causar mutacións foi aproveitada para xerar mutacións ao chou, pero técnicas posteriores permitiron crear mutacións específicas.
Nos humanos tansmítense unha media de 60 novas mutacións de proxenitores a descendentes. Os varóns tenden a pasar máis mutacións dependendo da súa idade, transmitindo como media dúas novas mutacións á súa proxenie por cada ano adicional de idade.
Mecanismos
A mutaxénese pode ser de orixe endóxena (por exemplo, hidrólise espontánea), por medio de procesos celulares que poden xerar especies reactivas do oxíxeno e adutos do ADN ou por erros na replicación e reparación do ADN. A mutaxénese pode tamén ocorrer como resultado da presenza de mutáxenos ambientais que inducen cambios no ADN dun organismo. O mecanismo polo cal ocorre a mutación varía de acordo co mutáxeno ou o axente causal implicado. A maioría dos mutáxenos actúan directa ou indirectamente por medio de metabolitos mutaxénicos sobre o ADN dun organismo, producindo lesións. Porén, algúns mutáxenos poden afectar a replicación ou o mecanismo de repartición cromosómica e outros procesos celulares.
A mutaxénese pode tamén ser autoinducida por organismos unicelulares cando as condicións ambientais son restritivas para o crecemento do organismo, como o crecemento bacteriano en presenza de antibióticos, o crecemento de lévedos en presenza de axentes antifúnxicos ou o crecemento doutros organismos unicelulares nun ambiente que carece dun nutriente esencial.
Moitos mutáxenos químicos necesitan activación biolóxica para ser mutaxénicos. Un grupo importante de encimas que interveñen na xeración de metabolitos mutaxénicos é o citocromo P450. Outros encimas que poden tamén producir metabolitos mutaxénicos son a glutatión S-transferase e a epóxido hidrolase microsomal. Os mutáxenos que non son mutaxénicos de seu senón que necesitan activación biolóxica denomínanse promutáxenos.
Aínda que a maioría dos mutáxenos producen efectos que finalmente dan lugar a erros na replicación, por exemplo creando adutos que interfiren coa replicación, algúns mutáxenos poden afectar directamente o proceso de replicación ou reducen a súa fidelidade. Análogos de bases como o 5-bromouracilo poden substituír a timina na replicación. Os metais como o cadmio, cromo e níquel poden incrementar a mutaxénese de diversas maneiras ademais do dano directo ao ADN, por exemplo reducindo a capacidade de reparar erros, así como producindo cambios epixenéticos.
As mutacións orixínanse como resultado de problemas causados por lesións do ADN durante a replicación, o que ten como resultado erros na replicación. Nas bacterias, os grandes danos no ADN debidos a mutáxenos causan ocos nunha das febras do ADN durante a replicación. Isto induce a resposta SOS, un proceso de reparación de emerxencia que é tamén tendente ao erro, xerando así mutacións. En células de mamíferos a detención da replicación nos sitios danados induce varios mecanismos de rescate que axudan a sortear a zona das lesións no ADN; porén, isto pode tamén causar erros. A familia Y das ADN polimerases está especializada en sortear a zona da lesión no ADN por un proceso denominado síntese translesión, no que estas polimerases de bypass da lesión substitúen as ADN polimerases replicativas de alta fidelidade que quedaron detidas, transitando pola lesión e alongando o ADN ata que se pasa da zona da lesión para que a replicación normal poida recomezar; estes procesos poden ser tendentes ao erro ou libres de erro.
Danos no ADN e mutación espontánea
O número de episodios de danos no ADN que ocorren nunha célula de mamíferos por día é alto (máis de 60.000 por día) e supón un problema para os organismos vivos que deben minimizar.
A maioría das mutacións espontáneas orixínanse xeralmente por síntese translesión tendente ao erro ao pasar por un sitio con danos na febra molde durante a replicación do ADN. Este proceso pode potencialmente superar os bloqueos letais no ADN, pero co custo de introducir inexactitudes no ADN fillo. As relacións causais dos danos no ADN coa mutación espontánea ilústrase polo crecemento aeróbico da bacteria Escherichia coli, na cal o 89% das mutacións de substitución de bases que ocorren espontaneamente son causadas por efecto de especies reactivas do oxíxeno. Nos lévedos máis do 60% de substitucións dun só par de bases espontáneas e as delecións son probablemente causadas por síntese translesión.
Unha fonte adicional significativa de mutacións en eucariotas é a inexactitude do proceso de reparación do ADN da unión de extremos non homólogos, que se emprega a miúdo na reparación de roturas de dobre febra.
En xeral parece que a principal causa subxacente de mutacións espontáneas é a síntese translesión tendente ao erro durante a replicación do ADN e que a reparación por unión de extremos non homólogos pode ser un importante contribuínte en eucariotas.
Hidrólise espontánea
O ADN non é completamente estable en solución acuosa e pode ocorrer a despurinación do ADN. En condicións fisiolóxicas o enlace glicosídico pode ser hidrolizado espontaneamente e estímase que 10.000 sitios de purina no ADN son despurinados cada día nunha célula. Existen numerosas vías de reparación do ADN; porén, se o siio apurínico non é reparado, pode ocorrer unha incorporación incorrecta de nucleótidos durante a replicación. A adenina incorpórase preferentemente polas ADN polimerases nun sitio apurínico.
A citidina pode tamén ser desaminada a uridina a unha taxa que é un 5% da taxa de despurinación e pode orixinar unha transición de G a A. As células eucariotas poden tamén conter 5-metilcitosina, que se cre está implicada no control da transcrición xénica, a cal pode ser desaminada a timina.
Tautomería
A tautomerización é o proceso polo cal os compostos se rearranxan espontaneamente para adoptar as súas formas de isómero estrutural. Por exemplo, as formas ceto (C=O) da guanina e timina poden rearranxarse nas súas raras formas enol (-OH), mentres que as formas amino (-NH2 ) da adenina e citosina poden orixinar as máis raras formas imino (=NH). Na replicación do ADN, a tautomerización altera os sitios de emparellamento de bases e pode causar o emparellamento impropio das bases dos ácidos nucleicos.
Modificación de bases