Mutacje są ważnym obiektem badań cytogenetyków i biochemików. To mutacje, geny lub chromosomy, są najczęściej przyczyną chorób dziedzicznych. W warunkach naturalnych rearanżacje chromosomowe występują bardzo rzadko. Mutacje spowodowane przez chemikalia, mutageny biologiczne lub czynniki fizyczne, takie jak promieniowanie jonizujące, są często przyczyną wrodzonych wad rozwojowych i nowotworów.
Ogólne informacje na temat mutacji
Hugh de Vries zdefiniował mutację jako nagłą zmianę cechy dziedzicznej. Zjawisko to występuje w genomie wszystkich żywych organizmów, od bakterii po ludzi. W normalnych warunkach mutacje w kwasach nukleinowych występują bardzo rzadko, z częstością około 1 10–4 – 1 10–10.
W zależności od ilości materiału genetycznego dotkniętego zmianami, mutacje dzielą się na genomowe, chromosomowe i genowe. Genomowe związane są ze zmianą liczby chromosomów (monosomia, trisomia, tetrasomia); chromosomalne są związane ze zmianą struktury osobnikachromosomy (delecje, duplikacje, translokacje); mutacje genów wpływają na pojedynczy gen. Jeśli mutacja dotyczyła tylko jednej pary nukleotydów, to jest to mutacja punktowa.
W zależności od przyczyn, które je spowodowały, rozróżnia się mutacje spontaniczne i indukowane.
Spontaniczne mutacje
Spontaniczne mutacje zachodzą w organizmie pod wpływem czynników wewnętrznych. Mutacje spontaniczne uważane są za normalne, rzadko prowadzą do poważnych konsekwencji dla organizmu. Najczęściej takie rearanżacje zachodzą w obrębie tego samego genu, związane z wymianą zasad – puryny na inną purynę (przejście) lub puryny na pirymidynę (transwersja).
Znacznie rzadziej występują spontaniczne mutacje w chromosomach. Spontaniczne mutacje chromosomowe są zwykle reprezentowane przez translokacje (przeniesienie jednego lub więcej genów z jednego chromosomu do drugiego) i inwersje (zmiany w sekwencji genów w chromosomie).
Indukowane przegrupowania
Wywołane mutacje zachodzą w komórkach organizmu pod wpływem chemikaliów, promieniowania lub materiału replikacyjnego wirusów. Takie mutacje pojawiają się częściej niż spontaniczne i mają poważniejsze konsekwencje. Wpływają na poszczególne geny i grupy genów, blokując syntezę poszczególnych białek. Mutacje indukowane często globalnie wpływają na genom, to właśnie pod wpływem mutagenów w komórce pojawiają się nieprawidłowe chromosomy: izochromosomy, chromosomy pierścieniowe, dicentrycy.
Mutageny, oprócz rearanżacji chromosomowych, powodują uszkodzenia DNA: pęknięcia podwójnej nici,tworzenie wiązań krzyżowych DNA.
Przykłady mutagenów chemicznych
Mutageny chemiczne obejmują azotany, azotyny, analogi zasad azotowych, kwas azotawy, pestycydy, hydroksyloaminę, niektóre dodatki do żywności.
Kwas azotawy powoduje odcięcie grupy aminowej od zasad azotowych i zastąpienie jej inną grupą. Prowadzi to do mutacji punktowych. Hydroksylamina powoduje również mutacje indukowane chemicznie.
Azotany i azotyny w dużych dawkach zwiększają ryzyko raka. Niektóre suplementy diety powodują reakcje arylacji kwasów nukleinowych, co prowadzi do zakłócenia procesów transkrypcji i translacji.
Mutageny chemiczne są bardzo zróżnicowane. Często to właśnie te substancje powodują indukowane mutacje w chromosomach.
Fizyczne mutageny
Fizyczne mutageny obejmują promieniowanie jonizujące, głównie krótkofalowe i ultrafioletowe. Ultrafiolet uruchamia proces peroksydacji lipidów w błonach, prowokuje powstawanie różnych defektów w DNA.
Promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma wywołują mutacje na poziomie chromosomów. Takie komórki nie są zdolne do podziału, giną podczas apoptozy. Mutacje indukowane mogą również wpływać na poszczególne geny. Na przykład blokowanie genów supresorowych nowotworów prowadzi do powstawania nowotworów.
Przykłady indukowanych przegrupowań
Przykładami indukowanych mutacji są różne choroby genetyczne, które częściej manifestują się na obszarach podatnych nanarażenie na fizyczny lub chemiczny czynnik mutagenny. Wiadomo w szczególności, że w indyjskim stanie Kerala, gdzie roczna efektywna dawka promieniowania jonizującego przekracza 10-krotnie normę, wzrasta częstość narodzin dzieci z zespołem Downa (trisomia na 21. chromosomie). W chińskim okręgu Yangjiang w glebie znaleziono dużą ilość radioaktywnego monazytu. Pierwiastki niestabilne w swoim składzie (cer, tor, uran) ulegają rozpadowi wraz z uwolnieniem kwantów gamma. Narażenie na promieniowanie krótkofalowe w powiecie doprowadziło do dużej liczby urodzeń dzieci z zespołem płaczącego kota (usunięcie dużego fragmentu ósmego chromosomu), a także do zwiększonej zachorowalności na raka. Inny przykład: w styczniu 1987 roku na Ukrainie zarejestrowano rekordową liczbę urodzeń dzieci z zespołem Downa, związaną z katastrofą w Czarnobylu. W pierwszym trymestrze ciąży płód jest najbardziej wrażliwy na działanie mutagenów fizycznych i chemicznych, więc kolosalna dawka promieniowania doprowadziła do zwiększenia częstości występowania anomalii chromosomowych.
Jednym z najbardziej niesławnych mutagenów chemicznych w historii jest uspokajający talidomid, wyprodukowany w Niemczech w latach 50. XX wieku. Przyjmowanie tego leku doprowadziło do narodzin wielu dzieci z szeroką gamą nieprawidłowości genetycznych.
Metoda indukowanej mutacji jest powszechnie stosowana przez naukowców w celu znalezienia najlepszego sposobu walki z chorobami autoimmunologicznymi i nieprawidłowościami genetycznymi związanymi z nadmiernym wydzielaniem białek.
