Mutácie, mutagény a oprava

Mutácie predstavujú náhle zmeny na úrovni genetického materiálu (DNA alebo RNA u RNA-vírusov), ktoré sa prejavujú v zmene primárnej štruktúry nukleovej kyseliny, tzn. zmene v sekvencii nukleotidov. Vždy súvisia so zmenou genotypu, ale nemusia sa aj fenotypovo prejaviť. Organizmus si mutácie nevyberá, vznikajú náhodne. Nie sú teda výsledkom adaptácie organizmu na pôsobenie prostredia.

Ak vzniknú mutácie počas tvorby pohlavných buniek, sú schopné sa preniesť do nasledujúcej generácie. Ak vzniknú v hociktorej inej bunke tela, väčšinou sú dôsledkom poškodenia, ktoré bunku odsúdi na zánik. Len výnimočne takéto zmutované bunky prežijú a môžu predstavovať nebezpečenstvo pre celý organizmus v podobe vzniku rakoviny.

Mutácie sú napriek tomu mimoriadne dôležité, pretože sú zdrojom premenlivosti (variability) medzi organizmami, ktoré vznikajú síce s nízkou frekvenciou, ale predstavujú jediný zdroj pre evolučný proces, ktorý nové mutácie prostredníctvom prírodného výberu v genofonde ponechá a tie sa rozšíria do ďalších generácií, alebo sú nositelia škodlivých mutácií neschopní prežiť či priniesť na svet svoje potomstvo. Mutácie preto chápeme ako významný biologický proces, ktorý sprevádza vývoj a je základom vzniku nových druhov v prírode.

Mutácie prebiehajúce za život organizmu sú do veľkej miery eliminované pôsobením enzýmov, ktoré sú na to určené. Bez týchto enzýmov by hromadenie mutácií mohlo spôsobiť smrť organizmu v pomerne skorom čase. Napriek tomu niektoré mutácie môžu byť prehliadnuté a prechádzať do ďalších generácií prostredníctvom mutovaných pohlavných buniek.

Rozdelenie mutácií

Mutovaný gén je taký, ktorý na rozdiel od pôvodného génu nesie zmenenú sekvenciu nukleotidov. Pôvodný gén sa označuje z angličtiny termínom wild-type (divý typ), mutovaný gén sa označuje ako mutant. Nie vždy súvisí pojem mutovaný gén s jeho funkčnosťou, tzn. schopnosťou kódovať funkčný proteín, ktorý má v tele určitú funkciu, a ak táto funkcia chýba, prejaví sa to genetickým ochorením. Preto ani nedoporučujem ako synonymum mutovaného génu používať spojenie "nefunkčný" alebo "poškodený" gén. Vtedy je ťažké rozlíšiť, ktorá alela je mutantná, pretože skôr hovoríme o rôznych variantoch toho istého génu. Spravidla je to potom tá, resp. ten variant, ktorý sa v populácii vyskytuje zriedkavejšie.

Mutácie možno deliť podľa mnohých hľadísk. V úvode som načrtol dve základné kategórie mutácií:

  1. gametické mutácie - postihujú genetický materiál pohlavných buniek; vznikajú počas spermatogenézy (tvorby spermii) alebo oogenézy (tvorby vajíčok) a sú dedičné, pretože sa prenášajú do ďalších generácií
  2. somatické mutácie - postihujú somatické (telové) bunky a neprenášajú sa do ďalších generácií; môžu byť príčinou rakoviny

Podľa vzniku rozoznávame mutácie:

  1. spontánne mutácie - sú náhodným javom
  2. indukované mutácie - sú cieľavedome vyvolávané mutácie v laboratórnych podmienkach

Podľa rozsahu genetickej informácie, ktorú mutácie postihujú, rozlišujeme:

  1. génové mutácie - postihujú nukleotidovú sekvenciu obmedzenú na jeden gén
  2. chromozómové mutácie (aberácie) - postihujú DNA na úrovni štruktúry chromozómov a ich častí
  3. genómové mutácie - mutácie vedúce k zmene počtu chromozómov a celých chromozómových súborov

Podľa lokalizácie mutácie rozlišujeme:

  1. jadrové mutácie - vznikajú v DNA nachádzajúcej sa v bunkovom jadre
  2. mimojadrové mutácie - vznikajú v DNA, ktorá je prítomná v mitochondriách, príp. chloroplastoch u rastlín

Podľa smeru mutovania poznáme:

  1. priame mutácie - keď z normálnej alely vzniká mutovaná alela
  2. spätné mutácie - keď sa mutovaný genotyp spätne zmení na pôvodný (normálny) genotyp

Podľa zlučiteľnosti so životom poznáme:

  1. vitálne mutácie - neovplyvňujú prežívanie jedinca
  2. letálne mutácie - mutovaný genotyp neumožňuje ich nositeľovi prežitie (mutácie esenciálnych génov)

Podľa stupňa fenotypového prejavu rozoznávame:

  1. dominantné mutácie - mutovaná alela je nadradená nad normálnu alelu
  2. recesívne mutácie - mutovaná alela sa prejaví len v homozygotne recesívnom stave (väčšina mutácií)

Mutagény

Vznik mutácií, ktoré prechádzajú do ďalších generácií, prebieha v prírode s nízkou frekvenciou. Takéto tzv. spontánne mutácie, t.j. mutácie vznikajúce bez úmyselného použitia mutagénov, súvisia s chybovosťou troch procesov:

  1. replikačný systém - ak DNA-polymeráza zaradí pri replikácii DNA nesprávny nukleotid, ktorý nezodpovedá pravidlu o komplementarite báz
  2. rekombinačný systém - ak rekombinácia prebiehajúca v profáze I. meiotického delenia pri tvorbe pohlavných buniek prebehne nepresne
  3. reparačný systém - ak enzýmy opravujúce poškodenie DNA urobia chybu

Frekvenciu vzniku mutácií však môžu podstatne zvyšovať mutagény. Sú to fyzikálne, chemické alebo biologické faktory, ktoré rôznym spôsobom, priamo alebo nepriamo narúšajú štruktúru DNA. Následkom mutagénov vznikajú tzv. indukované mutácie. Mutagenéza, t.j. indukovaná tvorba mutácií, je silným nástrojom genetiky a molekulárnej biológie. Genotoxikólogia je vedná poddisciplína genetiky, ktorá sa zaoberá mutagénnym účinkom a klasifikáciou mutagénov.

Podľa charakteru mutagénu rozlišujeme:

  1. fyzikálne mutagény - rôzne druhy ionizačného a neionizačného žiarenia
  2. chemické mutagény - chemické zlúčeniny meniace alebo napodobňujúce štruktúru dusíkatých báz a včleňujúce sa do dvojzávitnice DNA
  3. biologické mutagény - niektoré onkogénne vírusy a transponibilné elementy

Fyzikálne mutagény

Medzi ionizujúce žiarenie patria lúče X, čiže röntgenové (RTG) žiarenie. Je to žiarenie s vysokou energiou, ktoré dokáže z molekuly "vyraziť" elektróny a vytvárať tak ióny. Ióny majú veľkú schopnosť narúšať kovalentné väzby v nukleotidoch a viesť k zlomom v DNA. Tie sú príčinou chromozómových aberácií. Vysoké dávky ionizujúceho žiarenia bunky zabíjajú svojou toxicitou, takže ho možno využiť pri terapii niektorých nádorov.

Neionizujúce žiarenie, akým je napr. UV-žiarenie, má nižšiu energiu, ktorá nepostačuje na tvorbu iónov. Napriek tomu UV-žiarenie s vlnovou dĺžkou 254-260 nm dokáže spôsobovať mutácie tým, že vedie k formovaniu neštandardných väzieb medzi dusíkatými bázami (známe sú tzv. tymínové diméry), ktoré sú prekážkou pre replikáciu DNA. Bunka za normálnych okolností disponuje mechanizmom, ktorý tieto "poruchy" odstráni. UV-žiarenie nepreniká do hlbších častí tela, preto poškodzuje prevažne genetický materiál buniek kože.

Chemické mutagény

Génové mutácie môžu byť spôsobené vystavením organizmu rozličným chemickým látkam, ktoré sa nachádzajú v prostredí a ktoré každodenne produkuje chemický priemysel. Chemické mutagény pôsobia viacerými cestami:

  • analógy báz
  • mutagény modifikujúce bázy
  • interkalačné činidlá

Ako pri analógoch báz, tak aj pri chemomutagénoch meniacich štruktúru báz stretávame sa so zmenou párovania dusíkatých báz, následkom čoho môže nastať po replikácii DNA zámena dvoch typov:

  1. tranzícia - zámena purínu za purín alebo pyrimidínu za pyrimidín (napr. C za T)
  2. transverzia - zámena pyrimidínu za purín alebo opačne (napr. G za A)

Analógy báz

Analógy báz sú chemikálie, ktoré majú podobnú chemickú štruktúru ako dusíkaté bázy nachádzajúce sa v primárnej štruktúre DNA. Ak sú prítomné počas replikácie DNA, môžu byť zaradené do polynukleotidového reťazca. Problémom je, že tieto látky sa môžu nachádzať v rôznych tautomérnych formách, medzi ktorými sa môžu "prepínať", pričom tieto formy vykazujú odlišné párovanie s komplementárnymi bázami na protiľahlom reťazci dvojzávitnice DNA. Príkladom môže byť 5-brómuracil, ktorý napodobňuje tymín a páruje sa s adenínom, ale počas replikácie sa môže párovať s guanínom.

  1. pôvodná DNA
  2. pridanie 5-brómuracilu a následná replikácia spôsobí nahradenie T tautomérom 5-BrU, ktorý sa páruje s A (nenastáva zmena párovania)
  3. počas replikácie prechádza 5-BrU do formy, ktorá sa páruje s G
  4. po replikácii reťazca obsahujúceho G namiesto A dochádza k tranzícii AT za GC; druhá kópia DNA obsahuje zasa 5-BrU vo forme viažúcej A

Mutagény modifikujúce bázy

Sú to chemické látky, ktoré modifikujú štruktúru dusíkatých báz. Najznámejším chemomutagénom tejto skupiny je kyselina dusitá, ktorá spôsobuje deamináciu (odstraňuje skupinu NH2) z guanínu (vzniká xantín, ktorý sa páruje s C - to je OK), cytozínu (vzniká uracil, ktorý sa páruje s A) a adenínu (vzniká hypoxantín, ktorý sa páruje s C).

Ďalšie mutagény modifikujúce chemickú štruktúru báz sú hydroxylamín, ktorý zavádza OH-skupinu do cytozínu, ktorý sa tak páruje s A, a rôzne alkylačné činidlá, ktoré pridávajú alkylačné skupiny (metyl, etyl) meniace napr. guanín na O6-metylguanín, ktorý sa páruje s T.

Interkalačné činidlá

Interkalačné činidlá sú chemické zlúčeniny, ktoré sa hodne používajú v technikách molekulárnej biológie ako farbivá pre vizualizáciu DNA v agarózovom géli. Z názvu vyplýva, že tieto látky sa včleňujú (interkalujú) medzi dve susedné bázy. Dôsledok takéhoto včlenenia je vážny: pri replikácii DNA predstavuje interkalačné činidlo miesto, oproti ktorému sa môže do novo syntetizovaného reťazca DNA vložiť jeden ľubovoľný nukleotid, ktorý je tak navyše. Výsledkom sú teda posunové mutácie majúce veľký dopad na syntézu proteínu z takto pozmenenej DNA. Najpoužívanejším interkalačným činidlom je etídiumbromid.

  1. pôvodná DNA
  2. po pridaní etídiumbromidu sa tento interkaluje medzi ľubovoľné 2 susediace bázy, pričom sa voľné miesto pri replikácii zaplní ľubovoľným nukleotidom (tu G)
  3. po ďalšej replikácii nastáva predĺženie pôvodného vlákna DNA o jeden nukleotidový pár GC

Biologické mutagény

Biologické mutagény predstavujú niektoré skupiny vírusov. Vírusy obsahujú ako genetickú informáciu DNA alebo aj RNA. Niektoré onkogénne vírusy sú schopné včleniť svoju DNA do hostiteľského genómu na ľubovoľné miesto, čím spôsobujú mutácie, následkom ktorých je daný prerušený gén viac neschopný tvoriť predlohu pre syntézu funkčného proteínu.

Transponibilné elementy predstavujú osobitnú problematiku tzv. "sebeckej DNA", ktorá sa nachádza v genóme rastlín a živočíchov, vrátane človeka. Z času na čas dochádza k premiestneniu týchto kusov DNA, následkom čoho nastáva podobný prípad ako pri včlenení vírusovej DNA do genómu. Takýmto spôsobom vzniká napr. hemofília.

Oprava DNA

DNA, v ktorej je zakódovaná genetická informácia, je dynamickou štruktúrou podliehajúcou množstvu zmien (mutáciám) vyvolaným pôsobením rôznych vnútorných alebo environmentálnych faktorov (produktov bunkového metabolizmu, chemických a fyzikálnych mutagénov). Je preto pochopiteľné, že sa v organizmoch v priebehu evolúcie vyvinuli enzymatické mechanizmy, ktoré im umožňujú opraviť alebo aspoň tolerovať poškodenia DNA. Nazývajú sa opravné - reparačné mechanizmy. Pokles aktivity reparačných enzýmov vedie k vážnym dôsledkom. V tomto ohľade sú známe viaceré genetické ochorenia (napr. xeroderma pigmentosum - precitlivenosť na slnečné žiarenie).

Reparačný mechanizmus pôsobí už v priebehu samotnej syntézy DNA, pretože počas fázy replikácie je DNA najzraniteľnejšia. Hoci DNA-polymeráza zaraďuje približne 1 nesprávny nukleotid na 10 tisíc nukleotidov, skutočná frekvencia mutácií sa pohybuje niekde medzi 1 nesprávnym nukleotidom na 107 až 1011 nukleotidov. Spočíva to v schopnosti samotnej DNA-polymerázy zistiť nesprávne vložený nukleotid, ktorý sa tak vymení za správny. Ostatné reparačné mechanizmy sú zacielené na rozpoznávanie chybného párovania a výmenu samotného nukleotidu z dvojvláknovej DNA, ktorá je už replikovaná alebo pozmenená chemickým mutagénom. Rozsiahle poškodenie DNA zväčša bunka radšej rieši "dobrovoľnou" smrťou, apoptózou, než by mala plytvať energiu a prostriedky na opravu množstva mutácií alebo riskovať transformáciu (pretvorenie) bunky na nádorovú.