Mutageny a mutageneze

- mutageny = faktory schopné vyvolávat mutace 1. Fyzikální - mutageny: elektromagnetické záření o kratší vlnové délce a větší energii než má viditelné záření - zvýšená teplota organismu - ionizující záření (X-záření, gama záření, kosmické záření) - Ionizující záření  má vysokou energii a prochází tkáněmi  při průchodu tkáněmi dochází ke kolizím s atomy a uvolňování jejich elektronů  podél stopy paprsku vznikají volné radikály a ionty (H+, OH¯ ), které mohou reagovat s dalšími molekulami buněčné struktury, včetně DNA  zářením mohou být zasaženy i atomy DNA  ionizujíc záření vyvolá zejm. oxidaci bazí a porušuje vazbu pentosa-fosfát v řetězci DNA; mutagenní efekt ozáření závisí na množství vzniklých iontů  absorbovaná dávka záření  v jednotkách gray [Gy = J/kg]  mutagenní efekt závisí na dávce, době expozice, fázi buněčného cyklu a na kvalitě reparačních mechanismů  vyvolá především chromosomální zlomy a následně chromosomální přestavby; event. genové mutace  pro záření neexistuje prahová dávka, a i jednotlivá kvanta mohou vyvolat mutaci  velikost dávky záření, která zdvojnásobuje četnost mutací u člověka, je důležitá v genetice pro predikci rizika – především v etiologii neoplazií - Ultrafialové (UV) záření  má podstatně menší energii než záření ionizující, ale i UV záření je schopné zvýšit energii elektronu zasaženého atomu (excitace)  UV záření je absorbováno mnoha organickými molekulami, zejm. puriny a pyrimidiny  UV záření je silným mutagenem pro jednobuněčné organismy; u mnohobuněčných poškozuje jen jejich povrchové buňky  u člověka může vyvolat neoplazie kůže (karcinomy, melanomy)  riziko UV záření se nyní zvyšuje se snižováním obsahu ozónu v atmosféře  UV záření způsobuje mutace především vytvářením hydrátů purinů a dimerů pyrimidinů  mutace thyminu způsobují mutace dvěma způsoby: a) ruší strukturu dvoušroubovice DNA a znemožňuje postup DNA polymerasy po templátu a tím přeruší replikaci DNA b) při jejich reparaci může dojít k chybnému zařazení bazí  opakované přerušení replikace dimery thyminu bez opravy vzniklé mezery v nově syntetizovaných řetězcích způsobí zlom chromosomu; další projevy jsou způsobeny substitucemi a delecemi bazí 2. Chemomutageny - chemické látky s mutagenním účinkem  potravinářská barviva akridinové povahy, produkty kouření (cyklické uhlovodíky), složky spalin a výfukových plynů, složky umělých hmot (PCB-polychlorované bifenyly) - podle mechanismu působení chemomutagenů  a) látky vyvolávající mutace jen v průběhu replikace  analogy bazí a akridinová barviva b) látky mutagenní při působení i na nereplikující se DNA  látky způsobující alkylaci, deaminaci a hydroxylaci bazí  analogy bazí = látky svou strukturou příbuzné bazím nukleotidů a inkorporovány do DNA v průběhu replikace  odchylky v jejich struktuře pak způsobují chybné párování bazí a v jeho důsledku mutace - mají význam především v experimentálním studiu procesů mutageneze - nejužívanější analogy bazí: 2-aminouracil a 5-bromouracil 5-BU = analog thyminu; atom bromu nahrazuje methyl na C5 pyrimidinu a zvyšuje pravděpodobnost tautomerního posunu; v enol formě se 5-BU páruje s guaninem  při inkorporaci enol 5-BU do nového řetězce dojde při následné replikaci k párování keto formy 5-BU s adeninem a tím k transici G:C  A:T  akridinová barviva – př. proflavin, akridinová modř  indukují posun čtecího rámce; molekuly bazí se vmezeří mezi pára bazí v průběhu replikace a mění konformaci dvoušroubovice DNA  při replikace pak dochází k deleci nebo inzerci jedné nebo více bazí se všemi fenotypovými důsledky  alkylační látky = četné chemické látky, které mohou být donorem alkylových skupin - prvým popsaným mutagenem byl yperit, resp. jeho dusíkatý derivát  mezi nejúčinnější mutageny z této skupiny patří nitrosoguanidin  působením alkylačních činidel vyvolává změnu párování bazí navazováním methyl nebo ethyl skupiny s thyminem - alkylační látky mohou vyvolat všechny známé typy mutací vč. chromosomálních zlomů a chromosomálních přestaveb  deaminační látky  vyvolávají oxidativní deaminaci aminoskupiny adeninu, guaninu a cytosinu - klasickými zástupci jsou kyselina dusitá a dusitany  aminoskupina bazí je jejich působením změněna keto skupinou  deaminace mění schopnost baze vytvářet vodíkoví můstky - hypoxanthin se páruje s cytosinem, uracil se páruje s adeninem - deaminace bazí způsobuje transice v obou směrech (C-G na A-T i A-T na C-G) - oxidy dusíku vznikají při spalování fosilních paliv; hlavním zdrojem emisí jsou elektrické elektrárny a automobilová doprava - dusitany jsou užívány ke konzervaci uzenin  ohrožují mutacemi zejm. buňky trávicího traktu  hydroxylační činidla  mohou změnit cytosin na hydroxylaminocytosin, který se páruje s adeninem  vyvolávají tak jednosměrnou transici C-G na A-T 3. Biologické - patří sem zejm. viry  v průběhu lyzogenního cyklu mohou být viry inkorporovány do DNA hostitele; inzerce viru do sekvence DNA genu ovlivňuje jeho funkci – gen je zpravidla po jeho inkorporaci nefunkční  nádory, chromosomální zlomy - transposony = elementy schopné se přemísťovat z jednoho místa genomu na jiné  v genomu člověka jsou dvě skupiny transponibilních elementů: LINE (long interspred nuclear element) a SINE (short…)  jejich přesuny v genomu mohou mít mutagenní účinek - Testování mutagenu: většina mutací negativně ovlivňuje zdravotní stav člověka a mutagenní látky jsou zpravidla i teratogenní a kancerogenní  proto je testování mutagenního účinku látek standardní součástí povinných atestů před jejich uvedením do praxe  Amesův test  umožňuje odhalit nejen mutagenní aktivitu, ale testovat i typ vyvolávaných mutací a odhalit i potenciální mutageny; byl vytvořen speciální auxotrofní kmen Salmonela typhimurium  tento kmen roste na mediu s přídavkem histidinu; testované látky jsou přidávány média Amesův test hodnotí vznik zpětných mutací po přenesení na minimální medium; přidáním malého množství histidinu do minimálního media v další fázi testu umožňuje omezený počet dělení bakterií a testuje i látky mutagenní pouze v průběhu replikace; přidáním extraktu jaterních enzymů do media stimuluje metabolické změny testovaných látek v organismu a odhaluje i mutagenicitu, která se projeví teprve až po těchto změnách - současná široká škála metod testuje jak mutagenní účinky, tak genotoxicitu  komplexní zajišťování genotoxicity je zajišťováno na 3 úrovních 1. monitorování prostředí 2. monitorování biologických účinků  informace o odpovědi lidského organismu na působení genotoxických látek, o expozici i účinnosti preventivních opatření 3. monitorování genetické – epidemiologické studie výskytu spontánních potratů, vrozených vývojových vad ve vztahu ke genotoxickým látkám