Mutageny a mutageneze

Mutageny jsou faktory schopné vyvolávat mutace.

Fyzikální

ionizující záření: elektromagnetické záření o kratší vlnové délce a větší energii než má viditelné záření (X-záření, gama záření, kosmické záření);
zvýšená teplota organismu.

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 molekuly DNA.
Ionizující záření vyvolá zejména oxidaci bazí a porušuje vazbu pentóza-fosfát v řetězci DNA.
Mutagenní efekt ozáření závisí na množství vzniklých iontů.

Mutagenní efekt závisí na:

Vyvolá především chromozomální 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.

Poškození molekuly DNA UV zářením

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 ve vysokých vrstvách atmosféry.
UV záření způsobuje mutace především vytvářením hydrátů purinů a dimerů pyrimidinů.
Mutace thyminu způsobují mutace dvěma způsoby:
- ruší strukturu dvoušroubovice DNA a znemožňuje postup DNA polymerázy po templátu a tím přeruší replikaci DNA;
- při jejich reparaci může dojít k chybnému zařazení bazí.
Opakované přerušení replikace dimery thyminu bez opravy vzniklé mezery v nově syntetizovaných řetězcích způsobí zlom chromozomu; další projevy jsou způsobeny substitucemi a delecemi bazí.

Látky, které vyvolávají mutace jen v průběhu replikace;
- analogy bazí a akridinová barviva.
Látky, které jsou mutagenní při působení i na nereplikující se DNA.
Látky, které způsobují alkylaci, deaminaci a hydroxylaci bazí.

Látky jsou 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 jsou 2-aminouracil a 5-bromouracil.
- 5-bromouracil (5-BU) je 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 tranzici G:C nebo A:T.

proflavin;
akridinová modř;
indukují posun čtecího rámce;
molekuly bazí se vmezeří mezi pár 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.

Četné chemické látky, které mohou být donorem alkylových skupin.
Prvním popsaným mutagenem byl yperit, resp. jeho dusíkatý derivát.
Mezi nejúčinnější mutageny z této skupiny patří nitrosoguanidin.
Působení alkylačních činidel vyvolává změnu párování bazí navazováním metylové nebo etylové skupiny s thyminem.
Alkylační látky mohou vyvolat všechny známé typy mutací vč. chromozomálních zlomů a chromozomálních přestaveb.

Vyvolávají oxidativní deaminaci aminoskupiny adeninu, guaninu a cytosinu.
Klasickými zástupci jsou kyselina dusitá a dusitany.
Aminoskupina bazí je jejich působením zaměněna keto skupinou.
Deaminace mění schopnost baze vytvářet vodíkové můstky.
Hypoxantin se páruje s cytosinem, uracil se páruje s adeninem.
Deaminace bazí způsobuje tranzice 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 zejména buňky trávicího traktu.

Mohou změnit cytosin na hydroxylaminocytosin, který se páruje s adeninem → vyvolávají tak jednosměrnou transici C-G na A-T.

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.

Elementy schopné se přemísťovat z jednoho místa genomu na jiné.
V genomu člověka jsou dvě skupiny transponibilních elementů:
- LINE (long interspred nuclear element);
- SINE (short interspred nuclear element);
- jejich přesuny v genomu mohou mít mutagenní účinek.

Podrobnější informace naleznete na stránce Toxikogenetika.

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.

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 do 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.

ŠTEFÁNEK, Jiří. Medicína, nemoci, studium na 1. LF UK [online]. [cit. 2010-02-11]. <http://www.stefajir.cz>.