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.

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

• Absorbovaná dávka záření
  • udává se v jednotkách gray [Gy = J/kg].

Mutagenní efekt závisí na:

1. dávce;
2. době expozice;
3. fázi buněčného cyklu;
4. na kvalitě reparačních mechanismů.

• 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.

Ultrafialové (UV) záření

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.

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).

Mechanismy působení chemomutagenů

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

Analogy 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.

Akridinová barviva

• 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.

Alkylační látky

• 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.

Deaminační látky

• 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.

Hydroxylační činidla

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

Biologické

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);
  • SINE (short interspred nuclear element);
  • jejich přesuny v genomu mohou mít mutagenní účinek.

Testování mutagenu

 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.

Amesův test

• Umožňuje odhalit nejen mutagenní aktivitu, ale testovat i typ vyvolávaných mutací a odhalit i potenciální mutageny.
• Byly vytvořeny speciální auxotrofní kmeny Salmonela typhimurium, tyto kmeny nesou bodové mutace i mutace s posunem čtecího rámce pro gen účastnící se syntézy histidinu a tak rostou jen na mediu s přídavkem histidinu.
• Testované látky (potenciální mutageny) jsou přidávány do média. Některé látky způsobí mutaci jen u konkrétního kmene S. typhimurium (proto je kmenů v médiu více).
• Amesův test hodnotí vznik zpětných mutací (tedy schopnost obnovit syntézu histidinu) po přenesení na minimální medium.
  • Přidání extraktu krysích jaterních enzymů do media stimuluje metabolické změny testovaných látek v organismu a odhaluje i mutagenicitu, která se projeví teprve až po těchto změnách (tj. u metabolitů testované látky).
  • Přidání malého množství histidinu do minimálního media v další fázi testu nastartuje růst bakterií a testuje i látky mutagenní pouze v průběhu replikace. Po vyčerpání této iniciační dávky dále rostou jen mutované bakterie schopné vlastní syntézy histidinu. Mutagenní potenciál testované sloučeniny se pak vyhodnotí na základě počtu pozorovatelných kolonií CFU po 48 hodinách.

• 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.

Odkazy

Související články

• Mutace
• Chromosomální abnormality
• Toxikogenetika

Zdroj

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

• https://cs.wikipedia.org/wiki/Ames%C5%AFv_test