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

Amesův test hodnotí mutagenicitu látek a jejich metabolitů. Využívá defektních kmenů bakterie Salmonella typhimurium, které mají poškozený gen pro tvorbu histidinu. V přítomnosti mutagenů dochází ke zpětným mutacím a tím i k obnovení syntézy histidinu. Hodnotí se schopnost bakterií ovlivněných zkoušenou látkou růst na médiu bez histidinu.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Amesův test.

• 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>.