Mutagenees

Mutagenees on protsess, mille käigus toimuvad muutused organismi DNA järjestuses (mutatsioonid), mis jäävad genotüüpi püsima. Mutatsioonid võivad tekkida füüsikaliste, keemiliste ja bioloogiliste tegurite toimel. Mutageneesi võib jagada spontaanseks ja indutseerituks.

Sissejuhatus

1927. aastal korraldas Hermann Muller katse, mille käigus kiiritati harilikku äädikakärbest röntgenikiirgusega. Selle katse põhjal oli võimalik järeldada, et röntgenikiirgus põhjustab silmaga nähtavaid muutusi fenotüübis. Selle katsega tõestas ta hüpoteesi, et mutatsioonid põhjustavad vähki. Lewis Stadler demonstreeris röntgenikiirguse mutageenset toimet odral (1928. a) ja ultraviolettkiirguse (UV) mutageenset toimet maisil (1936. a). 1940. aastal avastasid Charlotte Auerbach ja J. M. Robson, et ipriit on võimeline põhjustama mutatsioone harilikul äädikakärbsel.

Spontaanne (iseeneslik) mutagenees

Spontaansed (iseeneslikud) mutatsioonid tekivad juhul, kui DNA polümeraas teeb vigu DNA replikatsioonil ilma väliste DNA-d kahjustavate tegurite osaluseta. Replikatsioonivead võivad tekkida järgmistel põhjustel:

• sünteesitakse õige lämmastikualuse asemel vale;
• jäetakse mõni nukleotiid vahele;
• lülitatakse DNA ahelasse liigne nukleotiid.

Kui tekkinud vigu DNA ahelast ei eemaldata ega parandata, kinnistuvad vead järgmisel DNA replikatsioonitsüklil mutatsioonidena.

Punktmutatsioonid

Illustratsioon punktmutatsioonide efektist. Esimeses tulbas on tavaline järjestus. Teises tulbas on küll toimunud muudatus DNA järjestuses, aga selle järjestuse pealt sünteesitav valk jääb samaks. Kolmandal juhul põhjustab mutatsioon valgusünteesi lõpetamise. Viimasel kahel juhul viib mutatsioon DNA järjestuses muudatuseni sünteesitavas valgujärjestuses, sest ahelasse lülitatakse teistsugune aminohape.

Punktmutatsioonid on ühe nukleotiidi asendusmutatsioonid. Asendusmutatsioonid jaotatakse transitsioonideks ja transversioonideks. Transitsioon on see, kui üks puriin asendatakse teise puriiniga (A ↔ G) või pürimidiin teise pürimidiiniga (C ↔ T). Transversiooni puhul asendatakse puriin pürimidiiniga või vastupidi (C/T ↔ A/G).

Punktmutatsioone võib jagada ka nende toime järgi:

• üks aminohape asendatakse teisega (missense mutation);
• tekib stoppkoodon (nonsense mutation);
• ei muudeta aminohapet (silent mutation).

Kromosomaalsed mutatsioonid

Kromosomaalsed mutatsioonid (chromosome aberration) on kromosomaalse struktuuri muutused. Neid on võimalik jagada deletsiooniks, duplikatsiooniks, inversiooniks ja translokatsiooniks. Kromosomaalsed mutatsioonid on üldjuhul kahjulikud ja nende tekkimisega võib kaasneda organismi surm. Samas on nad olulised liigitekkes ja evolutsioonis laiemalt.

Deletsioon

Deletsioon on mutatsioon, mille tulemusena kaob osa kromosoomist. Deletsiooniga on seotud mõned geneetilised haigused (nt Wolfi-Hirschhorni sündroom).

Deletsiooni võivad põhjustada järgmised protsessid:

• vead kromosomaalses krossingoveris (chromosomal crossover),
• DNA-ahela teatud piirkondade kadu translokatsioonil (translocation),
• katkestus ilma liitumiseta (breaking without rejoining),
• ebaühtlane ristsiire (unequal crossing over).

On olemas kaks deletsioonitüüpi:

• terminaalne deletsioon,
• interstitsiaalne deletsioon.

Terminaalses deletsioonis toimub mutatsioon kromosoomi lõpposas, interstitsiaalses deletsioonis aga sisemises (interior) piirkonnas, mis ei puutu kokku telomeeridega.

Mida ulatuslikum on deletsioon, seda suurem osa geneetilisest informatsioonist kaob ja seda tõsisemad on organismi häired. Suured deletsioonid on fataalsed.

Duplikatsioon

Skemaatline kromosomaalne regioon enne ja pärast duplikatsiooni

Duplikatsioon on mutatsioon, mille tulemusena kahekordistub osa kromosoomist. Duplikatsioone võivad põhjustada vead homoloogilises rekombinatsioonis või retrotransposoonid. Duplikatsioonid mängivad olulist rolli evolutsiooniprotsessides. Geeni teine koopia on vaba selektiivsest rõhust (selective pressure). See tähendab, et mutatsioonid geeni koopias ei avalda kahjulikku mõju organismile ja võivad koguneda selles geenis palju kiiremalt kui funktsionaalses geenis. Susumo Ohno töötas välja ja kirjeldas seda teooriat oma raamatus "Evolution by gene duplication" (1970).

Inversioon

Inversioon on mutatsioon, mille tulemusena vahetuvad omavahel ühe ja sama kromosoomi piirkonnad. Inversiooni võib jagada paratsentriliseks ja peritsentriliseks inversiooniks. Paratsentrilise inversiooni puhul leiab inversioon aset tsentromeerist ühel pool, peritsentrilise inversiooni puhul aga mõlemal pool tsetromeeri.

Inversiooni käigus ei kao geneetiline materjal ja inverteeritud kromosoom ei avalda fenotüübile mõju. Kui aga toimub inverteeritud heterosügoodis ristsiire, siis tekib teatud tõenäosusega anomaalne kromatiid.

Inimesel on kõige rohkem levinud üheksandas kromosoomis tekkinud inversioon, mis ei ole kahjulik. Sellele vaatamata on olemas andmed, et naistel, kes kannavad seda inversiooni, on nurisünnituse tõenäosus 30%.

Translokatsioon

Kromosomaalne translokatsioon on mutatsioon, mille tulemusena toimub ümberkorraldus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Translokatsioone on võimalik jagada järgnevalt:

• vastastikune (non-Robertsonian) translokatsioon;
• Robertsoni (Robertsonian) translokatsioon.

Translokatsioonid võivad olla tasakaalustatud ja tasakaalustamatud. Tasakaalustatud translokatsioon tähendab seda, et vahetub võrdne osa geneetilisest materjalist, tasakaalustamatu translokatsiooni korral ebavõrdne osa.

Vastastikune translokatsioon on geneetilise materjali vahetus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Tema tekkesagedus varieerub 1/500 kuni 1/625 vastsündinu kohta. Sellised mutatsioonid on enamikul juhtudest ohutud. Inimestel, kes kannavad tasakaalustatud vastastikuseid translokatsioone, võivad tekkida tasakaalustamatuid translokatsioone sisaldavad gameedid. Sellised gameedid põhjustavad laste väärarenguid. Enamik kandjatest on terved, aga umbes 6% nendest võivad kannatada autismi ja teiste vaimuhaiguste all.

Robertsoni translokatsioon on kromosoomide ümberkorraldus. Inimeses esineb see akrotsentrilistel kromosoomi paaridel (kromosoomid 13, 14, 15, 21 ja 22). See on mittevastastikune mutatsioon, mille tulemusena kahest akrotsentrilisest kromosoomist moodustub üks. Kandjad on fenotüübilt normaalsed, aga meioosis võivad anda gameete, mis põhjustavad näiteks Downi sündroomi (kui tegemist on 21. ja 14. (15.) kromosoomide translokatsiooniga).

Aneuploidsus

Aneuploidsus on ebanormaalne kromosoomide arv. Lisa- või kadunud kromosoom on tavaline geneetiliste häirete põhjus. Aneuploidsus tekib raku jagunemisel, kui kromosoomid ei jaotu õigesti kahe raku vahel. Kõige sagedamini tekib kolmas lisakromosoom paarides 21, 18 ja 13. Erinevatel liikidel on erinev normaalne kromosoomide arv, seepärast on aneuploidsus liigispetsiifiline termin.

Eristatakse järgmiseid aneuploidsuse tüüpe:

• monosoomia;
• disoomia;
• trisoomia;
• tetra/pentasoomia.

Monosoomia on ühe kromosoomi puudumine karüotüübis. Inimese sugukromosoomide monosoomia põhjustab Turneri sündroomi.

Disoomia on ühe kromosoomi kahe koopia olemasolu. See on normaalne, kui tegemist on diploidse organismiga (nt. inimene), triploidsetel organismidel on see aneuploidsuse ilmnemine.

Trisoomia on lisakromosoomi olemasolu karüotüübis. Lisa 21. kromosoom põhjustab Downi sündroomi. 18. kromosoomi trisoomia põhjustab Edwardsi sündroomi ning 13. kromosoomi trisoomia Patau sündroomi. Need kolm on ainsad autosomaalsed trisoomiad, mis on leitud elusalt sündinud inimestel. Trisoomia on võimalik ka sugukromosoomide puhul (47,XXX; 47,XXY; 47,XYY).

Tetrasoomia ja pentasoomia on nelja ja viie kromosoomikoopia esinemine genoomis. Väga harva esineb autosoomidel, mõnevõrra sagedamini sugukromosoomidel. Inimestel on leitud 48,XXXX; 49,XXXXX; 49,XXXXY ja 49,XYYYY karüotüüpe.

Indutseeritud mutagenees

Mutageneesi kasutatakse laboratoorse meetodina mutantsete tüvede saamiseks. Üldjuhul tekitatakse mutantseid tüvesid kahel eesmärgil:

• teatud geeni või valgu funktsiooni uurimiseks;
• tööstuses kasutatavate tüvede saamiseks.

Juhuslik (random) mutagenees

Juhuslik mutagenees tähendab seda, et mutatsioon toimub suvalis(t)es kohas või kohtades. Efekti on võimalik saavutada UV-kiirguse või erinevate kemikaalide abil. Näiteks võib Escherichia coli't mõjutada UV-kiirgusega ja seejärel panna kasvama agarsöötmesse. Üles kasvanud kolooniad tuleb pärast ümber külvata rikassöötmesse ja minimaalsöötmesse. Spetsiifiliste toitevajadustega mutandid ei kasva minimaalsöötmes. Söötme koostist muutes saab tuvastada, milline komponent on mutanttüvele vajalik.

Saitspetsiifiline mutagenees

Saitspetsiifiline mutagenees on meetod, mille abil tekitatakse mutatsioon DNA molekuli spetsiifilises kohas. See mutageneesi vorm eeldab nukleotiidjärjestuse teadmist.

Üldjuhul on vaja sünteesida praimerit, mis oleks komplementaarne DNA piirkonnale, kus tahetakse saada mutatsioon. Mutatsioon võib olla kas punktmutatsioon, deletsioon või insertsioon. Praimer seondub spetsiifilise kohaga, mis asub tulevase mutatsiooni läheduses. DNA polümeraas sünteesib komplementaarseid ahelaid, kus tekib mutatsioon. Mutatsiooni saidiga DNA ahelat integreeritakse plasmiidi ja amplifitseeritakse. Pärast integreeritakse see bakteri tüvesse ja toimub rekombinatsioon. Selle protsessi tulemusena saadakse mutantseid tüvesid.

Kunkeli meetod

1987. aastal esitlesid Kunkel jt meetodit, mille eeliseks on vähenenud vajadus selekteerida välja mutante. Selleks kasutatakse mutanti, millel puudub kaks ensüümi: dUTPaas ja uratsiil deglükosidaas. dUTPaasi puudumine takistab dUTP lagunemist, uratsiil deglükosidaasi puudumine takistab uratsiili eemaldamist DNAst. Tulemusena sünteesitakse DNA ahelat, mis sisaldab ka uratsiili. Seda DNA ahelat kasutatakse mutageneesiks. Selleks sünteesitakse komplementaarset ahelat. Pärast töödeldakse seda uratsiil deglükosidaasiga, mis eemaldab uratsiili DNA ahelast ja siis leelisega. Saavutatakse mutatsiooniga DNA ahel.

PCR saitspetsiifiline mutagenees

Selles meetodis kasutatakse kindlat mutatsiooni sisaldavaid praimereid. Nad amplifitseerivad mutantset geeni, mida saab pärast ekstraheerida, kasutades elektroforeesi. Mutantne geen sisestatakse DNAsse, kasutades rekombinatsiooni meetodit.

Kokkuvõte

Mutageneesi võivad põhjustada kas endogeensed või eksogeensed faktorid. Endogeensete faktorite hulka kuuluvad spontaanne hüdrolüüs, hapniku vabad radikaalid või vead replikatsiooni- ja reparatsioonimehhanismides. Mutageneesi üheks põhjuseks on keskkonna mutageenid. Toimemehhanism sõltub mutageenist. Suurem osa mutageenidest avaldavad kas otsest või kaudset mõju DNA-le ja põhjustavad selle kahjustust, mõned võivad mõjutada replikatsiooni ja teisi rakus toimuvaid protsesse.

Paljud kemikaalsed mutageenid vajavad bioloogilist aktivatsiooni, et muutuda mutageenseks. Näiteks tsütokroom P450 on oluline ensüümide perekond, mis genereerib mutageenseid metaboliite. Mutageene, mis vajavad bioloogilist aktivatsiooni, nimetatakse promutageenideks.

Paljud mutatsioonid tulevad esile DNA kahjustuse tulemusena replikatsiooni käigus. Bakterirakkudes põhjustavad mutageenid üheahelalise DNA vahe (single-stranded DNA gap) teket replikatsioonis, mis kutsub esile SOS vastuse (SOS response). SOS vastus on reparatsiooni protsess, mis kasutab error-prone(vigaderohket) DNA polümeraasi. Selle ensüümi puuduliku funktsiooni tõttu võivad mutatsioonid püsima jääda. Imetajarakkudes indutseerib replikatsiooni peatumine kahjustatud piirkonnas mitmeid päästesüsteeme, mis aitavad samuti DNA kahjustusi ülesünteesis. Need spetsialiseeritud DNA polümeraasid on ka vigaderohked. DNA polümeraaside Y-perekonna ülesandeks on osalemine DNA kahjustuse ülesünteesi protsessis, mida nimetatakse translesion synthesis (TLS).

Vaata ka

• Transposoonmutagenees