Спонтанна мутагенеза
Съществуването на спонтанни мутации е известно много преди да бъде открита индуцираната мутагенеза, но естеството на индуцираните мутации е много по-известно.
Първите опити за обяснение на причините за спонтанните мутации се основават на данни, получени от анализа на радиационната мутагенеза. Тъй като има космически лъчи и естествен фон на радиоактивност, а кривите доза-отговор за йонизиращо лъчение се характеризират с липсата на праг, тогава спонтанната генна мутация, поне отчасти, трябва да бъде свързана с действието на тези фактори.
Изчислено е, че при Drosophila естествената фонова радиация е отговорна само за 0,1% от спонтанните мутации. Въпреки това, с увеличаване на продължителността на живота на организма, ефектът от естествената радиация се увеличава. При хората неговият дял в общия обем на спонтанните мутации може да достигне 25%. Значителна част от мутациите в едноклетъчните организми и вирусите, класифицирани като спонтанни, всъщност са причинени от естествена радиация и UV излагане.
Подобрява образуването на спонтанни мутации и повишаване на температурата на околната среда. Всяко повишаване на температурата с 10°C може да увеличи скоростта на мутация до пет пъти.
По принцип появата на спонтанни мутации не е свързана с външни влияния върху тялото, а със случайно увреждане на гени и хромозоми в процеса на нормалния клетъчен метаболизъм. Физиологичното състояние на клетките също значително влияе върху спонтанната мутагенеза. Увеличаване на честотата на естествените мутации с увеличаване на възрастта на клетката е отбелязано още през 1933 г. от M.S. Навашин върху семена от растения Crepis capillaris. Ендогенните фактори на спонтанната мутагенеза включват: 1) грешки в хода на репликацията на ДНК; 2) ремонтни грешки; 3) Грешки при рекомбинация на ДНК; 4) действието на мутаторните гени иантимутатори; 6) действието на други фактори от ендогенен произход.
Асоциация на спонтанната мутагенеза с ДНК репликация, ремонт и рекомбинация
Уотсън и Крик са първите, които посочват възможната връзка между появата на спонтанни мутации и процесите на репликация на ДНК въз основа на концепцията за тавтомерни трансформации в молекулата на ДНК. В резултат на редки движения на водородни атоми от една позиция в пурин или пиримидин към други, по-стабилни, кетоформите на тимин и гуанин и аминоформите на аденин и цитозин претърпяват тавтомеризация, превръщайки се съответно в по-малко стабилни енолни и имино форми. Такива преходи могат да доведат до образуването на AC и GT двойки, което води до появата на спонтанни преходи и трансверсии. Установено е обаче, че основният принос на репликацията на ДНК за появата на спонтанни мутации е свързан с грешки в работата на ДНК полимеразите и химическата модификация на цитозина.
Изчислено е, че грешките по време на ДНК полимеризацията се появяват със скорост приблизително 10 -5 . Коригиращата 3-5-екзонуклеазна активност на ДНК полимеразите намалява тази честота до 10 -10 на включен нуклеотид. Репаративните процеси допълнително намаляват възможността за подобни грешки. Техният брой обаче все още е достатъчен за възникване на генетично наследени промени в даден ген, които се записват като спонтанни мутации. Връзката на спонтанната мутагенеза с функционирането на ДНК полимеразите се потвърждава от данни за мутаторната активност наE.coliмутанти с дефектна ДНК полимераза III. „Грешка“ ДНК полимераза е открита в клетките на човек с левкемия. Наред с това има данни за възникване на спонтанни мутации при липса на синтез на ДНК. По този начин се наблюдава спонтанна поява на ауксотрофи в почиващите спори на бацили и актиномицети,в изсушениE.coliклетки, в извънклетъчно съхранявани бактериофаги. Очевидно при тези условия може да настъпи увреждане, свързано с процеси на депуринация, делеции и други химични и структурни промени в ДНК. Такива пре-мутационни увреждания могат да се реализират в мутации по време на последващ синтез на ДНК.
ВE.coliвъзникват голям брой спонтанни мутации чрез химическа модификация на една от четирите бази, присъстващи в ДНК. Тази модификация се случва in situ, т.е. на място. Най-разпространената модифицирана основа е 5-метилцитозин (5-МС), открит както в про-, така и в еукариоти. Ензимът метилаза добавя СН3 група към цитозина на определени места на ДНК, което води до модифициране на малка част от общия брой цитозинови бази. По отношение на гена lacIE.coli, кодиращ репресора на лактозния оперон, беше показано, че „горещите точки“ на спонтанната мутагенеза съответстват на места, съдържащи 5-МС. Във всички случаи мутацията е HcAT преход. ВE.coliмутанти, дефектни в метилазата (dam ), такива „горещи точки“ отсъстват. Това се дължи на факта, че 5-MC често се подлага на дезаминиране и когато NH2 групата се замени с CO група, 5-MC се превръща в тимин. Такова заместване от своя страна води до образуването на грешна GT двойка, която при последваща репликация се превръща в мутантна AT двойка. По принцип не 5-MC, а директно самият цитозин може да претърпи окончателно дезаминиране. В същото време той се превръща в урацил, ноE.coliима ензима урацил-ДНК гликозилаза, който премахва урацил от ДНК. Това води до образуването на несдвоен гуанин, срещу който цитозинът се включва по време на последващия репаративен синтез. По такъвмутация не възниква. Тъй като дезаминирането на 5-МС води до появата в ДНК на неговата нормална база, тимин, репаративната система не разпознава такова заместване като увреждане на ДНК и възниква мутация.
В допълнение към репликацията, появата на спонтанни мутации може да бъде свързана с възстановяване на ДНК. Такава система е най-пълно проследена вE.coli. Мутациите в uvrD гена (синоним на uvrE), който участва в възстановяването на UV-индуцирани едноверижни прекъсвания, увеличават честотата на спонтанните ATHC преходи стотици пъти. При polA мутанти, дефектни в ДНК полимераза I, честотата на спонтанно образуване на точкови мутации и делеции се увеличава. Ексцизионните и пострепликативните (рекомбинационни) ремонти не влияят на честотата на спонтанните мутации в бактериите, но има случаи, когато чувствителните към UV лъчи бактерии имат повишена спонтанна мутабилност. Изключването на тъмната поправка намалява честотата на спонтанните мутации. Всички тези факти свидетелстват за влиянието на репаративните процеси върху появата на спонтанни мутации, но механизмите на това влияние не са проучени.
Третият процес, водещ до образуването на спонтанни мутации, е генетичната рекомбинация. Данни по този въпрос са получени главно върху дрожди. K. Magni и R. von Borstell, които откриха явлението „мейотична рекомбинация“, което означава, че спонтанните мутации на рамката са много по-чести при мейозата, отколкото при митозата. Това доведе до заключението, че причината за мутацията в мейозата е неравномерно интрагенно кръстосване, което води до вмъквания или изтривания на бази. Проявата на този мейотичен ефект е специфична за tRNA гени, мутациите в които водят до появата на суперсупресори.
Връзка между спонтанна мутагенеза и рекомбинацияпоказани в други обекти. ВE.coliса получени мутанти с повишена способност за рекомбинация, при които спонтанната мутабилност е едновременно повишена. При мъжките Drosophila са идентифицирани мутанти, при които честотата на рекомбинациите корелира с честотите на свързаните с пола автозомни летални заболявания.