La mutagénesis ( / m juː t ə ˈ dʒ ɛ n ɪ s ɪ s / ) es un proceso por el cual la información genética de un organismo se modifica mediante la producción de una mutación . Puede ocurrir espontáneamente en la naturaleza o como resultado de la exposición a mutágenos . También se puede lograr experimentalmente utilizando procedimientos de laboratorio. Un mutágeno es un agente causante de mutaciones, ya sea químico o físico, que da como resultado una mayor tasa de mutaciones en el código genético de un organismo. En la naturaleza, la mutagénesis puede provocar cáncer y varias enfermedades hereditarias , y también es una fuerza impulsora de la evolución . La mutagénesis como ciencia se desarrolló con base en el trabajo realizado por Hermann Muller , Charlotte Auerbach y JM Robson en la primera mitad del siglo XX. [1]
El ADN puede ser modificado, ya sea de forma natural o artificial, por una serie de agentes físicos, químicos y biológicos, dando lugar a mutaciones . Hermann Muller descubrió que las "altas temperaturas" tienen la capacidad de mutar genes a principios de la década de 1920, [2] y en 1927, demostró un vínculo causal con la mutación al experimentar con una máquina de rayos X , notando cambios filogenéticos al irradiar moscas de la fruta con dosis relativamente altas de rayos X. [3] [4] Muller observó una serie de reordenamientos cromosómicos en sus experimentos y sugirió la mutación como causa del cáncer. [5] [6] La asociación de la exposición a la radiación y el cáncer se había observado ya en 1902, seis años después del descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen y el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel . [7] Lewis Stadler , contemporáneo de Muller, también mostró el efecto de los rayos X en las mutaciones de la cebada en 1928, y de la radiación ultravioleta (UV) en el maíz en 1936. [8] En la década de 1940, Charlotte Auerbach y JM Robson descubrieron que el gas mostaza también puede causar mutaciones en las moscas de la fruta. [9]
Aunque los primeros investigadores podían observar fácilmente los cambios en los cromosomas provocados por los rayos X y el gas mostaza, otros cambios en el ADN inducidos por otros mutágenos no eran tan fáciles de observar; el mecanismo por el que se producen puede ser complejo y tardar más en desentrañar. Por ejemplo, ya en 1775 se sugirió que el hollín era una causa de cáncer [10] , y en 1915 se demostró que el alquitrán de hulla causaba cáncer [11] . Más tarde se demostró que los productos químicos implicados en ambos eran hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). [12] Los HAP por sí mismos no son cancerígenos, y en 1950 se propuso que las formas cancerígenas de los HAP son los óxidos producidos como metabolitos a partir de procesos celulares [13] . El proceso metabólico se identificó en la década de 1960 como catálisis por el citocromo P450 , que produce especies reactivas que pueden interactuar con el ADN para formar aductos , o moléculas de productos resultantes de la reacción del ADN y, en este caso, el citocromo P450; [14] [15] Sin embargo, el mecanismo por el cual los aductos de PAH dan lugar a la mutación aún está bajo investigación.
El daño del ADN es una alteración anormal en la estructura del ADN que no puede, por sí misma, replicarse cuando el ADN se replica . Por el contrario, una mutación es un cambio en la secuencia de ácido nucleico que puede replicarse; por lo tanto, una mutación puede heredarse de una generación a la siguiente. El daño puede ocurrir por adición química (aducción), o alteración estructural de una base de ADN (creando un nucleótido o fragmento de nucleótido anormal), o una rotura en una o ambas cadenas de ADN. Tal daño del ADN puede resultar en mutación. Cuando se replica ADN que contiene daño, se puede insertar una base incorrecta en la nueva cadena complementaria mientras se está sintetizando (ver Reparación de ADN § Síntesis de translesión ). La inserción incorrecta en la nueva cadena ocurrirá opuesta al sitio dañado en la cadena molde, y esta inserción incorrecta puede convertirse en una mutación (es decir, un par de bases cambiado) en la siguiente ronda de replicación. Además, las roturas de doble cadena en el ADN pueden repararse mediante un proceso de reparación inexacto, unión de extremos no homólogos , que produce mutaciones. Las mutaciones pueden evitarse normalmente si los sistemas de reparación del ADN reconocen los daños en el ADN y los reparan antes de que se complete la siguiente ronda de replicación. Al menos 169 enzimas se emplean directamente en la reparación del ADN o influyen en los procesos de reparación del ADN. De ellas, 83 se emplean directamente en los 5 tipos de procesos de reparación del ADN que se indican en el gráfico que se muestra en el artículo Reparación del ADN .
El ADN nuclear de los mamíferos puede sufrir más de 60.000 episodios de daño por célula por día, como se enumera con referencias en Daño del ADN (de ocurrencia natural) . Si no se corrigen, estos aductos, después de la replicación incorrecta más allá de los sitios dañados, pueden dar lugar a mutaciones. En la naturaleza, las mutaciones que surgen pueden ser beneficiosas o perjudiciales: esta es la fuerza impulsora de la evolución. Un organismo puede adquirir nuevos rasgos a través de la mutación genética, pero la mutación también puede resultar en una función deteriorada de los genes y, en casos graves, causa la muerte del organismo. La mutación también es una fuente importante de adquisición de resistencia a los antibióticos en bacterias y a los agentes antifúngicos en levaduras y mohos. [16] [17] En un entorno de laboratorio, la mutagénesis es una técnica útil para generar mutaciones que permiten examinar en detalle las funciones de los genes y los productos génicos, produciendo proteínas con características mejoradas o funciones novedosas, así como cepas mutantes con propiedades útiles. Inicialmente, se aprovechó la capacidad de la radiación y los mutágenos químicos para producir mutaciones aleatorias, pero más tarde se desarrollaron técnicas para introducir mutaciones específicas.
En los seres humanos, se transmiten de padres a hijos una media de 60 mutaciones nuevas. Sin embargo, los varones tienden a transmitir más mutaciones según su edad, y transmiten una media de dos mutaciones nuevas a su progenie por cada año adicional de edad. [18] [19]
La mutagénesis puede ocurrir endógenamente (por ejemplo, hidrólisis espontánea), a través de procesos celulares normales que pueden generar especies reactivas de oxígeno y aductos de ADN , o por error en la replicación y reparación del ADN. [20] La mutagénesis también puede ocurrir como resultado de la presencia de mutágenos ambientales que inducen cambios en el ADN de un organismo. El mecanismo por el cual ocurre la mutación varía según el mutágeno , o el agente causal, involucrado. La mayoría de los mutágenos actúan directamente o indirectamente a través de metabolitos mutagénicos, en el ADN de un organismo, produciendo lesiones. Algunos mutágenos, sin embargo, pueden afectar el mecanismo de replicación o partición cromosómica y otros procesos celulares.
La mutagénesis también puede ser autoinducida por organismos unicelulares cuando las condiciones ambientales son restrictivas para el crecimiento del organismo, como las bacterias que crecen en presencia de antibióticos, la levadura que crece en presencia de un agente antifúngico u otros organismos unicelulares que crecen en un entorno carente de un nutriente esencial [21] [22] [23]
Muchos mutágenos químicos requieren activación biológica para volverse mutagénicos. Un grupo importante de enzimas involucradas en la generación de metabolitos mutagénicos es el citocromo P450 . [24] Otras enzimas que también pueden producir metabolitos mutagénicos incluyen la glutatión S-transferasa y la epóxido hidrolasa microsomal . Los mutágenos que no son mutagénicos por sí mismos pero requieren activación biológica se denominan promutágenos.
Si bien la mayoría de los mutágenos producen efectos que finalmente resultan en errores en la replicación, por ejemplo, creando aductos que interfieren con la replicación, algunos mutágenos pueden afectar directamente el proceso de replicación o reducir su fidelidad. Un análogo de base como el 5-bromouracilo puede sustituir a la timina en la replicación. Los metales como el cadmio, el cromo y el níquel pueden aumentar la mutagénesis de varias maneras, además de causar daño directo al ADN, por ejemplo, reduciendo la capacidad de reparar errores, así como produciendo cambios epigenéticos. [25]
Las mutaciones suelen surgir como resultado de problemas causados por lesiones del ADN durante la replicación, lo que da lugar a errores en la replicación. En las bacterias, el daño extenso al ADN debido a mutágenos da como resultado huecos de ADN monocatenario durante la replicación. Esto induce la respuesta SOS , un proceso de reparación de emergencia que también es propenso a errores, lo que genera mutaciones. En las células de mamíferos, el estancamiento de la replicación en los sitios dañados induce una serie de mecanismos de rescate que ayudan a evitar las lesiones del ADN, sin embargo, esto también puede dar lugar a errores. La familia Y de ADN polimerasas se especializa en la evitación de lesiones del ADN en un proceso denominado síntesis de translesión (TLS) mediante el cual estas polimerasas que evitan la lesión reemplazan a la ADN polimerasa replicativa de alta fidelidad estancada, transitan la lesión y extienden el ADN hasta que se ha superado la lesión para que pueda reanudarse la replicación normal; estos procesos pueden ser propensos a errores o libres de errores.
El número de episodios de daño del ADN que ocurren en una célula de mamífero por día es alto (más de 60.000 por día). La ocurrencia frecuente de daño del ADN es probablemente un problema para todos los organismos que contienen ADN, y la necesidad de lidiar con el daño del ADN y minimizar sus efectos nocivos es probablemente un problema fundamental para la vida. [ cita requerida ]
La mayoría de las mutaciones espontáneas probablemente surgen de una síntesis translesional propensa a errores que pasa por un sitio dañado del ADN en la cadena molde durante la replicación del ADN. Este proceso puede superar bloqueos potencialmente letales, pero al precio de introducir imprecisiones en el ADN hijo. La relación causal del daño del ADN con la mutación espontánea se ilustra con la bacteria E. coli que crece aeróbicamente , en la que el 89% de las mutaciones de sustitución de bases que ocurren espontáneamente son causadas por daño del ADN inducido por especies reactivas de oxígeno (ROS). [26] En la levadura, más del 60% de las sustituciones y deleciones espontáneas de un solo par de bases probablemente son causadas por la síntesis translesional. [27]
Una fuente importante adicional de mutaciones en eucariotas es el proceso inexacto de reparación del ADN mediante unión de extremos no homólogos , que a menudo se emplea en la reparación de roturas de doble cadena. [28]
En general, parece que la principal causa subyacente de la mutación espontánea es la síntesis de translesiones propensa a errores durante la replicación del ADN y que la vía de reparación de unión de extremos no homólogos propensa a errores también puede ser un contribuyente importante en los eucariotas.
El ADN no es completamente estable en solución acuosa, y puede ocurrir la despurinización del ADN. En condiciones fisiológicas, el enlace glucosídico puede hidrolizarse espontáneamente y se estima que 10.000 sitios de purina en el ADN se despurinizan cada día en una célula. [20] Existen numerosas vías de reparación del ADN; sin embargo, si el sitio apurínico no se repara, puede ocurrir una incorporación incorrecta de nucleótidos durante la replicación. La adenina es incorporada preferentemente por las polimerasas del ADN en un sitio apurínico .
La citidina también puede desaminarse a uridina a una velocidad cinco centésima parte de la despurinización y puede dar lugar a una transición de G a A. Las células eucariotas también contienen 5-metilcitosina , que se cree que participa en el control de la transcripción genética, que puede desaminarse a timina.
La tautomerización es el proceso por el cual los compuestos se reorganizan espontáneamente para asumir sus formas isoméricas estructurales . Por ejemplo, las formas ceto (C=O) de la guanina y la timina pueden reorganizarse en sus raras formas enólicas (-OH), mientras que las formas amino (-NH 2 ) de la adenina y la citosina pueden dar lugar a las más raras formas imino (=NH). En la replicación del ADN, la tautomerización altera los sitios de apareamiento de bases y puede provocar el apareamiento incorrecto de las bases de los ácidos nucleicos. [29]
Las bases pueden ser modificadas endógenamente por moléculas celulares normales. Por ejemplo, el ADN puede ser metilado por S-adenosilmetionina , alterando así la expresión del gen marcado sin incurrir en una mutación en la secuencia de ADN en sí. La modificación de histonas es un proceso relacionado en el que las proteínas histonas alrededor de las cuales se enrolla el ADN pueden ser modificadas de manera similar a través de metilación, fosforilación o acetilación; estas modificaciones pueden actuar para alterar la expresión génica del ADN local, y también pueden actuar para indicar ubicaciones de ADN dañado que necesitan reparación. El ADN también puede ser glicosilado por azúcares reductores .
Muchos compuestos, como los HAP, las aminas aromáticas , las aflatoxinas y los alcaloides de pirrolizidina , pueden formar especies reactivas de oxígeno catalizadas por el citocromo P450. Estos metabolitos forman aductos con el ADN, lo que puede causar errores en la replicación, y los voluminosos aductos aromáticos pueden formar intercalaciones estables entre bases y bloquear la replicación. Los aductos también pueden inducir cambios conformacionales en el ADN. Algunos aductos también pueden dar lugar a la despurinación del ADN; [30] sin embargo, no se sabe con certeza qué importancia tiene dicha despurinación causada por los aductos en la generación de mutaciones.
La alquilación y arilación de bases puede causar errores en la replicación. Algunos agentes alquilantes como las N- nitrosaminas pueden requerir la reacción catalítica del citocromo-P450 para la formación de un catión alquilo reactivo. N 7 y O 6 de guanina y el N 3 y N 7 de adenina son los más susceptibles al ataque. Los aductos de N 7 -guanina forman la mayor parte de los aductos de ADN , pero parecen no ser mutagénicos. Sin embargo, la alquilación en O 6 de guanina es perjudicial porque la reparación por escisión del aducto de O 6 de guanina puede ser deficiente en algunos tejidos como el cerebro. [31] La metilación de O 6 de guanina puede dar como resultado la transición de G a A , mientras que la O 4 -metiltimina puede estar mal apareada con guanina. Sin embargo, el tipo de mutación generada puede depender del tamaño y tipo del aducto, así como de la secuencia de ADN. [32]
La radiación ionizante y las especies reactivas de oxígeno a menudo oxidan la guanina para producir 8-oxoguanina .
La radiación ionizante puede producir radicales libres altamente reactivos que pueden romper los enlaces del ADN. Las roturas de doble cadena son especialmente dañinas y difíciles de reparar, ya que producen la translocación y la eliminación de parte de un cromosoma. Los agentes alquilantes, como el gas mostaza, también pueden causar roturas en la estructura principal del ADN. El estrés oxidativo también puede generar especies de oxígeno altamente reactivas que pueden dañar el ADN. La reparación incorrecta de otros daños inducidos por las especies altamente reactivas también puede provocar mutaciones.
Los enlaces covalentes entre las bases de los nucleótidos del ADN, ya sea que se encuentren en la misma cadena o en cadenas opuestas, se denominan reticulación del ADN ; la reticulación del ADN puede afectar tanto a la replicación como a la transcripción del ADN, y puede ser causada por la exposición a una variedad de agentes. Algunas sustancias químicas naturales también pueden promover la reticulación, como los psoralenos después de la activación por radiación UV y el ácido nitroso. La reticulación entre cadenas (entre dos cadenas) causa más daño, ya que bloquea la replicación y la transcripción y puede causar roturas y reordenamientos cromosómicos. Algunos reticulantes como la ciclofosfamida , la mitomicina C y el cisplatino se utilizan como quimioterapia contra el cáncer debido a su alto grado de toxicidad para las células en proliferación.
La dimerización consiste en la unión de dos monómeros para formar un oligómero, como la formación de dímeros de pirimidina como resultado de la exposición a la radiación UV , que promueve la formación de un anillo de ciclobutilo entre timinas adyacentes en el ADN. [33] En las células de la piel humana, se pueden formar miles de dímeros en un día debido a la exposición normal a la luz solar. La ADN polimerasa η puede ayudar a evitar estas lesiones de manera libre de errores; [34] sin embargo, los individuos con una función de reparación del ADN defectuosa, como aquellos con xeroderma pigmentosum , son sensibles a la luz solar y pueden ser propensos al cáncer de piel.
Clínicamente, se puede discernir si un tumor se ha formado como consecuencia directa de la radiación UV mediante el análisis de secuenciación de ADN para el patrón característico de dimerización específico del contexto que ocurre debido a la exposición excesiva a la luz solar. [35]
La estructura plana de sustancias químicas como el bromuro de etidio y la proflavina les permite insertarse entre las bases del ADN. Esta inserción hace que la estructura principal del ADN se estire y aumenta la probabilidad de que se produzca un deslizamiento en el ADN durante la replicación, ya que el estiramiento hace que la unión entre las hebras sea menos estable. El deslizamiento hacia delante dará lugar a una mutación por deleción , mientras que el deslizamiento inverso dará lugar a una mutación por inserción . Además, la intercalación en el ADN de antraciclinas como la daunorrubicina y la doxorrubicina interfiere en el funcionamiento de la enzima topoisomerasa II , bloqueando la replicación y provocando la recombinación homóloga mitótica.
Los transposones y los virus o retrotransposones pueden insertar secuencias de ADN en regiones codificantes o elementos funcionales de un gen y provocar la inactivación del gen. [36]
La mutagénesis adaptativa se ha definido como mecanismos de mutagénesis que permiten a un organismo adaptarse a un estrés ambiental. Dado que la variedad de estreses ambientales es muy amplia, los mecanismos que la posibilitan también son bastante amplios, según lo han demostrado las investigaciones en este campo. Por ejemplo, en bacterias, se ha demostrado que la modulación de la respuesta SOS y la síntesis de ADN del profago endógeno aumentan la resistencia de Acinetobacter baumannii a la ciprofloxacina. [16] Se presume que los mecanismos de resistencia están vinculados a la mutación cromosómica no transferible a través de la transferencia horizontal de genes en algunos miembros de la familia Enterobacteriaceae, como E. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp. y Enterobacter spp. [37] Los eventos cromosómicos, especialmente la amplificación de genes, también parecen ser relevantes para esta mutagénesis adaptativa en bacterias. [38]
La investigación en células eucariotas es mucho más escasa, pero los eventos cromosómicos también parecen ser bastante relevantes: mientras que se ha informado que una recombinación intracromosómica ectópica está involucrada en la adquisición de resistencia a la 5-fluorocitosina en Saccharomyces cerevisiae , [17] se ha encontrado que las duplicaciones del genoma confieren resistencia en S. cerevisiae a ambientes pobres en nutrientes. [21] [39] [40]
En el laboratorio, la mutagénesis es una técnica mediante la cual se modifican deliberadamente las mutaciones del ADN para producir genes, proteínas o cepas de organismos mutantes. Se pueden mutar diversos componentes de un gen, como sus elementos de control y su producto génico, para poder examinar en detalle la función de un gen o proteína. La mutación también puede producir proteínas mutantes con propiedades alteradas o funciones mejoradas o novedosas que pueden resultar útiles comercialmente. También se pueden producir cepas mutantes de organismos que tengan aplicaciones prácticas o permitan investigar la base molecular de una función celular particular.
Los primeros métodos de mutagénesis producían mutaciones completamente aleatorias; sin embargo, los métodos modernos de mutagénesis son capaces de producir mutaciones en sitios específicos . Las técnicas de laboratorio modernas que se utilizan para generar estas mutaciones incluyen:
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