La mutagénesis ( / m juː t ə ˈ dʒ ɛ n ɪ s ɪ s / ) es un proceso mediante el cual la información genética de un organismo se modifica mediante la producción de una mutación . Puede ocurrir de forma espontánea en la naturaleza o como resultado de la exposición a mutágenos . También se puede lograr experimentalmente mediante procedimientos de laboratorio. Un mutágeno es un agente causante de mutaciones, ya sean químicas o físicas, que resulta en una mayor tasa de mutaciones en el código genético de un organismo. En la naturaleza, la mutagénesis puede provocar cáncer y diversas enfermedades hereditarias , y también es una fuerza impulsora de la evolución . La mutagénesis como ciencia se desarrolló a partir del 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 , observando cambios filogenéticos al irradiar moscas de la fruta con relativamente Alta dosis 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 entre 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 del descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel . [7] Lewis Stadler , contemporáneo de Muller, también demostró el efecto de los rayos X sobre las mutaciones en la cebada en 1928, y de la radiación ultravioleta (UV) sobre el maíz en 1936. [8] En la década de 1940, Charlotte Auerbach y JM Robson descubrieron que la mostaza El gas también puede causar mutaciones en las moscas de la fruta. [9]
Si bien los cambios en el cromosoma causados por los rayos X y el gas mostaza eran fácilmente observables para los primeros investigadores, otros cambios en el ADN inducidos por otros mutágenos no eran tan fácilmente observables; el mecanismo por el cual ocurren puede ser complejo y llevar más tiempo desentrañarlo. 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 causa cáncer. [11] Posteriormente se demostró que las sustancias químicas involucradas en ambos eran hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). . [12] Los HAP por sí solos no son cancerígenos, y en 1950 se propuso que las formas cancerígenas de los HAP son los óxidos producidos como metabolitos de procesos celulares. [13] El proceso metabólico fue identificado 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 producto 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 HAP dan lugar a la mutación aún está bajo investigación.
El daño al ADN es una alteración anormal en la estructura del ADN que, en sí misma, no puede replicarse cuando el ADN se replica . Por el contrario, una mutación es un cambio en la secuencia del ácido nucleico que puede replicarse; por tanto, una mutación puede heredarse de una generación a la siguiente. El daño puede ocurrir por adición química (aducto), 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. Dicho daño en el ADN puede provocar una mutación. Cuando se replica el ADN que contiene daño, se puede insertar una base incorrecta en la nueva cadena complementaria mientras se sintetiza (ver Reparación del ADN § Síntesis de translesión ). La inserción incorrecta en la nueva cadena ocurrirá frente al sitio dañado en la cadena plantilla, 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 del ADN pueden repararse mediante un proceso de reparación impreciso, la unión de extremos no homólogos , que produce mutaciones. Por lo general, las mutaciones se pueden evitar si los sistemas precisos de reparación del ADN reconocen el daño en el ADN y lo reparan antes de completar 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 ellos, 83 se emplean directamente en los 5 tipos de procesos de reparación del ADN indicados en el cuadro 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 las referencias en daño al ADN (que ocurre naturalmente) . Si no se corrigen, estos aductos, después de una replicación errónea más allá de los sitios dañados, pueden dar lugar a mutaciones. En la naturaleza, las mutaciones que surgen pueden ser beneficiosas o perjudiciales: ésta es la fuerza impulsora de la evolución. Un organismo puede adquirir nuevos rasgos mediante una mutación genética, pero la mutación también puede provocar un deterioro de la función de los genes y, en casos graves, provocar la muerte del organismo. La mutación es también una fuente importante de adquisición de resistencia a los antibióticos en las bacterias y a los agentes antifúngicos en las levaduras y los mohos. [16] [17] En un entorno de laboratorio, la mutagénesis es una técnica útil para generar mutaciones que permite examinar en detalle las funciones de genes y productos génicos, produciendo proteínas con características mejoradas o funciones novedosas, así como cepas mutantes con características útiles. propiedades. Inicialmente, la capacidad de la radiación y los mutágenos químicos para causar mutaciones se aprovechó para generar mutaciones aleatorias, pero posteriormente se desarrollaron técnicas para introducir mutaciones específicas.
En los seres humanos, se transmiten una media de 60 nuevas mutaciones de padres a hijos. Los varones humanos, sin embargo, tienden a transmitir más mutaciones dependiendo de su edad, transmitiendo un promedio de dos nuevas mutaciones a su progenie con cada año adicional de edad. [18] [19]
La mutagénesis puede ocurrir de forma endógena (p. ej., hidrólisis espontánea), a través de procesos celulares normales que pueden generar especies reactivas de oxígeno y aductos de ADN , o mediante errores 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 se produce la mutación varía según el mutágeno o agente causal involucrado. La mayoría de los mutágenos actúan directa 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 bacterias que crecen en presencia de antibióticos, levaduras que crecen 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 implicadas 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 que requieren activación biológica se denominan promutágenos.
Si bien la mayoría de los mutágenos producen efectos que en última instancia 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 básico como el 5-bromouracilo puede sustituir a la timina en la replicación. Metales como el cadmio, el cromo y el níquel pueden aumentar la mutagénesis de varias maneras además del daño directo al ADN, por ejemplo reduciendo la capacidad de reparar errores, además de producir cambios epigenéticos. [25]
Las mutaciones a menudo surgen como resultado de problemas causados por lesiones en el ADN durante la replicación, lo que resulta en errores en la replicación. En las bacterias, el daño extenso al ADN debido a mutágenos da como resultado espacios en el ADN monocatenario durante la replicación. Esto induce la respuesta SOS , un proceso de reparación de emergencia que también es propenso a errores, generando con ello mutaciones. En las células de mamíferos, la detención 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 derivación de lesiones de ADN en un proceso denominado síntesis de translesión (TLS), mediante el cual estas polimerasas de derivación de lesiones reemplazan la ADN polimerasa replicativa de alta fidelidad estancada, transitan la lesión y extienden el ADN hasta que la lesión ha sido superada. que se pueda reanudar la replicación normal; estos procesos pueden ser propensos a errores o estar libres de errores.
El número de episodios de daño al ADN que ocurren en una célula de mamífero por día es elevado (más de 60.000 por día). La aparición frecuente de daños en el ADN es probablemente un problema para todos los organismos que contienen ADN, y la necesidad de hacer frente a los daños en el ADN y minimizar sus efectos nocivos es probablemente un problema fundamental para la vida. [ cita necesaria ]
La mayoría de las mutaciones espontáneas probablemente surgen de una síntesis de translesión propensa a errores más allá de un sitio de daño del ADN en la cadena plantilla durante la replicación del ADN. Este proceso puede superar bloqueos potencialmente letales, pero a costa 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 eliminaciones espontáneas de pares de bases únicas probablemente sean causadas por la síntesis translesión. [27]
Una fuente importante adicional de mutaciones en eucariotas es el proceso impreciso de reparación del ADN de 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 homóloga propensa a errores también puede ser un contribuyente importante en los eucariotas.
El ADN no es completamente estable en solución acuosa y puede producirse una despurinación del ADN. En condiciones fisiológicas, el enlace glicosídico puede hidrolizarse espontáneamente y se estima que cada día se despurinan 10.000 sitios de purina en el ADN de una célula. [20] Existen numerosas vías de reparación del ADN para el ADN; sin embargo, si no se repara el sitio apurínico, puede ocurrir una mala incorporación de nucleótidos durante la replicación. La adenina es incorporada preferentemente por las ADN polimerasas en un sitio apurínico .
La citidina también puede desaminarse a uridina a una quinientasésima parte de la velocidad de despurinación 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 en timina.
La tautomerización es el proceso mediante el cual los compuestos se reorganizan espontáneamente para asumir sus formas de isómeros estructurales . Por ejemplo, las formas ceto (C=O) de guanina y timina pueden reorganizarse en sus raras formas enol (-OH), mientras que las formas amino (-NH 2 ) de adenina y citosina pueden dar lugar a las formas más raras de imino (=NH). formas. En la replicación del ADN, la tautomerización altera los sitios de apareamiento de bases y puede provocar un apareamiento inadecuado 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 propia secuencia de ADN. La modificación de histonas es un proceso relacionado en el que las proteínas histonas alrededor de las cuales se enrolla el ADN se pueden modificar de manera similar mediante metilación, fosforilación o acetilación; estas modificaciones pueden actuar para alterar la expresión genética del ADN local y también pueden actuar para indicar ubicaciones de ADN dañado que necesitan reparación. El ADN también puede glicosilarse mediante 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 provocar la depurinación del ADN; [30] Sin embargo, no está claro cuán significativa es la depurinación causada por los aductos en la generación de mutaciones.
La alquilación y arilación de bases puede provocar 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. Los N 7 y O 6 de la guanina y los N 3 y N 7 de la 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 la guanina con O 6 puede dar como resultado una transición de G a A , mientras que la metiltimina O 4 puede estar mal emparejada con la 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, produciendo translocación y deleción de parte de un cromosoma. Los agentes alquilantes como el gas mostaza también pueden provocar roturas en la columna vertebral 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 especies altamente reactivas también puede provocar mutaciones.
Los enlaces covalentes entre las bases de los nucleótidos del ADN, ya sean de la misma hebra o de hebras opuestas, se denominan entrecruzamiento del ADN ; El entrecruzamiento del ADN puede afectar tanto a la replicación como a la transcripción del ADN y puede ser causado 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. El entrecruzamiento 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 quimioterapéuticos anticancerígenos 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 sin errores; [34] sin embargo, las personas con una función defectuosa de reparación del ADN, como aquellos con xeroderma pigmentoso , son sensibles a la luz solar y pueden ser propensos al cáncer de piel.
Clínicamente, si un tumor se ha formado como consecuencia directa de la radiación ultravioleta se puede discernir mediante el análisis de secuenciación del ADN para detectar el patrón de dimerización característico y específico del contexto que se produce 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. Este inserto hace que la columna vertebral del ADN se estire y hace que sea más probable 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 adelante dará como resultado una mutación por eliminación , mientras que el deslizamiento hacia atrás dará como resultado una mutación por inserción . Además, la intercalación en el ADN de antraciclinas como la daunorrubicina y la doxorrubicina interfiere con el funcionamiento de la enzima topoisomerasa II , bloqueando la replicación y provocando recombinación homóloga mitótica.
Los transposones y 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 tensiones ambientales es muy amplia, los mecanismos que las posibilitan también lo son, hasta donde lo han demostrado las investigaciones en el 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 relacionados con mutaciones cromosómicas intransferibles mediante 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 descubierto 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 mutaciones del ADN para producir genes, proteínas o cepas de organismos mutantes. Se pueden mutar varios constituyentes de un gen, como sus elementos de control y su producto genético, 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 de utilidad comercial. También se pueden producir cepas mutantes de organismos que tengan aplicaciones prácticas o que permitan investigar las bases moleculares de una función celular particular.
Los primeros métodos de mutagénesis produjeron mutaciones completamente aleatorias; sin embargo, los métodos modernos de mutagénesis son capaces de producir mutaciones específicas de sitio . Las técnicas de laboratorio modernas utilizadas para generar estas mutaciones incluyen:
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