Mutagenesis ist ein Prozess, durch den die genetische Information eines Organismus auf eine stabile Weise geändert wird, auf eine Veränderung hinauslaufend. Es kann spontan in der Natur, oder infolge der Aussetzung von mutagens vorkommen. Es kann auch experimentell mit Laborverfahren erreicht werden. In der Natur kann mutagenesis zu Krebs und verschiedenen erblichen Krankheiten führen, aber es ist auch die treibende Kraft der Evolution. Mutagenesis als eine Wissenschaft wurde gestützt auf der geleisteten Arbeit von Hermann Muller, Charlotte Auerbach und J. M. Robson in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt.

Hintergrund

DNA kann modifiziert werden entweder natürlich oder künstlich von mehreren physischen, chemischen und biologischen Agenten, auf Veränderungen hinauslaufend. 1927 hat Hermann Muller zuerst demonstriert, dass die Veränderung mit erkennbaren Änderungen in den Chromosomen durch das Bestrahlen von Taufliegen mit dem Röntgenstrahl verursacht, und Unterstützung zur Idee von der Veränderung als die Ursache des Krebses geliehen werden kann. Sein zeitgenössischer Lewis Stadler hat auch die mutational Wirkung des Röntgenstrahls auf der Gerste 1928 und ultraviolette (UV) Radiation auf dem Mais 1936 gezeigt. In den 1940er Jahren, Charlotte Auerbach und J. M. Robson, hat gefunden, dass Senfgas auch Veränderungen in Taufliegen verursachen kann.

Während Änderungen zum Chromosom, das durch den Röntgenstrahl und das Senfgas verursacht ist, den frühen Forschern sogleich erkennbar waren, waren andere Änderungen zur durch anderen mutagens veranlassten DNA nicht so leicht erkennbar, und der Mechanismus kann kompliziert sein und nimmt länger, um aufzugehen. Zum Beispiel wurde Ruß angedeutet, eine Ursache des Krebses schon in 1775 zu sein, und Steinkohlenteer wurde demonstriert, um Krebs 1915 zu verursachen. Wie man später zeigte, waren die an beiden beteiligten Chemikalien polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH). PAHs durch sich sind nicht karzinogen, und es wurde 1950 vorgeschlagen, dass die karzinogenen Formen von PAHs die Oxyde erzeugt als metabolites von Zellprozessen sind. Der metabolische Prozess wurde in den 1960er Jahren als Katalyse durch cytochrome P450 identifiziert, der reaktive Arten erzeugt, die mit der DNA aufeinander wirken können, um Zusätze zu bilden, ist der Mechanismus, durch den die PAH-Zusätze Veränderung jedoch verursachen, noch unter der Untersuchung.

DNA kann mehr als 50,000 Schäden pro Zelle pro Tag stützen, und einige Schätzungen stellen die Zahl von Oxidative-Zusätzen pro Zelle, die durch reaktive reaktive oxidative Arten an 150,000 erzeugt ist. Verlassen unkorrigiert können diese Zusätze Veränderung verursachen. In der Natur können die Veränderungen, die entstehen, vorteilhaft oder schädlich sein - es ist die treibende Kraft der Evolution, ein Organismus kann neue Charakterzüge durch die genetische Veränderung erwerben, aber Veränderung kann auch auf verschlechterte Funktion der Gene, und in strengen Fällen hinauslaufen, den Tod des Organismus herbeiführend. Im Laboratorium, jedoch, ist mutagenesis eine nützliche Technik, um Veränderungen zu erzeugen, der den Funktionen von Genen und Genprodukten erlaubt, im Detail untersucht zu werden, Proteine mit verbesserten Eigenschaften oder neuartiger Funktion, sowie Mutationsbeanspruchungen mit nützlichen Eigenschaften erzeugend. Am Anfang wurde die Fähigkeit der Radiation und chemischen mutagens, um Veränderung zu verursachen, ausgenutzt, um zufällige Veränderungen zu erzeugen, spätere Techniken wurden entwickelt, um spezifische Veränderungen einzuführen.

Mechanismen

Mutagenesis kann endogen, zum Beispiel durch die spontane Hydrolyse, oder durch normale Zellprozesse vorkommen, die reaktive Sauerstoff-Arten und DNA-Zusätze, oder durch den Fehler in der Erwiderung und Reparatur erzeugen können. Mutagenesis kann auch infolge der Anwesenheit von Umweltmutagens entstehen, der Änderungen zur DNA veranlasst. Der Mechanismus, durch den Veränderung entsteht, ändert sich gemäß dem begründenden Agenten, dem mutagen, beteiligt. Die meisten mutagens handeln entweder direkt, oder indirekt über mutagenic metabolites auf den DNA-Produzieren-Verletzungen. Einige können jedoch die Erwiderung oder den chromosomalen Teilungsmechanismus und die anderen Zellprozesse betreffen.

Viele chemische mutagens verlangen, dass biologische Aktivierung mutagenic wird. Eine wichtige Gruppe von Enzymen, die an der Generation von mutagenic metabolites beteiligt sind, ist cytochrome P450. Andere Enzyme, die auch mutagenic metabolites erzeugen können, schließen glutathione S-transferase ein, und microsomal faulenzen epoxide hydro. Mutagens, die nicht mutagenic durch sich sind, aber biologische Aktivierung verlangen, werden promutagens genannt.

Viele Veränderungen entstehen infolge Probleme, die durch die DNA-Verletzungen während der Erwiderung verursacht sind, auf Fehler auf die Erwiderung hinauslaufend. In Bakterien erzeugt der große Schaden zur DNA wegen mutagens einzeln gestrandete DNA-Lücken während der Erwiderung, die die SOS-Antwort, einen Notreparatur-Prozess veranlasst, der auch fehlbar ist, dadurch Veränderungen erzeugend. In Säugetierzellen, dem Einstellen der Erwiderung an veranlassen beschädigte Seiten mehrere Rettungsmechanismen, die helfen, DNA-Verletzungen zu umgehen, aber die auch auf Fehler hinauslaufen können. Die Y Familie der DNA polymerases spezialisiert sich auf die DNA-Verletzungsumleitung in der genannten translesion Synthese eines Prozesses (TLS), wodurch diese Verletzungsumleitung polymerases ersetzt die eingestellte replicative High-Fidelity-DNA polymrase, die Verletzung durchquert und erweitern Sie die DNA, bis die Verletzung passiert worden ist, so dass normale Erwiderung die Tätigkeit wieder aufnehmen kann. Diese Prozesse können fehlbar oder fehlerfrei sein.

Spontane Hydrolyse

DNA ist in der wässrigen Lösung nicht völlig stabil. Unter physiologischen Bedingungen kann das glycosidic Band hydrolyzed spontan sein, und, wie man schätzt, sind 10,000 purine Seiten in der DNA depurinated jeden Tag in einer Zelle. Zahlreicher DNA-Reparatur-Pfad besteht für die DNA jedoch, wenn die apurinic Seite gescheitert hat, repariert zu werden, misincorporation nucleotide kann während der Erwiderung vorkommen. Adenin wird durch die DNA polymerases in einer apurinic Seite bevorzugt vereinigt. Cytidine kann auch deaminated für uridine an einer fünfhundertster von der Rate von depurination werden und kann auf G zu Einem Übergang hinauslaufen. Zellen von Eukaryotic enthalten auch 5-methylcytosine, vorgehabt, an der Kontrolle der Genabschrift beteiligt zu werden, die deaminated in thymine werden kann.

Modifizierung von Basen

Basen können endogen durch normale Zellmoleküle modifiziert werden. Zum Beispiel kann DNA methylated durch S-adenosylmethionine und glycosylated durch das Reduzieren von Zucker sein.

Viele Zusammensetzungen, wie PAHs, aromatische Amine, aflatoxin und pyrrolizidine Alkaloide können reaktive Sauerstoff-Arten bilden, die durch cytochrome P450 katalysiert sind. Diese metabolites bilden Zusätze mit der DNA, die Fehler in der Erwiderung verursachen kann, und die umfangreichen aromatischen Zusätze stabile Einschaltung zwischen Basen bilden und Erwiderung blockieren können. Die Zusätze können auch Conformational-Änderungen in der DNA veranlassen. Einige Zusätze können auch auf den depurination der DNA hinauslaufen, es ist jedoch unsicher, wie bedeutend der depurination, wie verursacht, durch die Zusätze im Erzeugen der Veränderung ist.

Einige alkylating Agenten wie N-Nitrosamines können auch die katalytische Reaktion von cytochrome-P450 für die Bildung eines reaktiven alkyl cation verlangen. Alkylierung und arylation von Basen können Fehler in der Erwiderung verursachen. N und O von guanine und dem N und N des Adenin sind gegen den Angriff am empfindlichsten; während N-guanine adduziert, die den Hauptteil von DNA-Zusätzen bilden, scheinen, non-mutagenic zu sein, ist die Alkylierung an O von guanine schädlich, weil die Ausschneidungsreparatur des O-Zusatzes von guanine in einigen Geweben wie das Gehirn schwach sein kann. Der O methylation guanine kann auf G zu Einem Übergang hinauslaufen, während O-methylthymine mispaired mit guanine sein kann. Der Typ der Veränderung erzeugt kann jedoch von der Größe und dem Typ des Zusatzes sowie der DNA-Folge abhängig sein.

Ionisierende Strahlungen und reaktive Sauerstoff-Arten oxidieren häufig guanine, um 8-oxoguanine zu erzeugen.

Crosslinking

Einige alkylating Agenten können crosslinking der DNA erzeugen. Einige natürliche vorkommende Chemikalien können auch, crosslinking, wie psoralens nach der Aktivierung durch die UV Radiation und salpetrigen Säure fördern. Zwischenufer, das Block-Erwiderung und Abschrift quer-verbindet, und kann chromosomale Brechungen und Neuordnungen verursachen. Einige crosslinkers wie cyclophosphamide, mitomycin C und cisplatin werden als Antikrebs chemotherapeutic weil ihr hoher Grad der Giftigkeit zu wuchernden Zellen verwendet.

Dimerization

UV Radiation fördert die Bildung eines Cyclobutyl-Rings zwischen angrenzendem thymines, auf die Bildung von pyrimidine dimers hinauslaufend. In menschlichen Hautzellen können Tausende von dimers an einem Tag wegen der normalen Aussetzung vom Sonnenlicht gebildet werden. DNA polymerase η kann helfen, diese Verletzungen auf eine fehlerfreie Weise zu umgehen; jedoch sind Personen mit der fehlerhaften DNA-Reparatur-Funktion, wie Leidende von Xeroderma pigmentosum, zum Sonnenlicht empfindlich und können für Hautkrebs anfällig sein.

Einschaltung zwischen Basen

Die planare Struktur von Chemikalien wie Ethidium-Bromid und proflavine erlaubt ihnen, zwischen Basen in die DNA einzufügen, und frameshift Veränderung zu verursachen. Die Einschaltung in die DNA von anthracyclines wie daunorubicin und doxorubicin stört die Wirkung des Enzyms topoisomerase II, das Blockieren der Erwiderung sowie das Verursachen mitotic homologe Wiederkombination.

Rückgrat-Schaden

Ionisierende Strahlungen können hoch reaktive freie Radikale erzeugen, die die Obligationen in der DNA brechen können. Doppelt gestrandete Brechungen sind besonders zerstörend und hart, zu reparieren, Versetzung und Auswischen des Teils Chromosomen erzeugend. Agenten von Alkylating wie Senfgas können auch Brechungen im DNA-Rückgrat verursachen. Betonung von Oxidative kann auch hoch reaktive Sauerstoff-Arten erzeugen, die die DNA beschädigen können. Die falsche Reparatur anderer durch die hoch reaktiven Arten veranlasster Schäden kann auch zu Veränderungen führen.

Insertional mutagenesis

Transposon und Virus können DNA-Folge ins Codieren des Gebiets oder der funktionellen Elemente eines Gens einfügen und auf inactivation des Gens hinauslaufen.

Fehler in der Erwiderung

Während die meisten mutagens Effekten erzeugen, die schließlich irrtümlicherweise in der Erwiderung resultieren, kann ein mutagens direkt den Erwiderungsprozess betreffen. Stützen Sie Analogon solcher, weil 5-bromouracil thymine in der Erwiderung auswechseln kann. Einige Metalle wie Kadmium, Chrom und Nickel können die Treue der DNA-Erwiderung verändern.

Mutagenesis als eine Labortechnik

Mutagenesis im Laboratorium ist eine wichtige Technik, wodurch DNA-Veränderungen absichtlich konstruiert werden, um Mutationsgene, Proteine oder Beanspruchungen des Organismus zu erzeugen. Verschiedene Bestandteile eines Gens, wie seine Kontrollelemente und sein Genprodukt, können verändert werden, so dass die Wirkung eines Gens oder Proteins im Detail untersucht werden kann. Die Veränderung kann auch Mutationsproteine mit interessanten Eigenschaften oder erhöhte oder neuartige Funktionen erzeugen, die von kommerziellem Nutzen sein können. Mutationsbeanspruchungen können auch erzeugt werden, die praktische Anwendung haben oder der molekularen Basis der besonderen Zellfunktion erlauben, untersucht zu werden.

Zufälliger mutagenesis

Frühe Annäherungen an mutagenesis verlassen sich auf Methoden, die in den erzeugten Veränderungen völlig zufällig sind. Zellen können zur UV Radiation oder den mutagenic Chemikalien ausgestellt werden, und Mutanten mit der gewünschten Eigenschaft werden dann ausgewählt. Zum Beispiel kann Escherichia coli zu UV radition ausgestellt, dann auf das Agar-Medium gepanzert werden. Die gebildeten Kolonien werden dann Replik-gepanzert, ein im reichen Medium kann ein anderer im minimalen Medium und den Mutanten, die spezifische Ernährungsvoraussetzung haben, dann durch seine Unfähigkeit identifiziert, im minimalen Medium zu wachsen, und isoliert werden.

Mehrere Methoden, um zufällige Veränderung im spezifischen Protein zu erzeugen, wurden später entwickelt, um sich für Mutanten mit interessanten oder verbesserten Eigenschaften filmen zu lassen. Das kann durch das Verwenden getan werden hat nucleotides in der oligonucleotides Synthese lackiert, eine PCR Reaktion in Bedingungen führend, die misincorporation von nucleotide erhöhen, der dadurch Mutanten erzeugt.

Seite-geleiteter mutagenesis

Es ist wünschenswert, dass spezifische Änderungen in die DNA eingeführt werden können. Analoga von nucleotides und anderen Chemikalien wurden zuerst verwendet, um lokalisierte Punkt-Veränderungen zu erzeugen. Solche Chemikalien können aminopurine sein, der AN zum GC Übergang veranlasst, während nitrosoguanidine, bisulfite, und N-hydroxycytidine GC zu beim ÜBERGANG veranlassen können. Diese Technik erlaubt spezifischen Veränderungen, in ein Protein jedoch konstruiert zu werden, sind sie in den Arten von erzeugten Mutanten nicht flexibel.

Aktuelle Techniken für die mit der Seite spezifische Veränderung sind allgemein mit dem Verwenden mutagenic oligonucleotides in einer Zündvorrichtungserweiterungsreaktion mit der DNA polymerase verbunden. Das Methoden berücksichtigt Punkt-Veränderung, oder Auswischen oder Einfügung des kleinen Streckens der an spezifischen Seiten einzuführenden DNA. Fortschritte in der Methodik haben solchen mutagenesis jetzt einen relativ einfachen und effizienten Prozess gemacht.

Die Seite-geleitete Annäherung kann systematisch in solcher Technik wie alanine getan werden, der mutagenesis scannt, wodurch Rückstände zu alanine systematisch verändert werden, um Rückstände zu identifizieren, die für die Struktur oder Funktion eines Proteins wichtig sind.

Kombinatorischer mutagenesis

Kombinatorischer mutagenesis ist eine Technik, wodurch die Vielzahl von Mutanten für eine besondere Eigenschaft geschirmt werden kann. In dieser Technik können einige ausgewählte Positionen oder ein kurzes Strecken der DNA erschöpfend modifiziert werden, um eine umfassende Bibliothek von Mutationsproteinen zu erhalten. Eine Annäherung dieser Technik soll einen Teil der DNA und ersetzt durch eine Bibliothek von Folgen herausschneiden, die alle möglichen Kombinationen an den gewünschten Veränderungsseiten enthalten. Das Segment kann an einem Enzym aktive Seite oder Folgen sein, die Strukturbedeutung oder immunogenic Eigentum haben. Ein Segment kann auch jedoch zufällig ins Gen eingefügt werden, um die strukturelle oder funktionelle Bedeutung des besonderen Teils des Proteins zu bewerten.

Mehr kürzlich, Techniken wie Phage-Anzeige ist verwendet worden, um kurze peptide Folgen von bis zu 12 Rückständen mit der verbindlichen Sympathie für andere Proteine zu entdecken.

Insertional mutagenesis

In Krebs hat Forschung Veränderungen konstruiert auch gewähren mechanistische Einblicke in die Entwicklung der Krankheit. Insertional mutagenesis mit transposons, retrovirus wie Maus Milchgeschwulst-Virus und murine Leukämie-Virus kann verwendet werden, um Gene zu identifizieren, die an carcinogenesis beteiligt sind und die biologischen Pfade des spezifischen Krebses zu verstehen. Verschiedener insertional mutagenesis Techniken kann auch verwendet werden, um die Funktion des besonderen Gens zu studieren.

Andere Typen von mutagenesis

• Geleiteter mutagenesis
• PCR mutagenesis

Siehe auch

• Mutagen
• Veränderung
• Veränderungsrate
• Transfection

• Veränderung, sich fortpflanzend
• Carcinogenesis