Mutagen - Mutagen

Internațională Pictograma pentru produsele chimice care sunt sensibilizator, mutagene, cancerigene sau toxice pentru reproducere .

În genetică, un mutagen este un agent fizic sau chimic care schimbă permanent materialul genetic , de obicei ADN , într-un organism și crește astfel frecvența mutațiilor peste nivelul natural de fond. Deoarece multe mutații pot provoca cancer , astfel de mutageni sunt cancerigeni , deși nu toate sunt în mod necesar. Toți mutagenii au semnături mutaționale caracteristice, unele substanțe chimice devenind mutagene prin procese celulare. Nu toate mutațiile sunt cauzate de mutageni: așa-numitele „mutații spontane” apar din cauza hidrolizei spontane , a erorilor în replicarea ADN , repararea și recombinarea .

Descoperire

Primii mutageni care au fost identificați au fost agenții cancerigeni , substanțe care s-au dovedit a fi legate de cancer . Tumorile au fost descrise cu mai mult de 2.000 de ani înainte de descoperirea cromozomilor și a ADN-ului ; în 500 î.Hr., medicul grec Hipocrate a numit tumori asemănătoare unui crab karkinos (din care cuvântul „cancer” este derivat prin latină), adică crab. În 1567, medicul elvețian Paracelsus a sugerat că o substanță neidentificată din minereul extras (identificată ca gaz de radon în timpurile moderne) a cauzat o boală irosită la mineri, iar în Anglia, în 1761, John Hill a realizat prima legătură directă a cancerului cu substanțele chimice prin observând că utilizarea excesivă a snuff-ului poate provoca cancer nazal. În 1775, Sir Percivall Pott a scris o lucrare despre incidența ridicată a cancerului de scrot la măturători și a sugerat funinginea coșului ca cauză a cancerului de scrot. În 1915, Yamagawa și Ichikawa au arătat că aplicarea repetată a gudronului de cărbune pe urechile iepurelui a produs cancer malign. Ulterior, în anii 1930, componenta carcinogenă din gudronul de cărbune a fost identificată ca o hidrocarbură poliaromatică (PAH), benzo [a] pirenă . Hidrocarburile poliaromatice sunt de asemenea prezente în funingine, despre care s-a sugerat că este un agent cauzator al cancerului cu peste 150 de ani mai devreme.

Asocierea expunerii la radiații și cancer a fost observată încă din 1902, la șase ani după descoperirea razelor X de Wilhelm Röntgen și a radioactivității de către Henri Becquerel . Georgii Nadson și German Filippov au fost primii care au creat mutanți de ciuperci sub radiații ionizante în 1925. Proprietatea mutagenă a mutagenilor a fost demonstrată pentru prima dată în 1927, când Hermann Muller a descoperit că razele X pot provoca mutații genetice la muștele fructelor , producând și mutanți fenotipici. ca modificări observabile ale cromozomilor, vizibile datorită prezenței cromozomilor „politeni” măriți în glandele salivare ale muștei fructelor. Colaboratorul său Edgar Altenburg a demonstrat, de asemenea, efectul mutațional al radiațiilor UV în 1928. Muller a continuat să utilizeze razele X pentru a crea mutanți Drosophila pe care i-a folosit în studiile sale de genetică . El a descoperit, de asemenea, că razele X nu doar mută genele din muștele fructelor, ci au și efecte asupra structurii genetice a oamenilor. Lucrări similare realizate de Lewis Stadler au arătat, de asemenea, efectul mutațional al razelor X pe orz în 1928 și al radiațiilor ultraviolete (UV) asupra porumbului în 1936. Efectul luminii solare a fost remarcat anterior în secolul al XIX-lea, unde au fost găsiți muncitori și marinari din mediul rural să fii mai predispus la cancer de piele.

S-a demonstrat că mutagenii chimici nu cauzează mutații decât în ​​anii 1940, când Charlotte Auerbach și JM Robson au descoperit că gazul muștar poate provoca mutații la muștele fructelor. De atunci a fost identificat un număr mare de mutageni chimici, mai ales după dezvoltarea testului Ames în anii 1970 de către Bruce Ames, care analizează mutagenii și permite identificarea preliminară a agenților cancerigeni. Studiile timpurii efectuate de Ames au arătat că aproximativ 90% dintre agenții cancerigeni cunoscuți pot fi identificați în testul Ames ca fiind mutagen (studiile ulterioare au dat totuși cifre mai mici) și ~ 80% din mutagenii identificați prin testul Ames pot fi, de asemenea, cancerigeni. Mutagenii nu sunt neapărat agenți cancerigeni și invers. Azida de sodiu, de exemplu, poate fi mutagenă (și foarte toxică), dar nu s-a dovedit a fi cancerigenă.

Efecte

Mutagenii pot provoca modificări ale ADN-ului și, prin urmare, sunt genotoxici . Ele pot afecta transcrierea și replicarea ADN-ului, care, în cazuri grave, poate duce la moartea celulelor. Mutagena produce mutații în ADN, iar mutația dăunătoare poate duce la aberante, afectate sau pierderea funcției pentru o anumită genă, iar acumularea mutațiilor poate duce la cancer. Prin urmare, mutagenii pot fi, de asemenea, cancerigeni. Cu toate acestea, unii mutageni își exercită efectul mutagen prin metaboliții lor și, prin urmare, dacă astfel de mutageni devin efectiv cancerigeni poate fi dependent de procesele metabolice ale unui organism, iar un compus care se arată mutagen într-un organism poate să nu fie neapărat cancerigen în altul.

Diferenți mutageni acționează diferit asupra ADN-ului. Mutageni puternici pot duce la instabilitate cromozomială, provocând rupturi cromozomiale și rearanjarea cromozomilor, cum ar fi translocarea , ștergerea și inversarea . Astfel de mutageni se numesc clastogeni .

Mutagenii pot modifica, de asemenea, secvența ADN; modificările secvențelor de acid nucleic prin mutații includ substituirea perechilor de baze nucleotidice și inserții și deleții ale unuia sau mai multor nucleotide în secvențele ADN. Deși unele dintre aceste mutații sunt letale sau provoacă boli grave, multe au efecte minore, deoarece nu duc la modificări ale reziduurilor care au un efect semnificativ asupra structurii și funcției proteinelor . Multe mutații sunt mutații silențioase , care nu provoacă efecte vizibile deloc, fie pentru că acestea apar în secvențe non-codare sau non-funcționale, sau acestea nu schimbă aminoacizi secvența datorită redundanței de codoni .

Unii mutageni pot provoca aneuploidie și pot modifica numărul de cromozomi din celulă. Sunt cunoscuți sub numele de aneuploidogeni.

În testul Ames, unde concentrațiile variabile ale substanței chimice sunt utilizate în test, curba doză-răspuns obținută este aproape întotdeauna liniară, sugerând că nu poate exista un prag pentru mutageneză. Rezultate similare sunt obținute și în studiile cu radiații, indicând că este posibil să nu existe un prag sigur pentru mutageni. Cu toate acestea, modelul fără prag este contestat, argumentând un prag dependent de rata dozei pentru mutageneză. Unii au propus că nivelul scăzut al unor mutageni poate stimula procesele de reparare a ADN-ului și, prin urmare, nu poate fi neapărat dăunător. Abordări mai recente cu metode analitice sensibile au arătat că pot exista răspunsuri la doze neliniare sau biliniare pentru efecte genotoxice și că activarea căilor de reparare a ADN poate preveni apariția mutației care rezultă dintr-o doză mică de mutagen.

Tipuri

Mutagenii pot fi de origine fizică, chimică sau biologică. Acestea pot acționa direct asupra ADN-ului, provocând daune directe ADN-ului și, cel mai adesea, duc la erori de replicare. Cu toate acestea, unii pot acționa asupra mecanismului de replicare și a partiției cromozomiale. Mulți mutageni nu sunt mutageni singuri, dar pot forma metaboliți mutageni prin procese celulare, de exemplu prin activitatea sistemului citocromului P450 și a altor oxigenaze, cum ar fi ciclooxigenaza . Astfel de mutageni se numesc promutageni .

Mutageni fizici

Substanțe chimice reactive la ADN

Un aduct ADN (în centru) al metabolitului mutagen al benzo [ a ] pirenului din fumul de tutun .

Un număr mare de substanțe chimice pot interacționa direct cu ADN-ul. Cu toate acestea, multe, cum ar fi HAP, aminele aromatice, benzenul, nu sunt neapărat mutagene de la sine, ci prin procesele metabolice din celule produc compuși mutageni.

  • Specii de oxigen reactiv (ROS) - Acestea pot fi superoxizi , radicali hidroxilici și peroxid de hidrogen , iar un număr mare din aceste specii foarte reactive sunt generate de procese celulare normale, de exemplu ca produse secundare ale transportului de electroni mitocondriale sau peroxidarea lipidelor . Ca exemplu al acestuia din urmă, acidul 15-hidroperoxicosatetraenocic, un produs natural al ciclooxigenazelor și lipoxigenazelor celulare, se descompune în 4-hidroxi-2 ( E ) -nonenal, 4-hidroperoxi-2 ( E ) -nonenal, 4-oxo -2 ( E ) -nonenal și cis -4,5-epoxi-2 ( E ) -decanal; acești electofili bifuncționali sunt mutageni în celulele mamiferelor și pot contribui la dezvoltarea și / sau progresia cancerelor umane (a se vedea acidul 15-hidroxicosatetraenoic ). Un număr de mutageni pot genera, de asemenea, aceste ROS. Aceste ROS pot avea ca rezultat producerea multor aducte de bază, precum și rupturi de catenă de ADN și legături încrucișate.
  • Agenți de dezaminare , de exemplu acid azotat care pot provoca mutații de tranziție prin convertirea citozinei în uracil .
  • Hidrocarbura aromatică policiclică (PAH), atunci când este activată la diol-epoxizi, se poate lega de ADN și poate forma aducti.
  • Alchilanți agenți cum ar fi ethylnitrosourea . Compușii transferă gruparea metil sau etil pe baze sau grupările fosfat coloanei vertebrale. Guanina atunci când este alchilată poate fi asociată cu timina. Unele pot provoca reticulări ADN și rupturi. Nitrozaminele sunt un grup important de mutageni care se găsesc în tutun și se pot forma și în carnea și peștele afumat prin interacțiunea aminelor din alimente cu nitriții adăugați ca conservanți. Alți agenți alchilanți includ gazul de muștar și clorura de vinil .
  • Aminele și amidele aromatice au fost asociate cu carcinogeneza încă din 1895, când medicul german Ludwig Rehn a observat o incidență ridicată a cancerului vezicii urinare în rândul lucrătorilor din industria germană de coloranți aminici aromatici sintetici. 2-acetilaminofluorena , utilizată inițial ca pesticid, dar poate fi găsită și în carnea gătită, poate provoca cancer al vezicii urinare, ficatului, urechii, intestinului, tiroidei și sânului.
  • Alcaloidul din plante, precum cele din speciile Vinca , poate fi transformat prin procese metabolice în mutagen activ sau cancerigen.
  • Brom și unii compuși care conțin brom în structura lor chimică.
  • Azidă de sodiu , o sare azidică care este un reactiv comun în sinteza organică și o componentă în multe sisteme de airbag auto
  • Psoralenul combinat cu radiațiile ultraviolete determină reticularea ADN-ului și, prin urmare, ruperea cromozomilor.
  • Benzenul , un solvent industrial și precursor în producția de medicamente, materiale plastice, cauciuc sintetic și coloranți.

Analogi de bază

  • Analog bazic , care poate substitui bazele ADN în timpul replicării și poate provoca mutații de tranziție. Unele exemple sunt 5 bromo uracil și 2 amino purină

Agenți intercalatori

Metale

Multe metale, cum ar fi arsenic , cadmiu , crom , nichel și compușii lor, pot fi mutagene, dar pot acționa, totuși, printr-un număr de mecanisme diferite. Arsenicul, cromul, fierul și nichelul pot fi asociate cu producerea ROS, iar unele dintre acestea pot, de asemenea, modifica fidelitatea replicării ADN-ului. Nichel poate fi , de asemenea , legat de hypermethylation ADN si histone deacetylation, în timp ce unele metale , cum ar fi cobalt , arsenic, nichel și cadmiu pot afecta , de asemenea , repararea ADN - ului , cum ar fi procesele de repararea ADN - ului asimetrie și de bază și repararea excizia nucleotidelor .

Agenți biologici

  • Transpozonul , o secțiune a ADN-ului care suferă o relocare / multiplicare autonomă a fragmentelor. Inserarea acestuia în ADN-ul cromozomial perturbă elementele funcționale ale genelor.
  • Virus - ADN-ul virusului poate fi inserat în genom și perturbă funcția genetică. S-a sugerat că agenții infecțioși provoacă cancer încă din 1908 de Vilhelm Ellermann și Oluf Bang, iar în 1911 de Peyton Rous, care a descoperit virusul sarcomului Rous .
  • Bacterii - unele bacterii, cum ar fi Helicobacter pylori, provoacă inflamații în timpul cărora sunt produse specii oxidative, provocând deteriorarea ADN-ului și reducând eficiența sistemelor de reparare a ADN-ului, crescând astfel mutația.

Protecţie

Fructele și legumele sunt bogate în antioxidanți.

Antioxidanții sunt un grup important de compuși anticarcinogeni care pot ajuta la eliminarea ROS sau a substanțelor chimice potențial dăunătoare. Acestea pot fi găsite în mod natural în fructe și legume . Exemple de antioxidanți sunt vitamina A și precursorii săi carotenoizi , vitamina C , vitamina E , polifenoli și alți compuși. β-Carotenul este compusul de culoare roșu-portocaliu găsit în legume, cum ar fi morcovii și roșiile . Vitamina C poate preveni unele tipuri de cancer prin inhibarea formării compușilor mutageni N-nitroso (nitrosamină). Flavonoidele , cum ar fi EGCG din ceaiul verde , s-au dovedit a fi antioxidanți eficienți și pot avea proprietăți anti-cancer. Studiile epidemiologice indică faptul că o dietă bogată în fructe și legume este asociată cu o incidență mai scăzută a unor tipuri de cancer și o speranță de viață mai lungă, cu toate acestea, eficacitatea suplimentelor antioxidante în prevenirea cancerului în general este încă subiectul unor dezbateri.

Alte substanțe chimice pot reduce mutageneza sau pot preveni cancerul prin alte mecanisme, deși pentru unii este posibil ca mecanismul precis pentru proprietatea lor de protecție să nu fie sigur. Seleniul , care este prezent ca micronutrient în legume, este o componentă a unor enzime antioxidante importante, cum ar fi gluthation peroxidaza. Mulți fitonutrienți pot contracara efectul mutagenilor; de exemplu, sulforafanul din legume precum broccoli s- a dovedit a fi protector împotriva cancerului de prostată . Alții care pot fi eficienți împotriva cancerului includ indol-3-carbinol din legume crucifere și resveratrol din vinul roșu.

O măsură de precauție eficientă pe care o persoană o poate întreprinde pentru a se proteja este limitarea expunerii la mutageni precum radiațiile UV și fumul de tutun. În Australia, unde persoanele cu pielea palidă sunt adesea expuse la lumina puternică a soarelui, melanomul este cel mai frecvent cancer diagnosticat la persoanele cu vârste cuprinse între 15 și 44 de ani.

În 1981, analiza epidemiologică umană efectuată de Richard Doll și Richard Peto a indicat faptul că fumatul a cauzat 30% din cazurile de cancer din SUA. De asemenea, se crede că dieta provoacă un număr semnificativ de cancer și s-a estimat că aproximativ 32% din decesele provocate de cancer pot fi evitate prin modificarea dietei. Mutagenii identificați în alimente includ micotoxinele din alimente contaminate cu creșteri fungice, cum ar fi aflatoxinele care pot fi prezente în arahide și porumb contaminate; amine heterociclice generate în carne atunci când sunt gătite la temperatură ridicată; HAP în carne carbonizată și pește afumat, precum și în uleiuri, grăsimi, pâine și cereale; și nitrozaminele generate din nitriți folosiți ca conservanți alimentari în carnea vindecată, cum ar fi slănina ( ascobatul , care se adaugă la carnea vindecată, reduce totuși formarea nitrozaminelor). Alimentele amidonate prea rumenite, cum ar fi pâinea, biscuiții și cartofii, pot genera acrilamidă , o substanță chimică care s-a dovedit a provoca cancer în studiile la animale. Consumul excesiv de alcool a fost, de asemenea, legat de cancer; posibilele mecanisme de carcinogenicitate sale includ formarea posibilei mutagenă acetaldehida , și inducerea citocromului P450 sistem care este cunoscut pentru a produce compuși mutageni din promutagens.

Pentru anumiți mutageni, cum ar fi substanțele chimice periculoase și materialele radioactive, precum și agenții infecțioși cunoscuți pentru a provoca cancer, legislația guvernamentală și organismele de reglementare sunt necesare pentru controlul lor.

Sisteme de testare

Au fost dezvoltate multe sisteme diferite pentru detectarea mutagenului. Sistemele animale pot reflecta mai exact metabolismul uman, cu toate acestea, sunt costisitoare și consumatoare de timp (pot dura aproximativ trei ani până la finalizare), prin urmare nu sunt utilizate ca prim ecran pentru mutagenitate sau carcinogenitate.

Bacterian

  • Testul Ames - Acesta este testul cel mai frecvent utilizat, iar tulpinile de Salmonella typhimurium deficiente în biosinteza histidinei sunt utilizate în acest test. Testul verifică mutanții care pot reveni la tip sălbatic. Este un ecran inițial ușor, ieftin și convenabil pentru mutageni.
  • Rezistența la 8-azaguanină în S. typhimurium - Similar testului Ames, dar în loc de mutație inversă, verifică mutația directă care conferă rezistență la 8-Azaguanină într-o tulpină de histidină revertantă.
  • Sisteme Escherichia coli - Atât sistemul de detectare a mutației directe, cât și cele inversate au fost modificate pentru a fi utilizate în E. coli . Mutația cu deficiență de triptofan este utilizată pentru mutația inversă, în timp ce utilitatea galactozei sau rezistența la 5-metiltriptofan pot fi utilizate pentru mutația directă.
  • Repararea ADN - tulpinile de E. coli și Bacillus subtilis deficitare în repararea ADN pot fi utilizate pentru a detecta mutageni prin efectul lor asupra creșterii acestor celule prin deteriorarea ADN-ului.

Drojdie

Sisteme similare testului Ames au fost dezvoltate în drojdie. În general se folosește Saccharomyces cerevisiae . Aceste sisteme pot verifica mutațiile directe și inverse, precum și evenimentele recombinante.

Drosophila

Test letal recesiv legat de sex - În acest test sunt folosiți bărbați dintr-o tulpină cu corp galben. Gena pentru corpul galben se află pe cromozomul X. Muștele fructelor sunt hrănite cu o dietă cu substanțe chimice testate, iar descendenții sunt separați prin sex. Bărbații supraviețuitori sunt încrucișați cu femelele din aceeași generație și, dacă nu sunt detectați masculi cu corp galben în a doua generație, aceasta ar indica o mutație letală pe cromozomul X care a avut loc.

Analize de plante

Plante precum Zea mays , Arabidopsis thaliana și Tradescantia au fost utilizate în diferite teste pentru mutagenecitatea substanțelor chimice.

Testul culturii celulare

Liniile celulare de mamifere, cum ar fi celulele de hamster chinezesc V79, celulele ovarului de hamster chinezesc (CHO) sau celulele limfomului de șoarece, pot fi utilizate pentru a testa mutageneza. Astfel de sisteme includ testul HPRT pentru rezistența la 8-azaguanină sau 6-tioguanină și testul de rezistență la ouabain (OUA) .

Hepatocitele primare de șobolan pot fi, de asemenea, utilizate pentru a măsura repararea ADN-ului după deteriorarea ADN-ului. Mutagenii pot stimula sinteza ADN neprogramată care are ca rezultat mai mult material nuclear colorat în celule după expunerea la mutageni.

Sisteme de verificare a cromozomilor

Aceste sisteme verifică modificările la scară largă ale cromozomilor și pot fi utilizate cu cultura celulară sau la testarea pe animale. Cromozomii sunt colorați și observați pentru orice modificare. Schimbul de cromatide surori este un schimb simetric de material cromozomial între cromatide surori și poate fi corelat cu potențialul mutagen sau cancerigen al unei substanțe chimice. În testul micronucleului , celulele sunt examinate pentru micronucleii, care sunt fragmente sau cromozomi lăsați în urmă la anafază și, prin urmare, este un test pentru agenții clastogeni care cauzează ruperea cromozomilor. Alte teste pot verifica diferitele aberații cromozomiale, cum ar fi lacunele și delețiile cromozidei și cromozomiale, translocațiile și ploidia.

Sisteme de testare pe animale

Rozătoarele sunt de obicei utilizate la testarea pe animale . Substanțele chimice supuse testului sunt de obicei administrate în alimente și în apa de băut, dar uneori prin aplicare dermică, prin gavaj sau prin inhalare și se efectuează pe cea mai mare parte a duratei de viață a rozătoarelor. În testele care verifică cancerigenii, se determină mai întâi doza maximă tolerată, apoi se administrează o serie de doze la aproximativ 50 de animale pe toată durata de viață noțională a animalului de doi ani. După moarte, animalele sunt examinate pentru semne de tumori. Diferențele de metabolism între șobolan și om înseamnă totuși că omul nu poate răspunde exact la fel la mutagen, iar dozele care produc tumori la testul pe animale pot fi, de asemenea, nerezonabil de mari pentru un om, adică cantitatea echivalentă necesară pentru a produce tumori la om poate depăși cu mult ceea ce o persoană ar putea întâlni în viața reală.

Șoarecii cu mutații recesive pentru un fenotip vizibil pot fi, de asemenea, utilizați pentru a verifica mutageni. Femelele cu mutație recesivă încrucișată cu bărbați de tip sălbatic ar produce același fenotip ca și tipul sălbatic și orice modificare observabilă a fenotipului ar indica faptul că a avut loc o mutație indusă de mutagen.

Șoarecii pot fi, de asemenea, utilizați pentru teste letale dominante în care sunt monitorizate decesele embrionare timpurii. Șoarecii masculi sunt tratați cu substanțe chimice testate, împerecheați cu femele, iar femelele sunt apoi sacrificate înainte de naștere și decesele fetale precoce sunt numărate în coarnele uterine .

Testul transgenic al șoarecelui folosind o tulpină de șoarece infectată cu un vector navetă viralăeste o altă metodă pentru testarea mutagenilor. Animalele sunt tratate mai întâi cu mutagen suspectat, ADN-ul șoarecelui este apoi izolat și segmentul fagului recuperat și utilizat pentru a infecta E. coli . Folosind o metodă similară ecranului alb-albastru , placa formată cu mutație care conține ADN este albă, în timp ce cele fără sunt albastre.

În terapia anti-cancer

Mulți mutageni sunt foarte toxici pentru celulele proliferante și sunt adesea folosiți pentru a distruge celulele canceroase. Agenții alchilanți precum ciclofosfamida și cisplatina , precum și agentul de intercalare precum daunorubicina și doxorubicina pot fi utilizați în chimioterapie . Cu toate acestea, datorită efectului lor asupra altor celule care se divid rapid, ele pot avea efecte secundare, cum ar fi căderea părului și greață. Cercetările privind terapii mai bine direcționate pot reduce astfel de efecte secundare. Radiațiile ionizante sunt utilizate în radioterapie .

In fictiune

În science fiction , mutagenele sunt adesea reprezentate ca substanțe care sunt capabile să schimbe complet forma destinatarului sau să le acorde superputeri. Radiațiile puternice sunt agenții de mutație pentru supereroii din benzi desenate Marvel „s Fantastic Four , Daredevil și Hulk , în timp ce în Testoasele Ninja franciza mutagenul este un agent chimic de asemenea , numit«ooze», iar pentru Inhumans mutagenul este cea Ceață Terrigen . Mutagenele sunt, de asemenea, prezentate în jocuri video precum Cyberia , The Witcher , Metroid Prime: Trilogy , Resistance: Fall of Man , Resident Evil , Infamous , Freedom Force , Command & Conquer , Gears of War 3 , StarCraft , BioShock , Fallout , Underrail , și Maneater . În filmele cu „monștrii nucleari” din anii 1950, radiațiile nucleare mutează oamenii și insectele comune de multe ori la dimensiuni enorme și agresivitate; printre aceste filme se numără Godzilla , Them! , Atacul femeii de 50 de picioare , Tarantula! , și Omul uimitor colosal .

Referințe