การกลายพันธุ์ ( / m juː t ə ˈ dʒ ɛ n ɪ s ɪ s / ) คือกระบวนการที่ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไปโดยการเกิดการกลายพันธุ์อาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือเป็นผลจากการสัมผัสกับสารก่อกลายพันธุ์นอกจากนี้ยังสามารถทำได้โดยการทดลองโดยใช้ขั้นตอนในห้องปฏิบัติการ สารก่อกลายพันธุ์คือตัวการที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์ ไม่ว่าจะเป็นสารเคมีหรือกายภาพ ซึ่งส่งผลให้มีอัตราการกลายพันธุ์ในรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเพิ่มขึ้น ในธรรมชาติ การกลายพันธุ์สามารถนำไปสู่โรคมะเร็งและโรคทางพันธุกรรม ต่างๆ และยังเป็นแรงผลักดันของวิวัฒนาการ อีกด้วย การกลายพันธุ์ในฐานะวิทยาศาสตร์ได้รับการพัฒนาขึ้นโดยอาศัยผลงานของHermann Muller , Charlotte AuerbachและJM Robsonในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 [1]
DNA อาจถูกดัดแปลงได้ทั้งโดยธรรมชาติหรือโดยเทียม โดยสารทางกายภาพ เคมี และชีวภาพจำนวนหนึ่ง ส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์แฮร์มันน์ มุลเลอร์พบว่า "อุณหภูมิสูง" มีความสามารถในการกลายพันธุ์ของยีนในช่วงต้นทศวรรษปี ค.ศ. 1920 [2]และในปี ค.ศ. 1927 แสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงเชิงสาเหตุกับการกลายพันธุ์เมื่อทำการทดลองกับเครื่องเอ็กซ์เรย์โดยสังเกตเห็น การเปลี่ยนแปลง เชิงวิวัฒนาการเมื่อฉายรังสีเอ็กซ์ปริมาณค่อนข้างสูงต่อ แมลงวัน ผลไม้[3] [4]มุลเลอร์สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมหลายอย่างในการทดลองของเขา และแนะนำว่าการกลายพันธุ์เป็นสาเหตุของมะเร็ง[5] [6] ความสัมพันธ์ของการได้รับรังสีและมะเร็งถูกสังเกตตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1902 หกปีหลังจากที่วิลเฮล์ม เรินต์เกน ค้นพบรังสีเอ็กซ์ และ อองรี เบ็กเกอ เร ลค้นพบกัมมันตภาพรังสี[7] Lewis Stadlerผู้ร่วมสมัยของ Muller ได้แสดงผลของรังสีเอกซ์ต่อการกลายพันธุ์ในข้าวบาร์เลย์ในปี 1928 และ รังสี อัลตราไวโอเลต (UV) ต่อข้าวโพดในปี 1936 [8]ในปี 1940 Charlotte AuerbachและJM Robsonพบว่าก๊าซมัสตาร์ดสามารถทำให้เกิดการกลายพันธุ์ในแมลงวันผลไม้ได้เช่นกัน[9]
แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงโครโมโซมที่เกิดจากรังสีเอกซ์และแก๊สมัสตาร์ดจะสังเกตได้ง่ายสำหรับนักวิจัยยุคแรก แต่การเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ใน DNA ที่เกิดจากสารก่อกลายพันธุ์อื่นๆ นั้นสังเกตได้ยาก กลไกที่เกิดขึ้นอาจซับซ้อนและใช้เวลานานกว่าจะคลี่คลายได้ ตัวอย่างเช่น มีการเสนอว่าเขม่าเป็นสาเหตุของมะเร็งตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1775 [10]และน้ำมันดินถ่านหินได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำให้เกิดมะเร็งในปี ค.ศ. 1915 [11] ต่อมาพบว่าสารเคมีที่เกี่ยวข้องในทั้งสองชนิดเป็นโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) [12] PAHs เองไม่ก่อให้เกิดมะเร็ง และมีการเสนอในปี ค.ศ. 1950 ว่ารูปแบบที่ก่อให้เกิดมะเร็งของ PAHs คือออกไซด์ที่ผลิตขึ้นเป็นเมแทบอไลต์จากกระบวนการในเซลล์[13]กระบวนการเผาผลาญได้รับการระบุในปี 1960 ว่าเป็นการเร่งปฏิกิริยาโดยไซโตโครม P450ซึ่งผลิตสารที่มีปฏิกิริยาที่สามารถโต้ตอบกับ DNA เพื่อสร้างสารประกอบหรือโมเลกุลผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาของ DNA และในกรณีนี้คือไซโตโครม P450 [14] [15]อย่างไรก็ตาม กลไกที่สารประกอบ PAH ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ยังอยู่ภายใต้การศึกษาวิจัย
ความเสียหายของ DNA คือการเปลี่ยนแปลงที่ผิดปกติในโครงสร้างของDNAซึ่งไม่สามารถจำลองตัวเองได้เมื่อDNA จำลอง ตัวเอง ในทางตรงกันข้ามการกลายพันธุ์คือการเปลี่ยนแปลงในลำดับกรดนิวคลีอิกที่สามารถจำลองตัวเองได้ ดังนั้น การกลายพันธุ์จึงสามารถสืบทอดจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่งได้ ความเสียหายอาจเกิดขึ้นจากการเพิ่มสารเคมี (adduct) หรือการแตกสลายของโครงสร้างเบสของ DNA (สร้างนิวคลีโอไทด์หรือชิ้นส่วนนิวคลีโอไทด์ที่ผิดปกติ) หรือการแตกหักของสาย DNA หนึ่งหรือทั้งสองสาย ความเสียหายของ DNA ดังกล่าวอาจส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์ เมื่อ DNA ที่มีความเสียหายถูกจำลองตัวเอง เบสที่ไม่ถูกต้องอาจถูกแทรกเข้าไปในสายเสริมใหม่ขณะที่กำลังสังเคราะห์ (ดูการซ่อมแซม DNA § การสังเคราะห์ทรานสเลชัน ) การแทรกที่ไม่ถูกต้องในสายใหม่จะเกิดขึ้นตรงข้ามกับไซต์ที่เสียหายในสายแม่แบบ และการแทรกที่ไม่ถูกต้องนี้สามารถกลายเป็นการกลายพันธุ์ (เช่น เบสคู่ที่เปลี่ยนไป) ในรอบการจำลองครั้งต่อไป นอกจากนี้ การแตกหักของสายคู่ใน DNA อาจได้รับการซ่อมแซมโดยกระบวนการซ่อมแซมที่ไม่แม่นยำ ซึ่งก็ คือ การเชื่อมปลายแบบไม่เหมือนกันซึ่งก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ โดยปกติแล้ว การกลายพันธุ์สามารถหลีกเลี่ยงได้หาก ระบบ ซ่อมแซม DNA ที่แม่นยำ สามารถตรวจจับความเสียหายของ DNA และซ่อมแซมก่อนที่จะเสร็จสิ้นรอบการจำลองแบบต่อไป เอนไซม์อย่างน้อย 169 ชนิดถูกใช้โดยตรงในการซ่อมแซม DNA หรือมีอิทธิพลต่อกระบวนการซ่อมแซม DNA ในจำนวนนี้ 83 ชนิดถูกใช้โดยตรงในกระบวนการซ่อมแซม DNA 5 ประเภทที่ระบุไว้ในแผนภูมิที่แสดงในบทความ การซ่อมแซม DNA
DNA ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอาจได้รับความเสียหายมากกว่า 60,000 ครั้งต่อเซลล์ต่อวัน ตามที่ระบุไว้ในเอกสารอ้างอิงเรื่องความเสียหายของ DNA (ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ)หากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ได้รับการแก้ไข สารประกอบเหล่านี้อาจก่อให้เกิดการกลายพันธุ์หลังจากการจำลองแบบผิดตำแหน่งผ่านบริเวณที่เสียหาย ในธรรมชาติ การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นอาจเป็นประโยชน์หรือเป็นอันตรายก็ได้ ซึ่งเป็นแรงผลักดันของวิวัฒนาการ สิ่งมีชีวิตอาจได้รับลักษณะใหม่ผ่านการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม แต่การกลายพันธุ์อาจส่งผลให้การทำงานของยีนลดลง และในกรณีร้ายแรง อาจทำให้สิ่งมีชีวิตตายได้ การกลายพันธุ์ยังเป็นแหล่งสำคัญสำหรับการได้รับความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะในแบคทีเรีย และต่อสารต้านเชื้อราในยีสต์และรา[16] [17]ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ การกลายพันธุ์เป็นเทคนิคที่มีประโยชน์ในการสร้างการกลายพันธุ์ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบการทำงานของยีนและผลิตภัณฑ์ยีนได้อย่างละเอียด ทำให้เกิดโปรตีนที่มีลักษณะที่ดีขึ้นหรือหน้าที่ใหม่ รวมถึงสายพันธุ์กลายพันธุ์ที่มีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ ในช่วงแรก ความสามารถของรังสีและสารเคมีก่อกลายพันธุ์ในการทำให้เกิดการกลายพันธุ์ถูกใช้ประโยชน์เพื่อสร้างการกลายพันธุ์แบบสุ่ม แต่ในภายหลังมีการพัฒนาวิธีการเพื่อนำไปสู่การกลายพันธุ์ที่เฉพาะเจาะจง
ในมนุษย์ การกลายพันธุ์ใหม่โดยเฉลี่ย 60 ครั้งจะถ่ายทอดจากพ่อแม่สู่ลูกหลาน อย่างไรก็ตาม มนุษย์เพศชายมีแนวโน้มที่จะถ่ายทอดการกลายพันธุ์มากกว่าขึ้นอยู่กับอายุ โดยถ่ายทอดการกลายพันธุ์ใหม่โดยเฉลี่ย 2 ครั้งไปยังลูกหลานทุกๆ 1 ปีที่เพิ่มขึ้น[18] [19]
การกลายพันธุ์อาจเกิดขึ้นจากภายในร่างกาย (เช่น การไฮโดรไลซิสโดยธรรมชาติ) ผ่านกระบวนการปกติของเซลล์ที่สามารถสร้างอนุมูลอิสระและสารเติมแต่งดีเอ็นเอหรือจากข้อผิดพลาดในการจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ[20] การกลายพันธุ์อาจเกิดขึ้นได้จากการมีอยู่ของสารก่อกลายพันธุ์ในสิ่งแวดล้อมที่กระตุ้นให้ดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนแปลงไป กลไกที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์จะแตกต่างกันไปตามสารก่อกลายพันธุ์หรือตัวการที่ก่อให้เกิดโรค สารก่อกลายพันธุ์ส่วนใหญ่ออกฤทธิ์โดยตรงหรือโดยอ้อมผ่านเมแทบอไลต์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์กับดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิต ทำให้เกิดรอยโรค อย่างไรก็ตาม สารก่อกลายพันธุ์บางชนิดอาจส่งผลต่อการจำลองหรือกลไกการแบ่งโครโมโซม และกระบวนการอื่นๆ ของเซลล์
การกลายพันธุ์อาจเกิดขึ้นได้เองโดยสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเมื่อสภาพแวดล้อมมีข้อจำกัดต่อการเติบโตของสิ่งมีชีวิต เช่น แบคทีเรียเติบโตในสภาวะที่มียาปฏิชีวนะ ยีสต์เติบโตในสภาวะที่มีสารต้านเชื้อรา หรือสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวอื่นๆ เติบโตในสภาพแวดล้อมที่ขาดสารอาหารที่จำเป็น[21] [22] [23]
สารก่อกลายพันธุ์ทางเคมีหลายชนิดต้องได้รับการกระตุ้นทางชีวภาพจึงจะกลายพันธุ์ได้ กลุ่มเอนไซม์ที่สำคัญซึ่งมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสร้างเมแทบอไลต์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์คือไซโตโครม P450 [ 24] เอนไซม์อื่นๆ ที่อาจผลิตเมแทบอไลต์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ได้ ได้แก่กลูตาไธโอนเอสทรานสเฟอเรสและไมโครโซมอลอีพอกไซด์ไฮโดรเลสสารก่อกลายพันธุ์ที่ไม่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์โดยตัวของมันเองแต่ต้องได้รับการกระตุ้นทางชีวภาพเรียกว่าโปรมิวเทเจน
แม้ว่าสารก่อกลายพันธุ์ส่วนใหญ่มักก่อให้เกิดผลกระทบที่ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการจำลอง เช่น การสร้างสารเสริมที่ขัดขวางการจำลอง สารก่อกลายพันธุ์บางชนิดอาจส่งผลโดยตรงต่อกระบวนการจำลองหรือลดความแม่นยำของการจำลอง สารอนาล็อกเบส เช่น5-โบรมูราซิลอาจทดแทนไทมีนในการจำลอง โลหะ เช่น แคดเมียม โครเมียม และนิกเกิล สามารถเพิ่มการกลายพันธุ์ได้หลายวิธี นอกเหนือจากการทำลาย DNA โดยตรง เช่น ลดความสามารถในการซ่อมแซมข้อผิดพลาด ตลอดจนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเอพิเจเนติกส์[25]
การกลายพันธุ์มักเกิดขึ้นจากปัญหาที่เกิดจากรอยโรคใน DNA ระหว่างการจำลองแบบ ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ ในแบคทีเรีย ความเสียหายต่อ DNA อย่างกว้างขวางอันเนื่องมาจากสารก่อกลายพันธุ์ส่งผลให้เกิดช่องว่างของ DNA สายเดี่ยวระหว่างการจำลองแบบ ซึ่งจะทำให้เกิดการตอบสนอง SOSซึ่งเป็นกระบวนการซ่อมแซมฉุกเฉินที่มีแนวโน้มเกิดข้อผิดพลาดเช่นกัน จึงก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การหยุดชะงักของการจำลองแบบที่ตำแหน่งที่เสียหายจะทำให้เกิดกลไกการกู้ภัยจำนวนหนึ่งที่ช่วยหลีกเลี่ยงรอยโรคใน DNA อย่างไรก็ตาม อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดได้เช่นกัน DNA โพลิเมอเรส ในกลุ่ม Y มีความเชี่ยวชาญในการหลีกเลี่ยงรอยโรคใน DNA ในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์ทรานสเลชัน (TLS) โดยโพลิเมอเรสที่หลีกเลี่ยงรอยโรคเหล่านี้จะเข้ามาแทนที่ DNA โพลิเมอเรสแบบจำลองความเที่ยงตรงสูงที่หยุดชะงัก ส่งผ่านรอยโรคและขยาย DNA ออกไปจนกระทั่งรอยโรคผ่านไปแล้ว เพื่อให้การจำลองแบบปกติสามารถกลับมาดำเนินการได้อีกครั้ง กระบวนการเหล่านี้อาจเกิดข้อผิดพลาดได้ง่ายหรือไม่มีข้อผิดพลาดเลยก็ได้
จำนวนครั้งของความเสียหายของ DNAที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต่อวันนั้นสูงมาก (มากกว่า 60,000 ครั้งต่อวัน) ความเสียหายของ DNA ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งอาจเป็นปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตที่มี DNA ทั้งหมด และความจำเป็นในการรับมือกับความเสียหายของ DNA และลดผลกระทบเชิงลบให้เหลือน้อยที่สุดอาจเป็นปัญหาพื้นฐานสำหรับสิ่งมีชีวิต[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
การกลายพันธุ์โดยธรรมชาติส่วนใหญ่มีแนวโน้มว่าเกิดจากการสังเคราะห์ทรานส์เลชั่นที่ผิดพลาดได้ง่ายผ่านไซต์ความเสียหายของดีเอ็นเอในสายแม่แบบระหว่างการจำลองดีเอ็นเอ กระบวนการนี้สามารถเอาชนะการอุดตันที่อาจถึงแก่ชีวิตได้ แต่ต้องแลกมาด้วยความไม่แม่นยำในดีเอ็นเอลูก ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุของความเสียหายของดีเอ็นเอกับการกลายพันธุ์โดยธรรมชาติแสดงให้เห็นได้จาก แบคทีเรีย อีโคไล ที่เติบโตด้วยออกซิเจน ซึ่งการกลายพันธุ์การแทนที่เบสที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติ 89% เกิดจากความเสียหายของดีเอ็นเอที่เกิดจากอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) [26] ในยีสต์ การแทนที่และการลบคู่เบสเดี่ยวโดยธรรมชาติมากกว่า 60% มีแนวโน้มว่าเกิดจากการสังเคราะห์ทรานส์เลชั่น[27]
แหล่งสำคัญเพิ่มเติมของการกลายพันธุ์ในยูคาริโอตคือกระบวนการซ่อมแซม DNA ที่ไม่แม่นยำโดยการเชื่อมต่อปลายที่ไม่เหมือนกันซึ่งมักใช้ในการซ่อมแซมการแตกหักของสายคู่[28]
โดยทั่วไป ดูเหมือนว่าสาเหตุพื้นฐานหลักของการกลายพันธุ์โดยธรรมชาติคือการสังเคราะห์ทรานส์เลชันที่มีแนวโน้มเกิดข้อผิดพลาดในระหว่างการจำลองดีเอ็นเอ และเส้นทางการซ่อมแซมการเชื่อมปลายที่ไม่ใช่แบบโฮโมโลกัสและมีแนวโน้มเกิดข้อผิดพลาดอาจเป็นปัจจัยสำคัญในยูคาริโอตได้เช่นกัน
DNA ไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ในสารละลายน้ำ และDNA สามารถเกิดการสลาย สารบริสุทธิ์ได้ ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา พันธะไกลโคซิดิกอาจถูกไฮโดรไลซ์ได้เอง และ คาดว่าตำแหน่ง พิวรีนใน DNA ประมาณ 10,000 ตำแหน่งจะถูกสลายสารบริสุทธิ์ในเซลล์ทุกวัน[20] มีเส้นทางซ่อมแซม DNA มากมายสำหรับ DNA อย่างไรก็ตาม หากไม่ซ่อมแซมตำแหน่งอะพิวริน อาจเกิดการรวมนิวคลีโอไทด์ผิดพลาดระหว่างการจำลองแบบ อะดีนีนจะถูกรวมเข้าโดย DNA โพลิเมอเรสในตำแหน่งอะพิวรินเป็น หลัก
ไซติดีนอาจถูก ดีอะมิเน ชันไปเป็นยูริดีนในอัตราหนึ่งในห้าร้อยของอัตราการดีเพียวริเนชัน และอาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนจาก G ไปเป็น A เซลล์ยูคาริโอตยังมี5-เมทิลไซโทซีนซึ่งเชื่อกันว่ามีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมการถอดรหัสยีน ซึ่งสามารถดีอะมิเนชันไปเป็นไทมีนได้
การเกิดทอโทเมอไรเซชันเป็นกระบวนการที่สารประกอบจะเรียงตัวใหม่โดยธรรมชาติเพื่อเข้ารับรูปแบบไอโซเมอร์เชิงโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น รูปแบบคีโต (C=O) ของกัวนีนและไทมีนสามารถเรียงตัวใหม่เป็นรูปแบบอีโนล (-OH) ที่หายากได้ ในขณะที่รูปแบบอะมิโน (-NH 2 ) ของเอดีนีนและไซโทซีนสามารถส่งผลให้เกิดรูปแบบอิมิโน (=NH) ที่หายากกว่า ในการจำลองดีเอ็นเอ การเกิดทอโทเมอไรเซชันจะเปลี่ยนตำแหน่งการจับคู่เบสและอาจทำให้เบสของกรดนิวคลีอิกจับคู่กันไม่ถูกต้อง[29]
เบสอาจถูกดัดแปลงโดยโมเลกุลเซลล์ปกติภายในร่างกาย ตัวอย่างเช่นDNA อาจถูกเมทิลเลชันโดยS-adenosylmethionineซึ่งจะทำให้การแสดงออกของยีนที่ทำเครื่องหมายไว้เปลี่ยนไปโดยไม่เกิดการกลายพันธุ์ในลำดับ DNA เองการดัดแปลงฮิสโตนเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องซึ่งโปรตีนฮิสโตนที่คอยล์ DNA อยู่รอบๆ สามารถถูกดัดแปลงในลักษณะเดียวกันได้ผ่านการเมทิลเลชัน ฟอสโฟรีเลชัน หรืออะเซทิลเลชัน การดัดแปลงเหล่านี้อาจมีผลต่อการแสดงออกของยีนใน DNA ในบริเวณนั้น และอาจมีผลต่อการระบุตำแหน่งของ DNA ที่เสียหายซึ่งต้องการการซ่อมแซม DNA อาจถูกไกลโคซิเลชันด้วยน้ำตาลรีดิวซ์
สารประกอบหลายชนิด เช่น PAHs, อะโรมาติกเอมีน , อะฟลาทอกซินและอัลคาลอยด์ไพร์โรลิซิดี น อาจสร้าง อนุมูล อิสระออกซิเจนที่เร่งปฏิกิริยาโดยไซโตโครม P450 เมตาบอไลต์เหล่านี้สร้างสารประกอบร่วมกับดีเอ็นเอ ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการจำลอง และสารประกอบอะโรมาติกขนาดใหญ่สามารถสร้างการแทรกที่เสถียรระหว่างเบสและการจำลองแบบบล็อก สารประกอบเหล่านี้ยังอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโครงร่างในดีเอ็นเอ สารประกอบบางชนิดอาจส่งผลให้เกิดการสลายของดีเอ็นเอ[30] อย่างไรก็ตาม ยังไม่แน่ชัดว่าการสลายของดีเอ็นเอที่เกิดจากสารประกอบเหล่านี้มีความสำคัญเพียงใดในการสร้างการกลายพันธุ์
การเติมหมู่อัลคิเลชันและการเติมหมู่ เอริเลชัน ของเบสอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ ตัวแทนการเติมหมู่อัลคิเลชันบางชนิด เช่น N- ไนโตรซามีนอาจต้องใช้ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของไซโตโครม-P450 เพื่อสร้างไอออนอัลคิลที่มีปฏิกิริยาได้ N 7และ O 6ของกัวนีน และ N 3และ N 7ของอะดีนีนนั้นอ่อนไหวต่อการโจมตีมากที่สุด สารประกอบอะดักต์ N 7- กัวนีนสร้าง สารประกอบอะดักต์ DNAจำนวนมากแต่ดูเหมือนว่าจะไม่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ อย่างไรก็ตาม การเติมหมู่อัลคิเลชันที่ O 6ของกัวนีนนั้นเป็นอันตรายเนื่องจากการซ่อมแซม สารประกอบอะดักต์ O 6ของกัวนีนที่ตัดออกอาจไม่ดีในเนื้อเยื่อบางชนิด เช่น สมอง[31] การเติมหมู่เมทิลเลชันที่ O 6ของกัวนีนอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่าน จาก G เป็น A ในขณะที่เมทิลไทมีนที่ O 4อาจจับคู่ผิดกับกัวนีน อย่างไรก็ตาม ประเภทของการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นอาจขึ้นอยู่กับขนาดและประเภทของสารประกอบอะดักต์ ตลอดจนลำดับของดีเอ็นเอ[32]
รังสีไอออไนซ์และออกซิเจนที่เป็นปฏิกิริยา มักออกซิไดซ์กัวนีนจนผลิต8-ออกโซกัวนีน
รังสีไอออไนซ์อาจก่อให้เกิดอนุมูลอิสระที่มีปฏิกิริยาสูงซึ่งสามารถทำลายพันธะในดีเอ็นเอได้ การแตกหักแบบสองสายนั้นเป็นอันตรายอย่างยิ่งและยากต่อการซ่อมแซม โดยทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายและการลบส่วนหนึ่งของโครโมโซม สารอัลคิลเลต เช่น แก๊สมัสตาร์ด อาจทำให้แกนดีเอ็นเอแตกหักได้เช่นกันความเครียดออกซิเดชัน อาจก่อให้เกิด อนุมูลอิสระที่มีปฏิกิริยาสูงซึ่งสามารถทำลายดีเอ็นเอได้ การซ่อมแซมความเสียหายอื่นๆ ที่เกิดจากอนุมูลอิสระที่มีปฏิกิริยาสูงอย่างไม่ถูกต้องอาจนำไปสู่การกลายพันธุ์ได้เช่นกัน
พันธะโควาเลนต์ระหว่างเบสของนิวคลีโอไทด์ในดีเอ็นเอ ไม่ว่าจะอยู่ในสายเดียวกันหรือสายตรงข้ามกัน เรียกว่าการเชื่อมขวางของดีเอ็นเอการเชื่อมขวางของดีเอ็นเออาจส่งผลต่อทั้งการจำลองแบบและการถอดรหัสของดีเอ็นเอ และอาจเกิดจากการสัมผัสกับสารก่ออันตรายต่างๆ สารเคมีบางชนิดที่พบได้ตามธรรมชาติอาจส่งเสริมการเชื่อมขวาง เช่นซอราเลนหลังจากการกระตุ้นด้วยรังสี UV และกรดไนตรัส การเชื่อมขวางระหว่างสาย (ระหว่างสายสองสาย) ก่อให้เกิดความเสียหายมากขึ้น เนื่องจากขัดขวางการจำลองแบบและการถอดรหัส และอาจทำให้โครโมโซมแตกหักและเกิดการจัดเรียงใหม่ สารเชื่อมขวางบางชนิด เช่นไซโคลฟอสฟามายด์ไมโทไมซินซีและซิสแพลตินใช้เป็นยาเคมี บำบัดมะเร็ง เนื่องจากมีความเป็นพิษสูงต่อเซลล์ที่แบ่งตัว
การเกิดไดเมอร์ประกอบด้วยพันธะของโมโนเมอร์สองตัวเพื่อสร้างโอลิโกเมอร์ เช่น การสร้างไดเมอร์ไพริมิดีนอันเป็นผลจากการได้รับรังสี UVซึ่งส่งเสริมการสร้างวงแหวนไซโคลบิวทิลระหว่างไทมีนที่อยู่ติดกันในดีเอ็นเอ[33] ในเซลล์ผิวหนังของมนุษย์ ไดเมอร์หลายพันตัวอาจก่อตัวขึ้นในหนึ่งวันเนื่องมาจากการได้รับแสงแดดตามปกติDNA โพลิเมอเรส ηอาจช่วยหลีกเลี่ยงรอยโรคเหล่านี้ได้โดยไม่เกิดข้อผิดพลาด[34]อย่างไรก็ตาม บุคคลที่มีการซ่อมแซมดีเอ็นเอบกพร่อง เช่น ผู้ที่มีโรคผิวหนังแห้งจะไวต่อแสงแดดและอาจเสี่ยงต่อมะเร็งผิวหนัง
ในทางคลินิก การวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอสามารถระบุได้ว่าเนื้องอกก่อตัวเป็นผลโดยตรงจากรังสี UV หรือไม่ เพื่อหารูปแบบไดเมอร์เฉพาะบริบทที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งเกิดจากการได้รับแสงแดดมากเกินไป[35]
โครงสร้างแบบระนาบของสารเคมี เช่นเอทิดิอัมโบรไมด์และโพรฟลาวีนช่วยให้แทรกระหว่างเบสในดีเอ็นเอได้ การแทรกนี้ทำให้แกนหลักของดีเอ็นเอยืดออกและทำให้การลื่นไถลในดีเอ็นเอมีโอกาสเกิดขึ้นได้มากขึ้นระหว่างการจำลองแบบ เนื่องจากพันธะระหว่างสายมีความเสถียรน้อยลงจากการยืด การลื่นไถลไปข้างหน้าจะส่งผลให้ เกิด การกลายพันธุ์แบบลบออก ในขณะที่การลื่นไถลย้อนกลับจะส่งผล ให้เกิดการกลายพันธุ์แบบแทรกเข้าไป นอกจากนี้ การแทรกเข้าไปในดีเอ็นเอของแอนทราไซคลินเช่นเดาโนรูบิซินและดอกโซรูบิซิน จะ รบกวนการทำงานของเอนไซม์โทโพไอโซเมอเรส IIทำให้การจำลองแบบถูกปิดกั้นและทำให้เกิดการรวมตัวแบบโฮโมโลกัส ในไมโทซิส
ทรานสโพซอนและไวรัสหรือเรโทรทรานสโพซอนอาจแทรกลำดับดีเอ็นเอเข้าไปในบริเวณการเข้ารหัสหรือองค์ประกอบการทำงานของยีนและส่งผลให้ยีนไม่ทำงาน[36]
การกลายพันธุ์แบบปรับตัวถูกกำหนดให้เป็นกลไกการกลายพันธุ์ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถปรับตัวให้เข้ากับความเครียดจากสิ่งแวดล้อมได้ เนื่องจากความเครียดจากสิ่งแวดล้อมมีหลากหลายมาก กลไกที่ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถปรับตัวได้จึงค่อนข้างกว้างเช่นกัน เท่าที่การวิจัยในสาขานี้ได้แสดงให้เห็น ตัวอย่างเช่น ในแบคทีเรีย ในขณะที่การปรับเปลี่ยนการตอบสนอง SOS และการสังเคราะห์ DNA ของโปรฟาจภายในร่างกายได้แสดงให้เห็นว่าเพิ่มความต้านทานต่อซิโปรฟลอกซาซินของAcinetobacter baumannii [16]กลไกความต้านทานนั้นสันนิษฐานว่ามีความเกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ของโครโมโซมซึ่งไม่สามารถถ่ายโอนได้ผ่านการถ่ายโอนยีนในแนวนอนในสมาชิกบางส่วนของวงศ์ Enterobacteriaceae เช่นE. coli, Salmonella spp., Klebsiella spp. และEnterobacter spp. [37]เหตุการณ์ทางโครโมโซม โดยเฉพาะการขยายตัวของยีน ดูเหมือนว่าจะมีความเกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์แบบปรับตัวนี้ในแบคทีเรียด้วยเช่นกัน[38]
การวิจัยในเซลล์ยูคาริโอตนั้นหายากกว่ามาก แต่เหตุการณ์ทางโครโมโซมก็ดูเหมือนจะมีความเกี่ยวข้องด้วยเช่นกัน: ในขณะที่มีรายงานว่าการรวมตัวใหม่ภายในโครโมโซมผิดตำแหน่งมีส่วนเกี่ยวข้องกับการได้รับความต้านทานต่อ 5-fluorocytosine ในSaccharomyces cerevisiae [17] พบว่าการจำลองจีโนมช่วยให้S. cerevisiae มีความต้านทาน ต่อสภาพแวดล้อมที่ขาดสารอาหาร[21] [39] [40]
ในห้องปฏิบัติการ การกลายพันธุ์เป็นเทคนิคที่ออกแบบการกลายพันธุ์ของ DNA ขึ้นโดยเจตนาเพื่อผลิตยีน โปรตีน หรือสายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตที่กลายพันธุ์ ส่วนประกอบต่างๆ ของยีน เช่น องค์ประกอบควบคุมและผลผลิตของยีน อาจกลายพันธุ์ได้ เพื่อให้สามารถตรวจสอบหน้าที่ของยีนหรือโปรตีนได้อย่างละเอียด การกลายพันธุ์อาจผลิตโปรตีนกลายพันธุ์ที่มีคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไป หรือหน้าที่ที่เพิ่มขึ้นหรือใหม่ที่อาจพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ สายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตที่กลายพันธุ์ซึ่งมีการใช้งานจริง หรือช่วยให้สามารถตรวจสอบพื้นฐานทางโมเลกุลของหน้าที่เซลล์เฉพาะได้ อาจผลิตขึ้นได้เช่นกัน
วิธีการกลายพันธุ์ในยุคแรกๆ ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์แบบสุ่มทั้งหมด อย่างไรก็ตาม วิธีการกลายพันธุ์สมัยใหม่สามารถก่อให้เกิดการกลายพันธุ์เฉพาะจุดได้เทคนิคในห้องปฏิบัติการสมัยใหม่ที่ใช้ในการสร้างการกลายพันธุ์เหล่านี้ ได้แก่:
{{cite web}}
: CS1 maint: ชื่อตัวเลข: รายชื่อผู้เขียน ( ลิงค์ )