3.4 Mutaties (puntmutaties, genmutaties, chromosoommutaties en de effecten op eiwitten en individuen)

Blok 1: Spontane mutaties

Definitie

Spontane mutaties zijn veranderingen in de DNA-sequentie die zonder invloed van externe factoren tot stand komen. Deze fouten ontstaan als onderdeel van normale cellulaire processen, zoals replicatie en metabole reacties, zonder tussenkomst van mutagene stoffen of stralingen.

Belangrijke concepten

Spontane mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door intrinsieke fouten tijdens de DNA-replicatie. Ze kunnen optreden wanneer het DNA-polymerase een fout maakt bij het inbouwen van nucleotiden. Hoewel het polymerase over proofreading-mechanismen beschikt, blijven sommige fouten onopgemerkt en worden deze als permanente mutaties in het DNA ingeschreven.

Een andere belangrijke bron van spontane mutaties is de spontane chemische wijziging van de DNA-basen. Een vaak besproken voorbeeld is de deaminatie van cytosine. Hierbij verliest de aminogroep van cytosine spontaan een NH₂-groep en wordt omgezet in een C=O-groep, waardoor cytosine wordt omgevormd tot uracil. Dit is problematisch omdat uracil normaal niet in DNA voorkomt, wat de baseparing kan verstoren of verkeerde nucleotiden in volgende replicatierondes kan introduceren.

Formules en berekeningen

• $Cytosine (C: C₄H₅N₃O) → Uracil (U: C₄H₄N₂O₂) + NH₃$

• $Originele sequentie: 5'-...CGA...-3'$

• $Na foutieve inbouw: 5'-...CAA...-3'$

Na volgende replicatiecycli kan deze fout permanent worden indien ze niet hersteld wordt.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Tijdens DNA-replicatie wordt door het DNA-polymerase een thymine in plaats van een guanine ingebouwd. Bij het bijhorende complement ontstaat een verkeerde baseparing. Als deze fout tijdens de proofreading niet wordt gecorrigeerd, resulteert dit in puntmutatie bij de daaropvolgende celdeling.

Voorbeeld 2: Deaminatie van cytosine vindt spontaan plaats waardoor een C-G basenpaar transformeert in een U-G basenpaar. Bij de daaropvolgende replicatie kan uracil paren met adenine, waardoor het oorspronkelijke C-G paar vervangen wordt door een T-A paar in elke dochterstreng. Hiermee is een overgangsmutatie ontstaan zonder tussenkomst van een externe factor.

Veel gemaakte fouten

• Studenten verwarren vaak het begrip ‘spontane mutatie’ met onvermijdbare schade aan erfelijk materiaal. Niet elke fout leidt tot een mutatie; het overgrote deel wordt door cellulaire herstelmechanismen hersteld.

• Er wordt soms aangenomen dat spontane mutaties volledig willekeurig voorkomen, maar sommige regio's van het genoom zijn kwetsbaarder voor specifieke spontane chemische wijzigingen.

Blok 2: Geïnduceerde mutaties

Definitie

Geïnduceerde mutaties zijn DNA-veranderingen die ontstaan als direct gevolg van uitwendige milieufactoren, zogenaamde mutagenen. Zij verhogen de mutatiefrequentie boven het spontane achtergrondniveau.

Belangrijke concepten

Typische mutagene factoren zijn:

• Stralingen: zoals ioniserende stralingen (röntgenstralen, gammastralen) en niet-ioniserende stralingen (ultraviolet licht). Zij veroorzaken breuken in het DNA of dimerisatie van pyrimidinebasen.

• Chemische stoffen: waaronder alkylerende agentia, base-analogen en intercalerende stoffen. Deze kunnen de structuur van basen wijzigen, foute baseparingen induceren of structurele instabiliteit creëren.

Formules en berekeningen

• $Straling met hoge energie kan dubbele strengsbreuken in het DNA veroorzaken: DNA + straling → DNA-breuk + radicalen$

• $Intercalatie van chemische stoffen leidt tot frameshiftmutaties: Insertie van proflavine in DNA-sequentie → scherp verhoogde kans op insertie of deletie bij replicatie$

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Een cel wordt blootgesteld aan ultraviolet licht, wat de vorming van thyminedimeren veroorzaakt. Deze dimeren verhinderen normale baseparing tijdens replicatie, wat kan resulteren in inserties of deleties wanneer het DNA-polymerase over de beschadigde regio heen leest.