miniatura|Unha flor de tulipán que mostra un pétalo parcialmente amarelo debido á mutación nos seus xenes. En bioloxía, unha mutación é unha alteración na secuencia de nucleótidos do xenoma dun organismo, virus ou ADN extracromosómico. As mutacións que se orixinan por erros durante a replicación do ADN, mitose e meiose ou outros tipos de danos no ADN (como dímeros de pirimidina que poden ser causados pola exposición á radiación ou aos carcinóxenos). Eses danos poden despois sufrir unha reparación tendente ao erro (especialmente a unión de extremos mediada por microhomoloxía) ou pode orixinarse un erro durante outras formas de reparación ou mesmo durante a replicación (síntese translesión). As mutacións poden tamén ser o resultado dunha inserción ou deleción de segmentos do ADN debido a elementos xenéticos móbiles.
As mutacións non sempre producen cambios discernibles nas características observables do fenotipo dun organismo. As mutacións desempeñan un papel tanto en procesos biolóxicos normais coma anormais, como a evolución, cancro e o desenvolvemento do sistema inmunitario, incluíndo a diversidade de unión (junctional diversity).
Os xenomas de virus de ARN están baseados no ARN en vez de no ADN. O xenoma viral de ARN pode ser bicatenario (como no ADN) ou monocatenario. Nalgúns destes virus (como o monocatenario VIH causante da SIDA), a replicación ocorre rapidamente, e non hai mecanismos para comprobar a exactitude da copia do xenoma. Este proceso tendente ao erro adoita orixinar moitas mutacións. Os virus de ADN sofren un menor número de mutacións.
As mutaciones poden ser moi diferentes tipos de cambios nas secuencias. As mutacións nun xene poden ás veces non ter efectos, ou alterar o produto xénico ou impedir que o xene funcione correctamente ou completamente. Poden ocorrer tamén en rexións non xénicas. Un estudo de 2007 sobre a variación xenética entre varias especies da mosca Drosophila indicou que se unha mutación cambia unha proteína producida por un xene, o resultado é probablemente nocivo, e estimouse un 70% de polimorfismo de aminoácidos que teñen efectos prexudiciais e o resto son ou neutros ou marxinalmente beneficiosos. Debido aos efectos daniños que poden ter as mutacións nos xenes, os seres vivos teñen mecanismos como a reparación do ADN para impedir ou corrixir as mutacións, revertendo a secuencia mutada ao seu estado orixinal.
Introdución
As mutacións poden consistir en duplicacións de grandes seccións do ADN, xeralmente por recombinación xenética. Estas duplicacións son unha das principais fontes para a evolución de novos xenes, na que están implicados centos de xenes duplicados nos xenomas animais cada millóns de anos. A maioría dos xenes pertencen a familias xénicas grandes que descenden dun mesmo xene, detectables pola súa homoloxía de secuencia. Os novos xenes son producidos por varios métodos, comunmente pola duplicación e mutación dun xene ancestral ou por partes recombinads de diferentes xenes para formar novas combinacións con novas funcións.
Aquí, os dominios proteicos actúan como módulos, cada un dos cales ten unha función particular e independente, que pode ser mesturada para producir xenes que codifican novas proteínas con novas propiedades. Por exemplo, o ollo humano usa catro xenes para construír estruturas sensibles á luz: tres para os conos da retina ou visión das cores e unha para os bastóns ou visión nocturna; os catro orixináronse a partir dun único xene ancestral. Outra vantaxe de duplicar un xene (ou mesmo un xenoma enteiro) é que este incremente a súa redundancia; isto permite que un xene do par adquira unha nova función, mentres que a outra copia realiza a función orixinal. Outros tipos de mutacións crean ocasionalmente novos xenes a partir de ADN que previamente era non codificante.
Os cambios no número de cromosomas poden orixinar mutacións incluso máis grandes, nas que segmentos de ADN dos cromosomas rompen e recolócanse. Por exemplo, nos Homininae, fusionáronse dous cromosomas para producir o cromosoma 2 humano; esta fusión non ocorreu na liñaxe doutros simios, os cales manteñen estes cromosomas separados, polo que teñen un par de cromosomas máis que os humanos. Na evolución, o papel máis importante deste tipo de rearranxos cromosómicos pode ser o de acelerar a diverxencia dunha poboación en novas especies ao faceren menos probable que as pobaociósn se hibriden, conservando así as diferenzas xenéticas entre elas.
As secuencias de ADN que poden moverse polo xenoma, como os transposóns, constitúen unha fracción importante do material xenético de plantas e animais e puideron ter sido importantes na evolución dos xenomas. Por exemplo, no xenoma humano existen máis dun millón de copias de secuencias Alu e estas secuencias foron agora en moitos casos recrutadas para realizar funcións como a regulación da expresión xénica. Outro efecto destas secuencias de ADN móbiles é que cando se moven dentro dun xenoma, poden facer mutar ou eliminar xenes existentes e así producir diversidade xenética.
As mutacións non letais acumúlanse dentro do acervo xenético e fan aumentar as variacións xenéticas. A abundancia dalgúns cambios xenéticos dentro do acervo xenético pode ser reducido pola selección natural, mentres que outras mutacións "máis favorables" poden acumularse e ter como resultado cambios adaptativos.
miniatura|199px|Prodryas persephone, unha bolboreta do Eoceno tardío Por exemplo, unha bolboreta pode producir descendencia con novas mutacións. A maioría destas mutacións non terán efectos; pero unha podería cambiar a cor da descendencia da bolboreta, facendo máis difícil (ou máis doado) para os predadores vela. Se este cambio de cor é vantaxoso, as posibilidades de supervivencia desta bolboreta e de que produza a súa propia descendencia serán algo mellores, e co tempo o número de bolboretas con esta mutación poden formar unha porcentaxe máis grande da poboación.
As mutacións neutras defínense como mutacións cuxos efectos non inflúen na fitness dun individuo. A súa frecuencia pode incrementarse co tempo debido á deriva xenética. Crese que a maioría das mutacións non teñen un efecto significativo sobre a fitness dun organismo. Ademais, os mecanismos de reparación do ADN poden arranxar a maioría dos cambios antes de que se convertan en mutacións permanentes e moitos organismos teñen mecanismos para eliminar células somáticas que doutro modo quedarían permanentemente mutadas.
As mutacións beneficiosas poden mellorar o éxito reprodutivo.
Causas
Catro clases de mutacións naturais son: (1) mutacións espontáneas (degradación molecular), (2) mutacións debidas ao bypass de replicación tendente ao erro de danos no ADN por causas naturais (tamén chamadas síntese translesión tendente ao erro), (3) erros introducidos durante a reparación do ADN, e (4) mutacións inducidas causadas por mutáxenos. Os científicos tamén poden introducir deliberadamente secuencias mutantes por manipulación do ADN para faceren experimentos científicos.
Un estudo de 2017 afirmou que o 66% das mutacións causantes de cancro son aleatorias, o 29% son debidas ao ambiente (a poboación estudada abranguía 69 países) e o 5% eran herdadas.
Os humanos como media transmiten 60 mutacións novas aos seus fillos, pero poden transmitir máis dependendo da súa idade, e cada por cada ano de idade engádense dúas novas mutacións aos fillos.
Mutación espontánea
As mutacións espontáneas ocorren cunha probabilidade distinta de cero mesmo en persoas con boa saúde e células non contaminadas. Poden clasificarse de acordo ao seu cambio específico:
Tautomería.— Unha base cambia polo reposicionamento dun átomo de hidróxeno, alterando o padrón de enlaces de hidróxeno desa base, orixinando un emparellamento de bases incorrecto durante a replicación. Despurinación.— Perda dunha base púrica (A ou G) para formar un sitio apurínico (sitio AP). Desaminación.— Por hidrólise cambia unha base normal a unha base atípica que contén un grupo ceto en lugar do grupo amino orixinal. Exemplos son: C → U e A → HX (hipoxantina), que poden ser corrixidos polos mecanismos de reparación do ADN; e 5MeC (5-metilcitosina) → T, que é menos probable que sexa detectada como unha mutación porque a timina é unha base normal do ADN. Discordancia de febra escorregada (slipped strand mispairing), tamén chamada escorregamento de replicación.— Desnaturalización da nova febra a partir da febra molde durante a replicación, seguida da renaturalización nun punto diferente ("escorregamento" ou "slipping"). Isto pode orixinar insercións ou delecións.
Bypass da replicación tendente ao erro
Hai cada vez máis probas de que a maioría das mutacións que se orixinan espontaneamente débense á repicación tendente ao erro (síntese translesión) despois dun dano no ADN na febra molde. Os danos oxidativos no ADN ocorren por causas naturais e orixínanse polo menos unhas poucas miles de veces por célula e por día en humanos, aínda que a maioría son reparadas.Saul RL, Ames BN. Background levels of DNA damage in the population. Basic Life Science. 1986;38:529-35. PMID 3741344 . DOI 10.1007/978-1-4615-9462-8_55 . Cita: "Baseándose nas medidas de produtos de oxidación do ADN na urina humana, estimamos que a taxa total de formación de todos os produtos de danos oxidativos no ADN no home é da orde duns poucos miles de eventos por célula e por día" En ratos, a maioría das mutacións son causadas por síntese translesión. Igualmente, en lévedos, Kunz et al. atoparon que máis do 60% das substitucións dun só par de bases espontáneas e das delecións eran causadas por síntese translesión.
Erros introducidos durante a reparación do ADN
Aínda que as roturas de dobre febra no ADN por causas naturais ocorren a frecuencias relativamente baixas no ADN, a súa reparación a miúdo causa mutacións. A unión de extremos non homólogos (NHEJ) é o mecanismo principal para a reparación de roturas de dobre febra. A unión de extremos no homólogos afecta a uns poucos nucleótidos para permitir o aliñamento algo inexacto dos dous extremos para unilos e seguidamente engadir nucleótidos para encher os ocos. Como consecuencia, este mecanismo introduce mutacións. miniatura|250px|Un aduto covalente entre o metabolito do benzo[a]pireno, o maior mutáxeno no fume do tabaco, e o ADN.Creado a partir de PDB 1JDG
Mutación inducida miniatura|242x242px|Os procesos tradicionais do empalme e a tradución dun xene eucariota As mutacións inducidas son alteracións no xene causadas por estar en contacto con mutáxenos e por causas ambientais.
As mutacións inducidas a nivel molecular pode ser causadas por: Compostos químicos. Hidroxilamina. Análogos de bases (por exemplo, a bromodesoxiuridina (BrdU)). Axentes alquilantes (por exemplo, N-etil-N-nitrosourea (ENU). Estes axentes poden facer mutar tanto ADN replicante coma non replicante. En contraste, un análogo de bases pode facer mutar o ADN só cando o análogo se incorpora ao ADN en replicación. Cada unha destas clases de mutáxenos químicos teñen certos efectos que despois levan á aparición de transicións, transversións ou delecións. Axentes que forman adutos do ADN (por exemplo, a ocratoxina A). Axentes intercalantes (por exemplo, bromuro de etidio). Enlazadores cruzados do ADN. Danos oxidativos. O ácido nitroso converte os grupos amino de A e C en grupos diazo, alterando os seus padróns de enaces de hidróxeno, o que orixina un apareamento de bases incorrecto durante a replicación. Radiación. Luz ultravioleta (UV) (radiación non ionizante). Dúas bases nucleotídicas no ADN (citosina e timina) son moi vulnerables á radiación, que lles pode facer cambiar as súas propiedades. A luz UV pode inducir que bases pirimidínicas adxacentes na febra do ADN queden unidas covalentemente formando un dímero de pirimidina. A radiación UV, en particular a UVA de onda máis longa, poden causar danos oxidativos no ADN.