Mutageno

El pictograma internacional para sustancias químicas que son sensibleras, mutagénicas, carcinógenas o tóxicas a la reproducción.

En genética, un mutágeno es un agente físico o químico que cambia permanentemente el material genético, generalmente el ADN, en un organismo y, por lo tanto, aumenta la frecuencia de mutaciones por encima del nivel de fondo natural. Dado que muchas mutaciones pueden causar cáncer en los animales, estos mutágenos pueden ser carcinógenos, aunque no todos lo son necesariamente. Todos los mutágenos tienen firmas mutacionales características y algunos químicos se vuelven mutagénicos a través de procesos celulares.

El proceso de modificación del ADN se llama mutagénesis. No todas las mutaciones son causadas por mutágenos: las llamadas "mutaciones espontáneas" ocurren debido a hidrólisis espontánea, errores en la replicación, reparación y recombinación del ADN.

Descubrimiento

Los primeros mutágenos que se identificaron fueron carcinógenos, sustancias que se demostró que estaban relacionadas con el cáncer. Los tumores se describieron más de 2000 años antes del descubrimiento de los cromosomas y el ADN; en el año 500 a. C., el médico griego Hipócrates nombró a los tumores que se asemejaban a un cangrejo karkinos (de donde se deriva la palabra "cáncer" a través del latín), que significa cangrejo. En 1567, el médico suizo Paracelsus sugirió que una sustancia no identificada en el mineral extraído (identificado como gas radón en los tiempos modernos) causaba una enfermedad debilitante en los mineros, y en Inglaterra, en 1761, John Hill estableció el primer vínculo directo entre el cáncer y las sustancias químicas al señalando que el uso excesivo de tabaco puede causar cáncer nasal. En 1775, Sir Percivall Pott escribió un artículo sobre la alta incidencia de cáncer de escroto en los deshollinadores y sugirió que el hollín de la chimenea era la causa del cáncer de escroto. En 1915, Yamagawa e Ichikawa demostraron que la aplicación repetida de alquitrán de hulla en las orejas de los conejos producía cáncer maligno. Posteriormente, en la década de 1930, el componente cancerígeno del alquitrán de hulla se identificó como un hidrocarburo poliaromático (PAH), benzo[a]pireno. Los hidrocarburos poliaromáticos también están presentes en el hollín, que se sugirió que era un agente causal del cáncer más de 150 años antes.

La asociación de la exposición a la radiación y el cáncer se observó ya en 1902, seis años después del descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen y la radiactividad por Henri Becquerel. Georgii Nadson y German Filippov fueron los primeros en crear hongos mutantes bajo radiación ionizante en 1925. La propiedad mutagénica de los mutágenos se demostró por primera vez en 1927, cuando Hermann Muller descubrió que los rayos X pueden causar mutaciones genéticas en las moscas de la fruta, produciendo también mutantes fenotípicos. como cambios observables en los cromosomas, visibles debido a la presencia de "politeno" cromosomas en las glándulas salivales de la mosca de la fruta. Su colaborador Edgar Altenburg también demostró el efecto mutacional de la radiación ultravioleta en 1928. Muller pasó a usar rayos X para crear mutantes de Drosophila que usó en sus estudios de genética. También descubrió que los rayos X no solo mutan los genes en las moscas de la fruta, sino que también tienen efectos en la composición genética de los humanos. Un trabajo similar de Lewis Stadler también mostró el efecto mutacional de los rayos X en la cebada en 1928 y la radiación ultravioleta (UV) en el maíz en 1936. El efecto de la luz solar se había observado previamente en el siglo XIX, donde se encontraron marineros y trabajadores rurales al aire libre. ser más propensos al cáncer de piel.

No se demostró que los mutágenos químicos causaran mutaciones hasta la década de 1940, cuando Charlotte Auerbach y J. M. Robson descubrieron que el gas mostaza puede causar mutaciones en las moscas de la fruta. Desde entonces, se ha identificado una gran cantidad de mutágenos químicos, especialmente después del desarrollo de la prueba de Ames en la década de 1970 por Bruce Ames que detecta mutágenos y permite la identificación preliminar de carcinógenos. Los primeros estudios realizados por Ames mostraron que alrededor del 90 % de los carcinógenos conocidos pueden identificarse en la prueba de Ames como mutagénicos (sin embargo, estudios posteriores arrojaron cifras más bajas), y ~80 % de los mutágenos identificados mediante la prueba de Ames también pueden ser carcinógenos. Los mutágenos no son necesariamente cancerígenos y viceversa. La azida de sodio, por ejemplo, puede ser mutagénica (y altamente tóxica), pero no se ha demostrado que sea cancerígena.

Efectos

Los mutágenos pueden causar cambios en el ADN y, por lo tanto, son genotóxicos. Pueden afectar la transcripción y replicación del ADN, lo que en casos severos puede conducir a la muerte celular. El mutágeno produce mutaciones en el ADN, y la mutación deletérea puede resultar en una función aberrante, deteriorada o pérdida de un gen en particular, y la acumulación de mutaciones puede conducir al cáncer. Por lo tanto, los mutágenos también pueden ser cancerígenos. Sin embargo, algunos mutágenos ejercen su efecto mutagénico a través de sus metabolitos y, por lo tanto, el hecho de que tales mutágenos realmente se vuelvan cancerígenos puede depender de los procesos metabólicos de un organismo, y un compuesto que se demuestra que es mutagénico en un organismo puede no serlo necesariamente en otro.

Diferentes mutágenos actúan sobre el ADN de manera diferente. Los mutágenos potentes pueden provocar inestabilidad cromosómica, lo que provoca roturas cromosómicas y reordenamiento de los cromosomas, como translocación, eliminación e inversión. Estos mutágenos se denominan clastógenos.

Los mutágenos también pueden modificar la secuencia de ADN; los cambios en las secuencias de ácidos nucleicos por mutaciones incluyen sustitución de pares de bases de nucleótidos e inserciones y deleciones de uno o más nucleótidos en secuencias de ADN. Aunque algunas de estas mutaciones son letales o causan enfermedades graves, muchas tienen efectos menores ya que no producen cambios en los residuos que tengan un efecto significativo en la estructura y función de las proteínas. Muchas mutaciones son mutaciones silenciosas, que no causan ningún efecto visible, ya sea porque ocurren en secuencias no codificantes o no funcionales, o porque no cambian la secuencia de aminoácidos debido a la redundancia de codones.

Algunos mutágenos pueden causar aneuploidía y cambiar la cantidad de cromosomas en la célula. Se conocen como aneuploidógenos.

En la prueba de Ames, en la que se utilizan concentraciones variables del químico en la prueba, la curva de respuesta a la dosis obtenida es casi siempre lineal, lo que sugiere que puede no haber un umbral para la mutagénesis. También se obtienen resultados similares en estudios con radiaciones, lo que indica que puede no haber un umbral seguro para los mutágenos. Sin embargo, el modelo sin umbral se cuestiona y algunos argumentan a favor de un umbral dependiente de la tasa de dosis para la mutagénesis. Algunos han propuesto que un nivel bajo de algunos mutágenos puede estimular los procesos de reparación del ADN y, por lo tanto, puede no ser necesariamente dañino. Los enfoques más recientes con métodos analíticos sensibles han demostrado que puede haber respuestas a la dosis no lineales o bilineales para los efectos genotóxicos, y que la activación de las vías de reparación del ADN puede prevenir la aparición de mutaciones derivadas de una dosis baja de mutágeno.

Tipos

Los mutágenos pueden ser de origen físico, químico o biológico. Pueden actuar directamente sobre el ADN, causando daños directos al ADN y, en la mayoría de los casos, dando como resultado un error de replicación. Sin embargo, algunos pueden actuar sobre el mecanismo de replicación y la partición cromosómica. Muchos mutágenos no son mutagénicos por sí mismos, pero pueden formar metabolitos mutagénicos a través de procesos celulares, por ejemplo, a través de la actividad del sistema citocromo P450 y otras oxigenasas como la ciclooxigenasa. Dichos mutágenos se denominan promutágenos.

Mutágenos físicos

• Las radiaciones ionizantes como los rayos X, los rayos gamma y las partículas alfa causan rotura de ADN y otros daños. Las fuentes de laboratorio más comunes incluyen el cobalto-60 y el cesio-137.
• Las radiaciones ultravioletas con longitud de onda por encima de 260 nm se absorben fuertemente por bases, produciendo pyrimidine dimers, que puede causar error en la replicación si no se ha corregido.
• Decaimiento radiactivo, como 14C en ADN que se descompone en nitrógeno.

Químicos reactivos al ADN

Un acueducto de ADN (en el centro) del metabolito mutagénico de benzo[a]piro de humo de tabaco.

Un gran número de sustancias químicas pueden interactuar directamente con el ADN. Sin embargo, muchos como los PAH, las aminas aromáticas y el benceno no son necesariamente mutagénicos por sí mismos, sino que a través de procesos metabólicos en las células producen compuestos mutagénicos.

• Especies reactivas de oxígeno (ROS) – Estos pueden ser superóxidos, radicales hidroxilos y peróxido de hidrógeno, y gran número de estas especies altamente reactivas se generan por procesos celulares normales, por ejemplo como subproductos de transporte de electrones mitocondriales, o peróxido de lípido. Como ejemplo de este último, ácido intraenocico de 15-hidroperoxiicosato, producto natural de cicloxigenas celulares y lipoxigenasas, se descompone para formar 4-hidroxi-2(E)-nonenal, 4-hidroperoxy-2(E)-nonenal, 4-oxo-2(E#-nonenal, and cis-4,5-epoxy-2(E)-decanal; estos electores bifuncionales son mutagénicos en las células mamíferas y pueden contribuir al desarrollo y/o progresión de cánceres humanos (ver ácido 15-Hydroxiicosatetraenoico). Un número de mutagenos también puede generar estos ROS. Estos ROS pueden resultar en la producción de muchos adductos base, así como las roturas y cruces de cadenas de ADN.
• Deaminando agentes, por ejemplo ácido nitroso que puede causar mutaciones de transición convirtiendo citosina a uracil.
• Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), cuando se activan a diol-epoxidas pueden atar a ADN y formar adductos.
• Agentes alquilantes como el ethylnitrosourea. Los compuestos transfieren metil o grupo etilo a bases o grupos de fosfato de columna vertebral. Guanine cuando alquilado puede ser mal pagado con la timina. Algunos pueden causar cruces de ADN y roturas. Las nitrosaminas son un grupo importante de mutagenos que se encuentran en el tabaco, y también se pueden formar en carnes y pescados ahumados a través de la interacción de las aminas en alimentos con nitritos añadidos como conservantes. Otros agentes alquilantes incluyen gas mostaza y cloruro de vinilo.
• Aromatic amines and amides have been associated with carcinogenesis since 1895 when German medical Ludwig Rehn observed high incidence of vedder cancer among workers in German sintética amine dye industry. 2-Acetillaminofluoreno, utilizado originalmente como plaguicida, pero también se puede encontrar en carne cocida, puede causar cáncer de la vejiga, hígado, oído, intestino, tiroides y seno.
• Los alcaloides de plantas, como las de especies vincas, pueden ser convertidos por procesos metabólicos en el mutageno o carcinógeno activo.
• Bromina y algunos compuestos que contienen bromo en su estructura química.
• Sodium azide, una sal azida que es un reactivo común en la síntesis orgánica y un componente en muchos sistemas de airbags de automóviles
• Psoralen combinado con radiación ultravioleta causa el enlace cruzado del ADN y por lo tanto la rotura cromosoma.
• Benzene, un solvente industrial y precursor en la producción de drogas, plásticos, caucho sintético y tintes.

Bases análogas

• Base analógica, que puede sustituir las bases de ADN durante la replicación y causar mutaciones de transición. algunos ejemplos son 5 bromo uracil y 2 amino purine

Agentes intercalantes

• Los agentes intercaladores, como el bromuro de ethidio y el proflavine, son moléculas que pueden insertar entre bases en el ADN, causando mutación de incriminaciones durante la replicación. Algunos como la daunorubicina pueden bloquear la transcripción y la replicación, haciéndolos altamente tóxicos para proliferar células.

Metales

Muchos metales, como el arsénico, el cadmio, el cromo, el níquel y sus compuestos pueden ser mutagénicos, pero pueden actuar, sin embargo, a través de varios mecanismos diferentes. El arsénico, el cromo, el hierro y el níquel pueden estar asociados con la producción de ROS, y algunos de estos también pueden alterar la fidelidad de la replicación del ADN. El níquel también puede estar relacionado con la hipermetilación del ADN y la desacetilación de histonas, mientras que algunos metales como el cobalto, el arsénico, el níquel y el cadmio también pueden afectar los procesos de reparación del ADN, como la reparación de los desajustes del ADN y la reparación por escisión de bases y nucleótidos.

Agentes biológicos

• Transposon, una sección de ADN que sufre reubicación/multiplicación de fragmentos autónomos. Su inserción en el ADN cromosómico altera los elementos funcionales de los genes.
• Virus – El ADN de virus se puede insertar en el genoma y altera la función genética. Los agentes infecciosos han sido sugeridos para causar cáncer desde 1908 por Vilhelm Ellermann y Oluf Bang, y 1911 por Peyton Rous que descubrió el virus del sarcoma Rous.
• Bacterias - algunas bacterias como Helicobacter pylori causar inflamación durante la cual se producen especies oxidativas, causando daño al ADN y reduciendo la eficiencia de los sistemas de reparación del ADN, aumentando así la mutación.

Protección

Las frutas y verduras son ricas en antioxidantes.

Los antioxidantes son un grupo importante de compuestos anticancerígenos que pueden ayudar a eliminar ROS o sustancias químicas potencialmente dañinas. Estos se pueden encontrar naturalmente en frutas y verduras. Ejemplos de antioxidantes son la vitamina A y sus precursores carotenoides, la vitamina C, la vitamina E, los polifenoles y varios otros compuestos. El β-caroteno son los compuestos de color rojo anaranjado que se encuentran en vegetales como las zanahorias y los tomates. La vitamina C puede prevenir algunos tipos de cáncer al inhibir la formación de compuestos N-nitroso mutagénicos (nitrosamina). También se ha demostrado que los flavonoides, como el EGCG en el té verde, son antioxidantes eficaces y pueden tener propiedades anticancerígenas. Los estudios epidemiológicos indican que una dieta rica en frutas y verduras se asocia con una menor incidencia de algunos tipos de cáncer y una mayor esperanza de vida, sin embargo, la eficacia de los suplementos antioxidantes en la prevención del cáncer en general sigue siendo objeto de debate.

Otros productos químicos pueden reducir la mutagénesis o prevenir el cáncer a través de otros mecanismos, aunque para algunos el mecanismo preciso de su propiedad protectora puede no estar seguro. El selenio, que está presente como micronutriente en las verduras, es un componente de importantes enzimas antioxidantes como la glutatión peroxidasa. Muchos fitonutrientes pueden contrarrestar el efecto de los mutágenos; por ejemplo, se ha demostrado que el sulforafano en vegetales como el brócoli protege contra el cáncer de próstata. Otros que pueden ser efectivos contra el cáncer incluyen el indol-3-carbinol de las verduras crucíferas y el resveratrol del vino tinto.

Una medida de precaución eficaz que un individuo puede tomar para protegerse es limitar la exposición a mutágenos como las radiaciones UV y el humo del tabaco. En Australia, donde las personas con piel pálida a menudo están expuestas a la luz solar intensa, el melanoma es el cáncer más común diagnosticado en personas de 15 a 44 años.

En 1981, el análisis epidemiológico en humanos realizado por Richard Doll y Richard Peto indicó que fumar causaba el 30 % de los cánceres en los EE. UU. También se cree que la dieta causa una cantidad significativa de cáncer, y se ha estimado que alrededor del 32% de las muertes por cáncer pueden evitarse modificando la dieta. Los mutágenos identificados en los alimentos incluyen micotoxinas de alimentos contaminados con crecimientos de hongos, como las aflatoxinas que pueden estar presentes en el maní y el maíz contaminados; aminas heterocíclicas generadas en la carne cuando se cocina a alta temperatura; HAP en carne carbonizada y pescado ahumado, así como en aceites, grasas, pan y cereales; y nitrosaminas generadas a partir de nitritos utilizados como conservantes de alimentos en carne curada como el tocino (el ascobato, que se agrega a la carne curada, sin embargo, reduce la formación de nitrosamina). Los alimentos ricos en almidón demasiado dorados, como el pan, las galletas y las papas, pueden generar acrilamida, una sustancia química que se ha demostrado que causa cáncer en estudios con animales. El consumo excesivo de alcohol también se ha relacionado con el cáncer; los posibles mecanismos de su carcinogenicidad incluyen la formación del posible mutágeno acetaldehído y la inducción del sistema del citocromo P450 que se sabe que produce compuestos mutagénicos a partir de promutágenos.

Para ciertos mutágenos, como productos químicos peligrosos y materiales radiactivos, así como agentes infecciosos que se sabe que causan cáncer, las legislaciones gubernamentales y los organismos reguladores son necesarios para su control.

Sistemas de prueba

Se han desarrollado muchos sistemas diferentes para detectar mutágenos. Los sistemas animales pueden reflejar con mayor precisión el metabolismo humano, sin embargo, son caros y consumen mucho tiempo (pueden tardar unos tres años en completarse), por lo que no se utilizan como primera detección de mutagenicidad o carcinogenicidad.

Bacteriana

• Prueba de Ames – Esta es la prueba más utilizada, y Salmonella typhimurium las cepas deficientes en la biosíntesis de histidina se utilizan en esta prueba. Los cheques de prueba para mutantes que pueden volver a tipo salvaje. Es una pantalla inicial fácil, barata y conveniente para los mutagenos.
• Resistencia a 8-azaguanina en S. typhimurium – Similar a la prueba Ames, pero en lugar de mutación inversa, comprueba la mutación avanzada que confiere resistencia a 8-Azaguanina en una cepa revertente de histidina.
• Escherichia coli sistemas – Tanto el sistema de detección de mutación delantera como inversa han sido modificados para su uso en E. coli. El mutante deficiente de triptófano se utiliza para la mutación inversa, mientras que la utilidad de la galactosa o la resistencia a 5-metiltriptófano se puede utilizar para la mutación avanzada.
• Reparación de ADN – E. coli y Bacillus subtilis cepas deficientes en la reparación de ADN se pueden utilizar para detectar mutagenes por su efecto en el crecimiento de estas células a través del daño de ADN.

Levadura

Se han desarrollado sistemas similares a la prueba de Ames en levadura. Generalmente se utiliza Saccharomyces cerevisiae. Estos sistemas pueden verificar mutaciones directas e inversas, así como eventos recombinantes.

Drosófila

Prueba letal recesiva ligada al sexo: en esta prueba se utilizan machos de una cepa con cuerpos amarillos. El gen del cuerpo amarillo se encuentra en el cromosoma X. Las moscas de la fruta se alimentan con una dieta de producto químico de prueba y las progenies se separan por sexo. Los machos supervivientes se cruzan con las hembras de la misma generación, y si no se detectan machos con cuerpos amarillos en la segunda generación, indicaría que se ha producido una mutación letal en el cromosoma X.

Ensayos en plantas

Plantas como Zea mays, Arabidopsis thaliana y Tradescantia se han utilizado en varios ensayos de mutageneidad de productos químicos.

Ensayo de cultivo celular

Las líneas celulares de mamíferos, como las células V79 de hámster chino, las células de ovario de hámster chino (CHO) o las células de linfoma de ratón, se pueden usar para probar la mutagénesis. Dichos sistemas incluyen el ensayo HPRT para determinar la resistencia a la 8-azaguanina o la 6-tioguanina, y el ensayo de resistencia a la ouabaína (OUA).

Los hepatocitos primarios de rata también se pueden usar para medir la reparación del ADN después del daño del ADN. Los mutágenos pueden estimular la síntesis de ADN no programada que da como resultado más material nuclear teñido en las células después de la exposición a los mutágenos.

Sistemas de verificación de cromosomas

Estos sistemas verifican cambios a gran escala en los cromosomas y se pueden usar con cultivo celular o en pruebas con animales. Los cromosomas se tiñen y se observan en busca de cualquier cambio. El intercambio de cromátidas hermanas es un intercambio simétrico de material cromosómico entre cromátidas hermanas y puede estar relacionado con el potencial mutagénico o cancerígeno de una sustancia química. En la prueba de micronúcleos, las células se examinan en busca de micronúcleos, que son fragmentos o cromosomas que quedan en la anafase y, por lo tanto, es una prueba de agentes clastogénicos que causan roturas cromosómicas. Otras pruebas pueden verificar varias aberraciones cromosómicas, como cromátidas y brechas y deleciones cromosómicas, translocaciones y ploidía.

Sistemas de experimentación con animales

Los roedores se utilizan generalmente en pruebas con animales. Los productos químicos bajo Las pruebas generalmente se administran en los alimentos y en el agua de bebida, pero a veces por aplicación dérmica, por sonda o por inhalación, y se llevan a cabo durante la mayor parte de la vida de los roedores. En las pruebas que verifican carcinógenos, primero se determina la dosis máxima tolerada, luego se administra un rango de dosis a alrededor de 50 animales a lo largo de la vida útil teórica del animal de dos años. Después de la muerte, los animales se examinan en busca de signos de tumores. Sin embargo, las diferencias en el metabolismo entre ratas y humanos significan que los humanos pueden no responder exactamente de la misma manera al mutágeno, y las dosis que producen tumores en la prueba con animales también pueden ser irrazonablemente altas para un humano, es decir, la cantidad equivalente requerida para producir tumores en humanos. puede exceder con creces lo que una persona podría encontrar en la vida real.

También se pueden usar ratones con mutaciones recesivas para un fenotipo visible para buscar mutágenos. Las hembras con mutación recesiva cruzadas con machos de tipo salvaje producirían el mismo fenotipo que el tipo salvaje, y cualquier cambio observable en el fenotipo indicaría que se ha producido una mutación inducida por el mutágeno.

Los ratones también se pueden utilizar para ensayos letales dominantes en los que se controlan las muertes embrionarias tempranas. Los ratones machos se tratan con productos químicos bajo prueba, se aparean con hembras y luego se sacrifican las hembras antes del parto y se cuentan las muertes fetales tempranas en los cuernos uterinos.

ensayo en ratones transgénicos que usa una cepa de ratón infectada con un vector lanzadera viral es otro método para probar mutágenos. Primero se trata a los animales con el mutágeno sospechoso, luego se aísla el ADN del ratón y se recupera el segmento del fago y se usa para infectar E. coli. Usando un método similar al de la pantalla azul-blanca, la placa formada con ADN que contiene la mutación es blanca, mientras que las que no la tienen son azules.

En terapia contra el cáncer

Muchos mutágenos son altamente tóxicos para las células en proliferación y, a menudo, se usan para destruir las células cancerosas. Los agentes alquilantes como la ciclofosfamida y el cisplatino, así como los agentes intercalantes como la daunorrubicina y la doxorrubicina pueden usarse en la quimioterapia. Sin embargo, debido a su efecto sobre otras células que también se dividen rápidamente, pueden tener efectos secundarios como pérdida de cabello y náuseas. La investigación sobre mejores terapias dirigidas puede reducir tales efectos secundarios. Las radiaciones ionizantes se utilizan en radioterapia.

En la ficción

En la ciencia ficción, los mutágenos a menudo se representan como sustancias que son capaces de cambiar por completo la forma del receptor o de otorgarle superpoderes. Las poderosas radiaciones son los agentes de mutación para los superhéroes en Fantastic Four, Daredevil y Hulk de Marvel Comics, mientras que en la franquicia Teenage Mutant Ninja Turtles el mutágeno es un agente químico también llamado 'ooze'. y para Inhumans el mutágeno es Terrigen Mist. Los mutágenos también aparecen en videojuegos como Cyberia, System Shock, The Witcher, Metroid Prime: Trilogy, Resistance: Fall of Hombre, Resident Evil, Infame, Freedom Force, Command & Conquer, Gears of War 3, StarCraft, BioShock, Fallout, Underrail y Comehombres. En el "monstruo nuclear" películas de la década de 1950, la radiación nuclear muta a los humanos e insectos comunes a menudo a un tamaño y una agresión enormes; estas películas incluyen Godzilla, Them!, Attack of the 50 Foot Woman, Tarantula! y El Asombroso Hombre Colosal.