1.5 Mutasjoner og DNA-reparasjon

Når koden får en skrivefeil

DNA-replikasjon er utrolig presis, men ikke perfekt. Innimellom snubler kopieringsmaskineriet, og noen ganger skades DNA-et utenfra av sollys, kjemikalier eller virus. Resultatet er en mutasjon – en permanent endring i DNA-sekvensen. De fleste mutasjoner er harmløse, noen er skadelige, og noen ganske få kan til og med være gunstige og drive evolusjon framover.

Cellen har derfor utviklet et helt arsenal av reparasjonsmekanismer som fanger opp og retter de fleste feilene. Men når reparasjonen svikter, kan konsekvensene bli alvorlige – helt opp til kreft. I dette kapittelet skal du møte de ulike typene mutasjoner, lære hva som skader DNA, se hvordan cellen reparerer det, og forstå hvorfor mutasjoner ligger til grunn for kreftutvikling. En viktig detalj å huske: bare mutasjoner i kjønnscellene kan arves videre – mutasjoner i kroppens øvrige celler (somatiske) rammer bare individet selv.

Punktmutasjoner og rammeskift

De minste mutasjonene kalles genmutasjoner eller punktmutasjoner, og de berører bare ett eller noen få nukleotider. De deles i tre typer.

Substitusjoner bytter ut én base med en annen. Konsekvensen avhenger av hva som skjer med proteinet. En missense-mutasjon gir én feil aminosyre – som ved sigdcelleanemi, der en eneste endring (GAG → GUG) bytter glutaminsyre med valin og deformerer de røde blodcellene. En nonsense-mutasjon lager et stoppkodon midt i genet, så proteinet blir kuttet av. En stille (silent) mutasjon endrer kodonet, men det koder fortsatt for samme aminosyre – takket være at koden er degenerert – så proteinet blir uendret.

De to andre typene er insersjoner (ett eller flere nukleotider settes inn) og delesjoner (nukleotider fjernes). Her ligger en farlig felle: hvis antallet nukleotider som settes inn eller fjernes ikke er delelig med 3, forskyves hele leserammen. En slik rammeskiftmutasjon gjør at alle kodoner nedstrøms leses feil, og proteinet blir nesten alltid fullstendig ødelagt og ikke-funksjonelt.

Storskala endringer på kromosomnivå

Mutasjoner kan også ramme store deler av eller hele kromosomer. Disse kromosommutasjonene kan ofte ses i mikroskop. De strukturelle typene endrer formen på kromosomet: en delesjon mister et segment (som ved Cri-du-chat-syndrom), en duplikasjon kopierer et segment, en inversjon snur et segment 180°, og en translokasjon flytter et segment til et annet kromosom (som Philadelphia-kromosomet, en bytting mellom kromosom 9 og 22 som gir kronisk myeloid leukemi).

De numeriske kromosommutasjonene, kalt aneuploidi, gir feil antall kromosomer. De skyldes oftest non-disjunksjon – at kromosomene ikke deler seg korrekt under meiosen. Monosomi (2n − 1) betyr at det mangler et kromosom, som ved Turners syndrom (45, X). Trisomi (2n + 1) betyr ett ekstra, som ved Downs syndrom (trisomi 21) og Klinefelters syndrom (47, XXY). Polyploidi (3n, 4n) er vanlig hos planter, men dødelig for de fleste dyr. Non-disjunksjonen kan skje i meiose I (homologe kromosomer separeres ikke) eller meiose II (søsterkromatider separeres ikke), og resultatet er gameter med for mange eller for få kromosomer.

Mutagener: hva skader DNA?

Mutagener er faktorer som øker mutasjonsfrekvensen over det normale. UV-stråling, særlig UV-B (280–315 nm), absorberes av DNA-basene og kan binde to nabotyminer kovalent sammen til en tymindimer. Dimeren forvrenger heliksen og blokkerer både replikasjon og transkripsjon, og kan – hvis den ikke repareres – føre til hudkreft som melanom.

Det finnes også kjemiske mutagener. Baseanaloger som 5-bromuracil bygges inn i stedet for tymin og parer feil. Alkylerende stoffer legger til alkylgrupper og endrer baseparingen. Deaminerende stoffer fjerner aminogrupper, slik at cytosin blir til uracil. Og interkalerende stoffer som etidiumbromid setter seg mellom baseparene og forårsaker insersjoner og delesjoner.

En tredje kilde er reaktive oksygenforbindelser (ROS) – frie radikaler som dannes naturlig i mitokondrienes elektrontransportkjede. ROS kan oksidere baser, særlig guanin til 8-oksoguanin, som parer feil med adenin. Røyking, inflammasjon, stråling og miljøgifter øker ROS-produksjonen.

Cellens reparasjonsverksted

Uten reparasjon ville mutasjonsraten vært så høy at livet slik vi kjenner det ville vært umulig. Cellen har derfor flere overlappende systemer. Den enkleste er direkte reparasjon, der enzymet fotolyase bruker energi fra blått lys til å bryte opp tymindimerere direkte. Dette systemet finnes hos bakterier og mange eukaryoter, men – viktig – mangler hos pattedyr som mennesker.

Base excision repair (BER) retter små baseskader: en DNA-glykosylase fjerner den skadede basen, en AP-endonuklease klipper ryggraden, DNA-polymerase fyller inn riktig nukleotid, og ligase forsegler. Nucleotide excision repair (NER) håndterer de store, heliks-forvrengende skadene som tymindimerere: et sensorkompleks kjenner forvrengningen, helikase åpner, endonukleaser klipper ut et stykke på ~27–29 nukleotider, og polymerase og ligase fyller og forsegler. Fordi vi mangler fotolyase, er NER livsviktig for oss – defekter gir sykdommen Xeroderma pigmentosum, der pasienter får hudkreft allerede som barn. Det tredje systemet, mismatch repair (MMR), retter feilparinger som slapp forbi polymerasens korrekturlesing: MutS gjenkjenner feilen, MutL rekrutteres, den nye (feilaktige) tråden gjenkjennes og klippes ut, og gapet fylles. Defekter i MMR gir Lynch syndrom med sterkt økt risiko for tykktarmskreft.

Når mutasjoner gir kreft

Kreft er i bunn og grunn en mutasjonssykdom. Det kreves typisk mutasjoner i 5–10 nøkkelgener – flertrinnshypotesen – før en normal celle blir en kreftcelle. To genfamilier er sentrale.

Proto-onkogener er normale gener som koder for proteiner som stimulerer vekst og deling. Når et proto-onkogen muteres til å bli overaktivt, blir det et onkogen. Dette er en «gain-of-function»-mutasjon, og det holder med ett mutert allel (dominant på cellenivå). RAS, mutert i rundt 30 % av all kreft, er et eksempel; et annet er HER2, ofte overuttrykt ved brystkreft.

Tumorsuppressorgener gjør det motsatte – de bremser vekst, reparerer DNA eller utløser apoptose. Mutasjoner som inaktiverer dem, fjerner viktige bremser. Dette er «loss-of-function»-mutasjoner, og etter Knudsons tohitthypotese må begge allelene slås ut før effekten merkes (recessivt på cellenivå). Den aller viktigste er TP53, som koder for proteinet p53 – «genomets vokter» – mutert i over halvparten av alle krefttyper. Normalt stopper p53 cellesyklusen ved DNA-skade for å gi tid til reparasjon, aktiverer reparasjonsgener, og utløser apoptose hvis skaden er for stor. Mister cellen p53, fortsetter skadede celler å dele seg og samler opp stadig flere mutasjoner – trinn for trinn mot en ukontrollert kreftcelle.

Oppsummering

En mutasjon er en permanent endring i DNA-sekvensen. Punktmutasjoner omfatter substitusjoner (missense, nonsense, stille) og insersjoner/delesjoner som kan gi rammeskift når antallet ikke er delelig med 3. Kromosommutasjoner er større: strukturelle (delesjon, duplikasjon, inversjon, translokasjon) og numeriske (aneuploidi som trisomi og monosomi, ofte fra non-disjunksjon).

Mutagener som UV-stråling (tymindimerere), kjemikalier og ROS skader DNA. Cellen reparerer med flere systemer: direkte reparasjon (fotolyase, ikke hos mennesker), BER (enkeltbaser), NER (heliks-forvrengende skader) og MMR (feilparinger). Når reparasjonen svikter, kan kreft oppstå: onkogener er overaktive vekstgener (gain-of-function), mens tumorsuppressorer som TP53/p53 er inaktiverte bremser (tohitthypotesen). Etter flertrinnshypotesen kreves 5–10 mutasjoner for full kreftutvikling.