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突然変異（/ mjuːtəˈdʒɛnɪsɪs / ）は、突然変異の発生によって生物の遺伝情報が変化する過程です。これは自然界で自然に起こる場合もあれば、変異原への曝露の結果として起こる場合もあります。また、実験室の手順を用いて実験的に達成することもできます。変異原とは、化学的または物理的な突然変異誘発物質であり、生物の遺伝暗号における突然変異率の増加をもたらします。自然界では、突然変異は癌や様々な遺伝性疾患につながる可能性があり、進化の原動力でもあります。科学としての突然変異は、20世紀前半にヘルマン・ミュラー、シャーロット・アウエルバッハ、JM・ロブソンが行った研究に基づいて発展しました。 [ 1 ]
DNAは、多くの物理的、化学的、生物学的因子によって、自然に、または人為的に改変され、突然変異を引き起こす可能性がある。ヘルマン・ミュラーは、1920年代初頭に「高温」が遺伝子を突然変異させる能力があることを発見し[ 2 ]、1927年には、X線装置を用いた実験で突然変異との因果関係を実証し、ショウジョウバエに比較的高い線量のX線を照射すると系統発生的な変化が起こることを指摘した[ 3 ] [ 4 ]。ミュラーは、実験で多くの染色体再配列を観察し、突然変異が癌の原因であると示唆した[ 5 ] [ 6 ] 。放射線被曝と癌との関連性は、ヴィルヘルム・レントゲンによるX線の発見とアンリ・ベクレルによる放射能の発見から6年後の1902年には既に観察されていた。[ 7 ]ミュラーと同時代のルイス・スタドラーも、1928年に大麦の突然変異に対するX線の影響を、 1936年にトウモロコシに対する紫外線（UV）照射の影響を示した。 [ 8 ] 1940年代には、シャーロット・アウエルバッハとJMロブソンが、マスタードガスがショウジョウバエの突然変異を引き起こすことも発見した。 [ 9 ]
X線やマスタードガスによって引き起こされる染色体の変化は初期の研究者にとって容易に観察できたが、他の変異原によって引き起こされるDNAの変化はそれほど容易には観察できなかった。それらが起こるメカニズムは複雑で、解明にはより長い時間がかかる可能性がある。例えば、すすは1775年にはすでに癌の原因であると示唆されており[ 10 ]、コールタールは1915年に癌を引き起こすことが実証された[ 11 ]。両者に関与する化学物質は後に多環芳香族炭化水素（PAH）であることが示された[ 12 ] 。PAH自体は発癌性ではなく、1950年に発癌性PAHは細胞プロセスからの代謝産物として生成される酸化物であると提唱された。[ 13 ]代謝プロセスは1960年代にシトクロムP450による触媒作用として特定され、DNAと相互作用して付加物、つまりDNAとこの場合はシトクロムP450の反応によって生じる生成物分子を形成できる反応性種を生成します。 [ 14 ] [ 15 ]しかし、PAH付加物が突然変異を引き起こすメカニズムは、まだ研究中です。
DNA損傷とは、 DNA複製時に複製できない、DNA構造の異常な変化のことです。一方、突然変異とは、複製可能な核酸配列の変化であり、したがって、突然変異は世代から世代へと遺伝する可能性があります。損傷は、DNA塩基への化学的付加（付加物）、構造的破壊（異常なヌクレオチドまたはヌクレオチド断片の生成）、あるいはDNA鎖の一方または両方の切断によって発生する可能性があります。このようなDNA損傷は突然変異を引き起こす可能性があります。損傷を含むDNAが複製される際、合成中の新しい相補鎖に誤った塩基が挿入されることがあります（DNA修復§損傷乗り越え合成を参照）。新しい鎖への誤った挿入は、鋳型鎖の損傷部位の反対側で発生し、この誤った挿入は次の複製ラウンドで突然変異（すなわち、塩基対の変化）となる可能性があります。さらに、DNAの二本鎖切断は、不正確な修復プロセスである非相同末端結合によって修復されることがあり、これが突然変異を引き起こします。正確なDNA修復システムがDNA損傷を認識し、次の複製ラウンドが完了する前に修復すれば、通常は突然変異を回避できます。少なくとも169種類の酵素が、DNA修復に直接関与するか、DNA修復プロセスに影響を与えます。これらのうち、83種類は、記事「DNA修復」に示されている図表に示されている5種類のDNA修復プロセスに直接関与しています。
哺乳類の核DNAは、DNA損傷（自然発生）の参考文献に記載されているように、1細胞あたり1日に60,000回以上の損傷を受ける可能性があります。修復されないまま放置されると、これらの付加物は、損傷部位を超えて誤って複製された後、突然変異を引き起こす可能性があります。自然界では、発生する突然変異は有益な場合も有害な場合もあり、これが進化の原動力となります。生物は遺伝子突然変異によって新しい形質を獲得する可能性がありますが、突然変異は遺伝子の機能障害を引き起こすこともあり、重症の場合は生物の死につながることもあります。突然変異は、細菌における抗生物質耐性、酵母やカビにおける抗真菌剤耐性の獲得の主要な原因でもあります。[ 16 ] [ 17 ]実験室環境では、突然変異誘発は、遺伝子や遺伝子産物の機能を詳細に調べ、改良された特性や新しい機能を持つタンパク質、および有用な特性を持つ変異株を生成するための突然変異を生成するのに有用な技術です。当初は、放射線や化学変異原が突然変異を引き起こす能力を利用してランダムな突然変異を生成していたが、後に特定の突然変異を導入する技術が開発された。
ヒトでは、平均して60個の新しい突然変異が親から子に伝達される。しかし、ヒトの男性は年齢に応じてより多くの突然変異を伝える傾向があり、年齢が1歳増えるごとに平均2個の新しい突然変異を子孫に伝える。[ 18 ] [ 19 ]
突然変異は、活性酸素種やDNA 付加物を生成する通常の細胞プロセス、または DNA 複製と修復のエラーによって、内因的に (例えば自然加水分解) 発生する可能性があります。[ 20 ]また、放射線や放射能など、生物の DNA に変化を誘発する環境突然変異原の存在によって突然変異が発生することもあります。突然変異が発生するメカニズムは、関与する突然変異原、つまり原因物質によって異なります。ほとんどの突然変異原は、直接的または変異原性代謝物を介して間接的に生物の DNA に作用し、損傷を引き起こします。ただし、一部の突然変異原は、複製または染色体分配メカニズム、およびその他の細胞プロセスに影響を与える可能性があります。
単細胞生物の突然変異は、抗生物質の存在下で増殖する細菌、抗真菌剤の存在下で増殖する酵母、必須栄養素が不足した環境で増殖するその他の単細胞生物など、環境条件が生物の成長を制限する場合にも、単細胞生物によって自己誘発される可能性がある[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]。
多くの化学変異原は、変異原性を発揮するために生物学的活性化を必要とする。変異原性代謝産物の生成に関与する重要な酵素群はシトクロムP450である。[ 24 ]変異原性代謝産物を生成する可能性のある他の酵素には、グルタチオンS-トランスフェラーゼやミクロソームエポキシドヒドロラーゼなどがある。それ自体では変異原性を持たず、生物学的活性化を必要とする変異原は、プロ変異原と呼ばれる。
ほとんどの変異原は、複製を妨げる付加物を作成するなど、最終的に複製エラーにつながる影響を及ぼしますが、一部の変異原は複製プロセスに直接影響を与えたり、その忠実度を低下させたりする可能性があります。5-ブロモウラシルなどの塩基アナログは、複製においてチミンと置き換わる可能性があります。カドミウム、クロム、ニッケルなどの金属は、直接的なDNA損傷に加えて、エラー修復能力の低下やエピジェネティックな変化を引き起こすなど、さまざまな方法で突然変異を増加させる可能性があります。[ 25 ]
突然変異は、複製中のDNA損傷によって引き起こされる問題の結果、複製エラーとして発生することが多い。細菌では、変異原によるDNAへの広範な損傷により、複製中に一本鎖DNAギャップが生じる。これにより、 SOS応答と呼ばれる緊急修復プロセスが誘導されるが、これもエラーを起こしやすく、結果として突然変異が生じる。哺乳類細胞では、損傷部位での複製停止により、DNA損傷を回避するのに役立つ多くの救済機構が誘導されるが、これもエラーを引き起こす可能性がある。YファミリーのDNAポリメラーゼは、損傷乗り越え合成（TLS）と呼ばれるプロセスでDNA損傷をバイパスすることに特化しており、これらの損傷バイパスポリメラーゼは、停止した高忠実度複製DNAポリメラーゼに取って代わり、損傷を乗り越えてDNAを伸長し、損傷が通過して正常な複製が再開できるようにする。これらのプロセスは、エラーを起こしやすい場合とエラーを起こさない場合がある。
内因性DNA損傷は、外部因子ではなく細胞内部のプロセスによって引き起こされる。細胞プロセスによって活性酸素種が生成され、DNAが修飾される可能性がある。また、DNAは自然加水分解を受けることもあり、複製エラーによって突然変異が生じることもある。
哺乳類細胞で1日に発生するDNA損傷の回数は多い（1日あたり6万回以上）。DNA損傷の頻繁な発生は、DNAを含むすべての生物にとって問題である可能性が高く、DNA損傷に対処し、その有害な影響を最小限に抑える必要性は、生命にとって根本的な問題である可能性が高い。[ 26 ]
ほとんどの自然突然変異は、DNA複製中に鋳型鎖のDNA損傷部位を越えるエラーを起こしやすい損傷乗り越え合成によって生じると考えられます。このプロセスは潜在的に致命的なブロックを克服できますが、娘DNAに不正確さを導入するという代償を伴います。DNA損傷と自然突然変異の因果関係は、好気的に増殖する大腸菌で示されており、自然発生する塩基置換突然変異の89%は活性酸素種によって誘発されるDNA損傷が原因です。[ 27 ]酵母では、自然発生する単一塩基対置換および欠失の60%以上が損傷乗り越え合成によって引き起こされると考えられます。[ 28 ]
真核生物における突然変異のもう一つの重要な原因は、二本鎖切断の修復によく用いられる不正確なDNA修復プロセスである非相同末端結合である。[ 29 ]
一般的に、自然突然変異の主な根本原因は、DNA複製中のエラーを起こしやすい損傷乗り越え合成であり、エラーを起こしやすい非相同末端結合修復経路も真核生物において重要な役割を果たしていると考えられる。
活性酸素種は、細胞呼吸中の電子伝達系の典型的な副産物です。[ 30 ]活性酸素種の低レベルは細胞シグナル伝達や免疫防御に機能しますが、活性酸素種の過剰レベルはDNAの塩基や糖リン酸骨格を損傷する可能性があります。8-オキソ-グアニンは、複製中にシトシンの代わりにアデニンとミスペアを形成するグアニンの酸化形態であり、修復されないとG:CからT:Aへの突然変異を引き起こします。[ 30 ]
塩基脱アミノ化はヒト細胞で起こる自然突然変異の主な原因であり、シトシン（C）、アデニン（A）、グアニン（G）、5-メチルシトシンなどのDNA塩基からアミノ基が失われることである。これにより塩基対形成の挙動が変化し、シトシン（C）はウラシル（U）に、アデニン（A）はヒポキサンチンに、グアニン（G）はキサンチンに、5-メチルシトシンはチミン（T）になる。[ 30 ]
シトシンと5-メチルシトシンの脱アミノ化は、最も頻繁に脱アミノ化されるDNA塩基であり、5-メチルシトシンはシトシンよりも3～4倍脱アミノ化されやすい。シトシンの脱アミノ化では、DNAではシトシン（C）は通常グアニン（G）と対になっている。しかし、脱アミノ化が起こると、ウラシル（U）とグアニン（G）のミスマッチが生じ、ミスマッチが適切に修復されないと、ウラシルがアデニンと対になり、C:GからT:Aへの変異が生じる。一方、5-メチルシトシンの脱アミノ化では、ウラシル（U）の代わりにチミン（T）が生成され、G:Tミスマッチが生じる。[ 30 ]
DNAは水溶液中では完全に安定しているわけではなく、DNAの脱プリン化が起こる可能性がある。生理的条件下では、グリコシド結合が自然に加水分解され、細胞内では毎日5000個のDNAプリン部位が脱プリン化されると推定されている。 [ 20 ] [ 31 ] DNAには多数のDNA修復経路が存在するが、アプリン部位が修復されない場合、複製中にヌクレオチドの誤挿入が起こる可能性がある。アデニンは、DNAポリメラーゼによってアプリン部位に優先的に取り込まれる。[ 32 ]
互変異性化とは、化合物が自発的に構造異性体へと再配列する過程である。例えば、グアニンとチミンのケト型（C=O）はまれなエノール型（-OH）に再配列し、アデニンとシトシンのアミノ型（-NH 2）はよりまれなイミノ型（=NH ）に変化する。DNA複製において、互変異性化は塩基対形成部位を変化させ、核酸塩基の不適切な対合を引き起こす可能性がある。[ 33 ]
塩基は、通常の細胞分子によって内因的に修飾されることがある。例えば、 DNAはS-アデノシルメチオニンによってメチル化され、DNA配列自体に突然変異を起こすことなく、標識された遺伝子の発現が変化する。ヒストン修飾は、DNAが巻き付いているヒストンタンパク質がメチル化、リン酸化、またはアセチル化によって同様に修飾される関連プロセスである。これらの修飾は、局所的なDNAの遺伝子発現を変化させる可能性があり、また、修復が必要な損傷したDNAの位置を示す役割も果たす可能性がある。DNAは還元糖によってグリコシル化されることもある。
PAH、芳香族アミン、アフラトキシン、ピロリジジンアルカロイドなどの多くの化合物は、シトクロムP450によって触媒される活性酸素種を形成する可能性があります。これらの代謝物はDNAと付加体を形成し、複製エラーを引き起こす可能性があり、かさ高い芳香族付加体は塩基間に安定なインターカレーションを形成して複製を阻害する可能性があります。付加体はDNAの立体構造変化を誘発する可能性もあります。一部の付加体はDNAの脱プリン化を引き起こす可能性もありますが[ 34 ]、付加体によって引き起こされるこのような脱プリン化が突然変異の発生にどの程度重要であるかは不明です。
塩基のアルキル化とアリール化は複製エラーを引き起こす可能性がある。N-ニトロソアミンなどの一部のアルキル化剤は、反応性アルキルカチオンの形成にシトクロムP450の触媒反応を必要とする場合がある。グアニンのN7とO6、およびアデニンのN3とN7が最も攻撃を受けやすい。N7-グアニン付加体はDNA付加体の大部分を形成するが、変異原性はないと思われる。しかし、グアニンのO6でのアルキル化は、脳などの一部の組織ではグアニンのO6付加体の切除修復が不十分である可能性があるため有害である。 [ 35 ]グアニンのO6メチル化はGからAへの遷移を引き起こす可能性があり、O4-メチルチミンはグアニンと誤対合する可能性がある。しかし、生成される変異の種類は、付加体のサイズと種類、およびDNA配列に依存する可能性がある。[ 36 ]
電離放射線や活性酸素種は、グアニンを酸化して8-オキソグアニンを生成することが多い。
外因性DNA損傷とは、紫外線、電離放射線、化学毒素などの外部環境因子によって引き起こされるDNAの構造変化のことである。
電離放射線は、DNAの結合を切断する可能性のある高反応性フリーラジカルを生成することがあります。二本鎖切断は特に損傷が大きく修復が困難で、染色体の一部転座や欠失を引き起こします。マスタードガス、食事、タバコの煙などのアルキル化剤も、DNA骨格の切断を引き起こす可能性があります。酸化ストレスなどの内因性プロセスも、DNAを損傷する可能性のある高反応性酸素種を生成することがあります。
DNA中のヌクレオチド塩基間の共有結合は、同一鎖内または対向鎖内を問わず、DNAの架橋と呼ばれます。DNAの架橋は、DNAの複製と転写の両方に影響を与える可能性があり、さまざまな因子への曝露によって引き起こされる可能性があります。紫外線照射によって活性化されたソラレンや亜硝酸など、一部の天然化学物質も架橋を促進する可能性があります。鎖間架橋（2本の鎖間）は、複製と転写を阻害し、染色体の切断や再編成を引き起こす可能性があるため、より大きな損傷を引き起こします。シクロホスファミド、マイトマイシンC、シスプラチンなどの一部の架橋剤は、増殖細胞に対する毒性が高いため、抗がん化学療法剤として使用されています。
二量体化は、2 つのモノマーが結合してオリゴマーを形成することであり、例えば、紫外線照射の結果としてピリミジン二量体が形成される。紫外線照射は、DNA 中の隣接するチミンの間にシクロブチル環の形成を促進する。[ 37 ]これらのかさ高い塩基は、DNA らせんに歪みを生じさせ、DNA 複製や転写を妨げる可能性がある。ヒトの皮膚細胞では、通常の日光への曝露により、1 日に数千個の二量体が形成される可能性がある。DNAポリメラーゼ η は、これらの損傷をエラーなく回避するのに役立つ可能性がある。[ 38 ]しかし、色素性乾皮症などの DNA 修復機能に欠陥のある人は、日光に敏感であり、皮膚がんになりやすい可能性がある。
臨床的には、腫瘍が紫外線照射の直接的な結果として形成されたかどうかは、日光への過剰な曝露によって生じる特徴的なコンテキスト特異的二量体化パターンのDNAシーケンス解析によって識別できる。[ 39 ]
エチジウムブロミドやプロフラビンなどの化学物質は平面構造であるため、DNAの塩基間に挿入される。この挿入によってDNAの骨格が伸長し、鎖間の結合が伸長によって不安定になるため、複製中のDNAスリップが起こりやすくなる。前方スリップは欠失変異を引き起こし、後方スリップは挿入変異を引き起こす。また、ダウノルビシンやドキソルビシンなどのアントラサイクリン系薬剤がDNAにインターカレーションすると、トポイソメラーゼII酵素の働きが阻害され、複製が阻害されるとともに、有糸分裂相同組換えも引き起こされる。
トランスポゾンやウイルス、レトロトランスポゾンは、遺伝子のコード領域や機能要素にDNA配列を挿入し、遺伝子の不活性化を引き起こす可能性がある。[ 40 ]
DNA損傷は頻繁に発生するが、必ずしも突然変異につながるわけではない。修復機構が機能不全に陥ったり、不正確になったりして損傷が修復されずに残った場合にのみ突然変異が起こり、がんなどの疾患につながる可能性がある。
塩基除去修復は、酸化、脱アミノ化、アルキル化、および塩基性単一塩基損傷など、DNAらせんの小さな非らせん構造の損傷を修復します。 [ 30 ]塩基除去修復機構内のDNAグリコシラーゼは、これらの損傷を認識し、N-グリコシド結合を切断して、ア塩基部位を残します。その後、DNA骨格はAPエンドヌクレアーゼによってその部位で切断され、その後、DNAポリメラーゼがギャップを埋めます。
ヌクレオチド除去修復は、紫外線照射や化学療法剤による損傷から生じるCPDや(6-4)ppなどの大きな損傷を除去します。ヌクレオチド除去修復には、球状ゲノムヌクレオチド除去修復と転写共役ヌクレオチド除去修復の2つの主要な経路があります。球状ゲノムNERでは、XPC、RAD23B、CETN2タンパク質複合体がゲノム全体の損傷をスキャンし、損傷が見つかると、XPF–ERCC1やXPGなどのエンドヌクレアーゼが5'から3'の方向に損傷を切り出し、POL εまたはXRCC1–LIG3がギャップ充填合成と連結を実行します。[ 30 ]
ミスマッチ修復は、複製中および挿入・欠失ループ中に生じた塩基ミスマッチを除去します。[ 41 ]ヒトは、塩基ミスマッチを認識するためにMutSαヘテロダイマー（MSH2/MSH6）を使用します。[ 41 ]ミスマッチが見つかると、Exo1が5'方向のミスマッチ切除を実行し、ギャップが作成され、後にPolδ、RFC、およびHMGBによって埋められます。[ 41 ]
適応的突然変異は、生物が環境ストレスに適応できるようにする突然変異メカニズムとして定義されています。環境ストレスの種類は非常に多岐にわたるため、この分野の研究が示す限り、それを可能にするメカニズムもかなり多岐にわたります。たとえば、細菌では、SOS応答と内因性プロファージDNA合成の調節がアシネトバクター・バウマニのシプロフロキサシン耐性を高めることが示されています。[ 16 ]耐性メカニズムは、大腸菌、サルモネラ属、クレブシエラ属、エンテロバクター属などの腸内細菌科の一部のメンバーでは水平遺伝子伝達によって伝達されない染色体突然変異に関連していると考えられています。 [ 42 ]染色体イベント、特に遺伝子増幅も、細菌におけるこの適応的突然変異に関連しているようです。[ 43 ]
真核細胞における研究ははるかに少ないが、染色体イベントもかなり重要であると思われる。Saccharomyces cerevisiaeでは異所性染色体内組換えが 5-フルオロシトシンに対する耐性の獲得に関与していることが報告されているが、[ 17 ]ゲノム重複はS. cerevisiaeに栄養不足環境に対する耐性を付与することがわかっている。 [ 21 ] [ 44 ] [ 45 ]
実験室における突然変異誘発とは、DNAに意図的に突然変異を導入することで、変異遺伝子、変異タンパク質、または変異生物株を作製する技術である。遺伝子の制御要素や遺伝子産物など、遺伝子の様々な構成要素に突然変異を導入することで、遺伝子やタンパク質の機能を詳細に調べることができる。また、突然変異によって、性質が変化した変異タンパク質や、機能が強化された、あるいは新規の機能を持つ変異タンパク質が作製され、商業的に有用となる場合もある。さらに、実用的な応用が可能な変異生物株や、特定の細胞機能の分子基盤を解明できる変異生物株を作製することも可能となる。
初期の突然変異誘発法では完全にランダムな突然変異が生じましたが、現代の突然変異誘発法では部位特異的な突然変異を生じさせることが可能です。これらの突然変異を生成するために用いられる現代の実験技術には以下のようなものがあります。
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