Mutaties zijn veranderingen in de volgorde van DNA. Deze veranderingen kunnen spontaan optreden of ze kunnen worden veroorzaakt door blootstelling aan omgevingsfactoren. Mutaties kunnen op een aantal verschillende manieren worden gekarakteriseerd: of en hoe ze de aminozuursequentie van het eiwit veranderen, of ze een klein of groot DNA-gebied aantasten, en of ze voorkomen in somatische cellen of in kiembaancellen.
Mutaties die op een enkele nucleotide voorkomen, worden puntmutaties genoemd. Wanneer er puntmutaties binnen genen optreden, kunnen de gevolgen in ernst variëren, afhankelijk van wat er met de gecodeerde aminozuursequentie gebeurt. Een stille mutatie verandert de identiteit van een aminozuur niet en heeft geen effect op een organisme. Een missense-mutatie verandert een enkel aminozuur en de effecten kunnen ernstig zijn als de verandering de functie van het eiwit verandert. Een nonsense-mutatie produceert een stopcodon dat het eiwit waarschijnlijk afkapt waardoor het niet-functioneel is. Frameshift-mutaties treden op wanneer een of meer nucleotiden worden ingevoegd in of verwijderd uit een eiwitcoderende DNA-sequentie, waardoor alle codons stroomafwaarts van de locatie van de mutatie worden beïnvloed.
Het meest ingrijpende type mutatie, chromosomale verandering, verandert de fysieke structuur van een chromosoom. Chromosomale veranderingen worden gekaraketeriseerd door de deletie, duplicatie of inversie van grote stukken DNA binnen een enkel chromosoom, of de integratie van een deel van een ander chromosoom. Deze mutaties zijn doorgaans veel ernstiger dan puntmutaties omdat ze veel genen en regulerende elementen bevatten. Chromosomale veranderingen kunnen worden gedetecteerd door de aangetaste cel te karyotypen.
Mutaties kunnen in elke cel voorkomen, maar alleen kiembaanmutaties – die aanwezig zijn in ei- en zaadcellen – kunnen worden overgedragen op het nageslacht. Genetische ziekten zijn een subtype van genetische aandoeningen die worden veroorzaakt door schadelijke mutaties in de kiembaan. Ze kunnen autosomaal zijn en voorkomen op chromosomen één tot en met 22, of geslachtsgebonden zijn op het X- of Y-chromosoom. Een voorbeeld van een erfelijke ziekte is cystische fibrose (CF), een ziekte die vooral de longen aantast. Het wordt veroorzaakt door een deletie in het CFTR- gen dat een enkel aminozuur uit het CFTR-eiwit verwijdert. CF is een autosomale, recessieve ziekte, wat betekent dat een persoon met één gemuteerde kopie en één normale kopie van het gen de ziekte niet zal ontwikkelen; andere ziekten, zoals de ziekte van Huntington, een neurodegeneratieve aandoening, zijn autosomaal dominant, wat betekent dat slechts één gemuteerde kopie van het gen nodig is om de ziekte te ontwikkelen.
Zowel somatische mutaties – die buiten de kiembaan voorkomen – als kiembaanmutaties kunnen spontaan ontstaan tijdens DNA-replicatie, maar ze kunnen ook ontstaan door blootstelling aan straling of chemicaliën in de omgeving. Externe factoren die het DNA beschadigen en mutaties veroorzaken, worden mutagenen genoemd. Een goed gekarakteriseerde mutageen in de omgeving is ultraviolette (UV) straling. UV-straling draagt meer energie dan zichtbaar licht en beschadigt het DNA door de bindingen tussen basenparen te verbreken, waardoor thyminebasen op dezelfde DNA-streng met elkaar binden om de karakteristieke thyminedimeren te vormen. De zon is een natuurlijke bron van UV-straling. De meest schadelijke golflengten, UV-C, worden hoog in de atmosfeer onderschept, maar UV-A- en UV-B-stralen bereiken het aardoppervlak. Kunstmatige bronnen van UV-blootstelling zijn onder meer zonnebanken, die voornamelijk UV-A-stralen met kleinere hoeveelheden UV-B doorlaten. Gelukkig hebben cellen mechanismen om beschadigd DNA te herstellen. In snel-delende cellen, zoals huidcellen, kan de schade soms niet hersteld worden vóór de celdeling. Als de DNA-schade optreedt in een genomisch gebied dat belangrijk is voor de regulering van celgroei en -delingen en het niet op tijd gerepareerd wordt, dan kan kanker ontstaan.
