Mutatsioonimäär

Mutatsioonimäär on sagedus, millega geen muutub metsiktüübist spetsiifiliseks mutandiks. Üldiselt väljendatakse seda mutatsiooniarvuna bioloogilise ühiku kohta (st mutatsioonid rakujagunemise kohta, gameedi kohta, replikatsioonitsükli kohta). Mutatsioonimäärad väljendavad tavaliselt konkreetset mutatsiooniklassi, näiteks punktmutatsioonid, suuremad või väiksemad insertsioonid või deletsioonid. Nende asenduste määra võib omakorda jaotada mutatsiooni spektriks, mis kirjeldab mutatsioonimäära geneetilise konteksti mõju. 
Iga määra jaoks on mitmeid erinevaid looduslikke ajaühikuid. Need määrad on iseloomustatud kui mutatsioonid aluspaari, rakujagunemise, geeni, generatsiooni või genoomi kohta. Organismi mutatsioonimäär on arenenud omadus ning see on tugevalt mõjutatud iga organismi geneetikast ja keskkonnast.

Taust

Evolutsiooni mehhanismidest arusaamine nõuab informatsiooni uute mutatsioonide tekketasemest ning nende mõjust molekulaarsele ja fenotüübilisele tasemele. Kuigi sellise info hankimine on olnud tehniliselt raske, on kogu genoomi sekveneerimine kiiresti laiendanud teadmisi antud valdkonnas. Tänu erinevate organismide spontaansetest mutatsioonidest saadavale teabele on genoomi mutatsioonimäära ulatuses tekkinud üldised mustrid ning neid kasutavad mehhanismid. Toetust on leidnud hüpotees, et looduslik valik surub mutatsioonimäära madalamale tasemele, kasutades pigem juhuslikku geneetilist triivi kui sisemisi füsioloogilisi piiranguid. Selle tulemusena on vähenenud replikatsiooni, transkriptsiooni ja translatsiooni täpsus eukarüootides ja prokarüootides. Erinevaid geenivariante liigi piires nimetatakse alleelideks, seega tekib uus mutatsioon uues alleelis. Populatsioonigeneetikas iseloomustab igat alleeli valikukoefitsient, mis mõõdab eeldatud muutusi alleelisageduses mingi aja jooksul. Valikukoefitsient võib olla negatiivne (vastata oodatud vähenemisele), positiivne (vastata oodatud tõusule) või olla null (oodatuid muutusi pole). Uute mutatsioonide mõju kohanemise levikule on oluline parameeter populatsioonigeneetikas ja seda on põhjalikult uuritud. Kuigi selle jaotuse mõõtmistulemused on olnud vastuolulised, ollakse nüüd arvamusel, et enamik mutatsioonidest on kergelt kahjulikud. See tähendab, et paljudel mutatsioonidel on väike mõju organismi kohanemisele, kuid siiski võib mõni mutatsioonidest olla ka kohanemise jaoks soodne. Loodusliku valiku tulemusena ebasoodsad mutatsioonid kaovad populatsioonist, soodsad muutused kinnistuvad kiiresti ning neutraalsed muutused akumuleeruvad mutatsioonitekke kiirusega.

Mõõtmine

Organismi mutatsioonimäära saab mõõta mitmete meetoditega.
Mutatsioonimäära taseme arvutamise meetodid põhinevad mutantsete kloonide suurendamise mudelil, mida esimestena kirjeldasid Luria ja Delbrück ning täiendasid Lea ja Coulson. Muteerumismäära täpne tõlgendus sõltub nende meetodite tugevate külgede ja piirangute arusaamisest ning sellest, kuidas iga meetodi jaoks fluktueerimisanalüüsi optimeerida.

Asendusmäär

Paljud saidid organismi genoomis ei pruugi tunnistada suure kohanemismõjuga mutatsioone. Neid saite kutsutakse neutraalseteks saitideks. Teoreetiliselt fikseeruvad mutatsioonid erinevate organismide vahel just mutatsioonimäära piires. Fikseeritud sünonüümsed mutatsioonid, nagu sünonüümsed asendused, on geenijärjestuse muutused, mis ei muuda selle geeni kodeeritud valguprodukti. Neid kasutatakse tihti mutatsioonimäära hindamiseks hoolimata asjaolust, et mõned sünonüümsed mutatsioonid mõjutavad ka kohanemist. Näiteks on mutatsioonimäärad otseselt tuletatud eksperimentaalselt arenenud Escherichia coli kogu genoomist.

Mutatsiooni akumuleerumisliinid

Mutatsiooni akumuleerumisliinid on eriti töömahukas viis mutatsioonimäära iseloomustamiseks. Mutatsiooni akumuleerumise liine on kasutatud kirjeldamaks mutatsioonimäära Bateman-Mukai meetodiga ning soolebakterite, ümarusside, pärmide, kärbeste ja väikeste aastaste taimede genoomide otsesel sekveneerimisel.

Muutused mutatsioonimäärades

Mutatsioonimäärad erinevad liigiti ja isegi ühe liigi genoomi eri piirkondade vahel. Need erinevad nukleotiidide asendusmäärad on mõõdetud läbi asenduste (fikseeritud mutatsioonid) aluspaari kohta generatsioonis. Näiteks geenidevahelised või mittekodeerivad mutatsioonid DNA-s kipuvad kuhjuma kiiremini kui DNA mutatsioonid, mis on organismis rohkem kasutusel (geeni ekspressioon). See ei pruugi olla tingitud kõrgemast mutatsioonimäärast, vaid puhastusvaliku madalamast tasemest. Regioon, mis muteerub oodatud määral, on kandidaadiks molekulaarse kella kasutamisel.
Kui neutraalsete mutatsioonide määr on järjestuses konstantne (kellasarnased) ning kui enamik liikidevahelistest erinevustest on neutraalsete asemel adaptiivsed, siis seda erinevuse numbrit kahe eri liigi vahel saab kasutada kahe liigi divergeerumisaja hindamiseks (molekulaarne kell). Tegelikult võib organismi mutatsioonimäär muutuda vastusena keskkonnastressile. Näiteks UV-kiirgus kahjustab DNA-d, mis võib suurendada vigade tekkevõimalust raku DNA reparatsioonil. Inimese mutatsioonimäär on kõrgem mehe sugurakus (sperm) kui naise sugurakus (munarakk), kuid prognoosi täpsus kõigub märkimisväärselt. Üldiselt on ainurakse eukarüoodi ja bakterite mutatsioonimäär ligikaudu 0,003 mutatsiooni genoomi kohta. See tähendab, et inimese genoomi kuhjub ligi 64 uut mutatsiooni generatsiooni kohta, kuna iga terve põlvkond hõlmab mitmeid rakujagunemisi genereerimaks sugurakke. Kõrgemad mutatsioonimäärad aluspaari generatsiooni aja kohta on leitud viirustes, millel võivad olla kas RNA või DNA genoomid. DNA-viirustel on mutatsioonimäärad 10⁻⁶ kuni 10⁻⁸ mutatsiooni aluspaari generatsiooni kohta ning RNA-viirustel 10⁻³ kuni 10⁻⁵ aluspaari generatsiooni kohta.  Inimese mitokondriaalse DNA mutatsioonimäär on ~3× või ~2,7×10⁻⁵ aluspaari 20 aasta generatsiooni kohta sõltuvalt hindamismeetodist; neid määrasid peetakse oluliselt kõrgemaks inimese genoomi mutatsioonimääradest ~2,5×10⁻⁸ aluspaari generatsiooni kohta. Kasutades kättesaadavaid andmeid kogu genoomi sekveneerimisest, on inimese genoomi mutatsioonimäär samamoodi hinnanguliselt ~1,1×10⁻⁸ saidi generatsiooni kohta. Muude mutatsioonide määr erineb suuresti punktmutatsioonide määrast. Individuaalse mikrosatelliidse lookuse mutatsioonimäär on suurusjärgus 10⁻⁴, kuigi see võib pikkuselt vägagi erineda. Mõned DNA järjestused võivad olla rohkem mutatsioonidele vastuvõtlikumad. Näiteks DNA asendused inimese spermis, millel puudub metülatsioon, on rohkem altid mutatsioonidele.

Mutatsiooniline spekter

Organismi mutatsioonispekter on määr, mille puhul tekivad mutatsioonid eri kohtades. Samuti on mutatsioonispekter iga mutatsioonitüübi sageduse jaotus piki märklaudgeeni nukleotiidjärjestust. Tavaliselt on enamiku mutatioonispektriks kahe saidi määrad, millest igaüks võib omada kolme mutatsiooni. Kaks saiti on kaks õiget võimalikku aluspaari DNA-s: A-T ja G-C paarid. On olemas süsteemne erinevus transitsiooni (alfa) ja transversiooni (beeta) määrade vahel.

Evolutsioon

Mutatsioonimäära evolutsiooniteooria eristab kolme tegurit: generatsiooni kahjulike mutatsioonidega (kõrgem sagedus), generatsiooni soodsate mutatsioonidega (kõrgem sagedus) ning metaboolseid kulusid koos vähenenud replikatsioonimääradega, mis on vajalikud mutatsioonide vältimiseks. Erinevad järeldused põhinevad iga jõu suhtelisel tähtsusel. Organismi optimaalne mutatsioonimäär võib olla määratud kõrge mutatsioonimäära kulude kompromissina, näiteks kahjulikud mutatsioonid, ning süsteemide võimena mutatsioonimäära vähendada (DNA reparatsiooniensüümide ekspressiooni kasv). Teiseks suurendavad mutatsioonimäärad kasulike mutatsioonide määra ning evolutsioon võib mutatsioonimäära vähendada säilitamaks optimaalse kohanemise taseme. Siiski ei suuda looduslik valik mutatsioonimäära optimeerida, kuna selle taseme alandamisest on suhteliselt vähe kasu, seega on vaadeldud mutatsioonimäär neutraalsete protsesside saadus. Uuringud on näidanud, et RNA-viiruste, näiteks polioviirus, ravimine ribavariiniga toetab mõtet, et viirused muteeruvad liiga sageli säilitamaks oma genoomi informatsiooni. Seda kutsutakse vea iseloomuga katastroofiks.