Mutaatio
Mutaatio eli perimän muutos on satunnainen muutos eliön perimäaineksen DNA:n tai joskus RNA:n nukleotidijärjestyksessä. Yksinkertaisimmillaan se on pistemutaatio, yhden emäsparin vaihdos tai yksittäisen nukleotidin (emäksen) lisääminen tai poisto nukleotidijärjestyksessä. Muutos voi sijaita geeniä ohjelmoivalla alueella tai sen ulkopuolella.
Mutaatioita esiintyy sekä spontaaneina mutaatioina että muutoksia aiheuttavien tekijöiden eli mutageenien vaikutuksesta. Spontaaneja muutoksia saattavat aiheuttaa esimerkiksi solun sisäiset kemialliset tapahtumat (kuten metylaatio ja hapettuminen) sekä DNA-jakautumisen virheet. Tunnettuja mutageenejä ovat muun muassa ionisoiva säteily ja eräät kemikaalit (esimerkiksi kadmium). Myös tietyt virukset voivat aiheuttaa muutoksia.
De novo -mutaatioksi kutsutaan mutaatiota, joka tapahtuu siittiö- tai munasolussa taikka sikiössä. Siittiöissä tapahtuu enemmän de novo -mutaatioita kuin munasoluissa ja niiden määrä riippuu isän iästä. Äidin puolelta saatujen de novo -mutaatioden määrä taas on iästä riippumatta keskimäärin 15 kappaletta per jälkeläinen.
Eliön DNA:ssa tapahtuu päivittäin tuhansia muutoksia, mutta koska solun DNA-korjausmekanismit ovat varsin tehokkaat, vain murto-osa näistä jää pysyviksi. Vain sukusolulinjassa tapahtuvat mutaatiot voivat siirtyä seuraavaan sukupolveen.
Perimän muutosten laajuus vaihtelee. Se voi olla vain yhden nukleotidin muutos eli pistemutaatio, tai se voi käsittää useita peräkkäisiä nukleotideja. Suuri tuhansia nukleotideja käsittävä mutaatio, kuten rakennemuutos kromosomeissa tai kromosomistoissa, voi sisältää useita peräkkäisiä geenejä sekä niiden välisiä alueita.
Tarkoituksellisesti mutaatioita tapahtuu solussa esimerkiksi meioosissa (tekijäinvaihdunta) ja hypermutaatiossa (vasta-aineiden tuotanto). Monisoluisissa eliöissä geenivaihtelu voidaan jakaa "ituradan variaatioihin", jotka voivat välittyä jälkikasvulle ja "somaattisiin variaatioihin", jotka eivät periydy mutta saattavat johtaa solun virheelliseen toimintaan tai kuolemaan. Syöpä on aina useamman mutaation aiheuttama; se voi olla seurauksena, mikäli mutaatiot muuttavat solun toimintaa siten, että solu alkaa jakautua hallitsemattomasti.
Ajan myötä luonnonvalinta poistaa vähemmän suotuisat (tai vahingolliset) geenimuunnokset, kun taas suotuisammat (tai hyödylliset) runsastuvat. Myös geneettinen ajautuminen vähentää geenivaihtelun määrää populaatiossa. Neutraalit variaatiot eivät vaikuta eliön eloonjäämistodennäköisyyteen sen luonnollisessa ympäristössä ja siten ne voivat runsastua ajan mittaan. Mutaatioiden luoma geneettinen muuntelu lisää eliöpopulaation mahdollisuuksia sopeutua ja säilyä muuttuvissa olosuhteissa.
Mutaationopeus vaihtelee lajista ja variaatiotyypistä toiseen. DNA:ssa onkin niin sanottuja kuumia pisteitä, (), joissa mutaatioita esiintyy jopa 100 kertaa useammin kuin muualla DNA:ssa. Hotspot voi olla esimerkiksi epätavallinen emäs, kuten 5-metyylisytosiini tai CG -dinukleotidi.
Mutaatioita luokitellaan niiden vaikutuksien perusteella eri tavoin riippuen asiayhteydestä. Yleisin tapa luokitella mutaatiot niiden aiheuttamien DNA-sekvenssin tai kromosomien rakennemuutosten perusteella. Muita käytettyjä luokitteluperusteita ovat vaikutus geenien toimintaan, proteiini sekvenssiin, eliön kelpoisuuteen tai mutaation periytyvyys.
Geenimuutos on jonkun geenin alueella tapahtuva pieni muutos, jossa yksi DNA:n osanen eli nukleotidi katoaa, liittyy tai muuttuu. Yhden nukleotidin muutos tunnetaan pistemutaationa.
Pistemutaatiot jaetaan neljään ryhmään niiden proteiini sekvenssiin aiheuttamien seurausten mukaan.
Pistemutaatioiden mekanismeja:
Pistemutaatio voi palautua joko siten, että nukleotidi vaihtuu takaisin alkuperäiseksi (todellinen palautuminen), tai komplementaarisella mutaatiolla, jolloin geenin toisessa osassa tapahtuva mutaatio palauttaa geenin toiminnan.
Kromosomimutaatio on kromosomin rakenteen muutos, joka edellyttää kromosomin rakenteen katkeamista eli "kromosominmurtumaa".
Kromosomimutaation tyypit:
Häviämä, kahdentuma ja liittymä saattavat muuttaa proteiinia koodaavan sekvenssin lukukehystä. Lukukehystä muuttavan mutaation myötä jokainen mutaatiota seuraava aminohappokoodi vaihtuu eli lähes aina geenistä tulee toimimaton.
Kromosomistomutaatioissa kromosomeja tai kokonaisia kromosomistoja on liikaa tai liian vähän.
Aneuploidiassa kromosomeja on kromosomistossa normaalista poikkeava määrä. Diploidisten yksilöiden aneuploidian yleisin muoto on trisomia, jossa tiettyä kromosomia on kromosomistossa kahden sijasta kolme kappaletta. Esimerkiksi Downin syndrooma johtuu kromosomin 21 trisomiasta.
Polyploidiassa kokonaisia peruskromosomistoja on useampi kuin kaksi. Mikäli kromosomistoja on poikkeuksellisesti vain yksi, kyseessä on "haploidia".
Spontaanit mutaatiot
Ulkoisten tekijöiden aiheuttamat mutaatiot
Yleisimmille korjausmekanismeille on yhteistä DNA:n kaksijuosteisuuden hyödyntäminen. Koska useimmiten vain toinen kopio vaurioituu, korjaavat entsyymit pystyvät hyödyntämään vastakkaisen juosteen informaatiota.
Mikäli molemmat juosteet ovat vaurioituneet, korjaaminen on monimutkaisempaa. Joskus toisaalla genomissa on vastaava nukleotidisarja, josta puuttuvan informaation voi kopioida (geenikonversio, ).
Teoria mutaatioista syntyi 1890-luvulla selittämään luonnossa tapahtuvaa, jo Gregor Mendelin havaitsemaa muuntelua. Mutaatio-termin otti käyttöön Hugo de Vries omassa mutaatioteoriassaan ("Die Muatationstheorie") vuonna 1900. Teoria pyrki selittämään perimässä tapahtuvat muutokset ja luomaan pohjan Darwinin ja Wallacen luonnonvalinnan kehitysteorioille.
Vuonna 1910 Columbian yliopistossa mutaatioita tutkiva Thomas Hunt Morgan havaitsi normaalisti punasilmäiseen banaanikärpäskantaan ilmaantuneen valkoisen silmävärimutaation ja osoitti ominaisuuden periytyväksi. Julkaistuaan tutkimuksensa hän perusti banaanikärpästen geenejä kartoittavan Drosophila-tutkimusryhmän eli ns. Morganin koulun. Ryhmään liittyi 1912 Hermann Joseph Muller, tuleva kokeellisen mutaatiotutkimuksen pioneeri.
H.J. Muller tutki eri ulkoisten tekijöiden vaikutusta mutaatioiden määrään banaanikärpäsissä. Hän havaitsi vuonna 1926 röntgensädetyksen kasvattavan mutaatiotaajuutta 15 000 % spontaanimutaatioihin verrattuna. Havainto merkitsi alkua säteilygenetiikalle ja keinolliselle mutaatiotutkimukselle sekä myöhemmin, vuonna 1946, Nobel-palkintoa H.J. Mullerille.
Vuonna 1944 ilmestyi ensimmäinen julkaisu kemiallisesta mutageenista (isoallyylitiosyanaatista). Jo 1941 oli havaittu sinappikaasun mutageeninen vaikutus, mutta julkaisu siitä siirtyi sodan vuoksi vuoteen 1946. Kemianteollisuuden kasvu ja monien uusien kemikaalien yleistyminen on luonut sittemmin kokonaan uuden mutaatiotutkimuksen haaran, ympäristömutageenitutkimukseen.
Nykyään mutaatiotutkimus sisältää paljon "mutageenisuustestejä", joissa muun muassa erilaisten kemikaalien mutageenisuus tutkitaan ennen niiden laskemista markkinoille.
Haitallista sairauksia aiheuttavista mutaatioista suuri enemmistö esiintyy genomin proteiineja koodaavalla alueella eli eksomialueella. Perinnöllisten sairauksien taustalla vaikuttavien mutatioiden selvitystyössä tätä hyödynnetään laajalti sekvensoimalla koko genomin sijaan pelkästään potilaan eksomi. Yleisesti eksomisekvensoinnilla voidaan löytää 85-95% sairauksia aiheuttavista mutaatioista. Mutaatioita esiintyy kuitenkin yhtä usein myös eksomialueen ulkopuolella toisin sanoen koko genomin alueella. Koska eksomi on suhteellisesti vain noin 1% koko ihmisen genomista, voidaan olettaa että mutaatioista 99% on eksomialueen ulkopuolella ja että ne ovat pääsääntöisesti ihmiselle harmittomia.
Banaanikärpäsellä tehtyjen tutkimusten mukaan mutaatioista 70 % on haitallisia, muut neutraaleja tai vain heikosti hyödyllisiä. Mutta esimerkiksi monissa bakteeritutkimuksissa on löydetty hyödyllisiä mutaatioita. Kolibakteereilla tehtyjen LTEE-tutkimusten mukaan sadoista miljoonista mutaatioista noin 100 olisi pysyviä ja yhdentekeviä tai hyödyllisiä, ja näistä noin 10-20 hyödyllisiä.
Nailonia ravinnokseen käyttämään kykenevä flavobakteeri löydettiin vuonna 1975, vain 40 vuotta nailonin syntetisoinnin (1935) jälkeen. Kyseiset bakteerit kykenevät hajottamaan nailonin nylonaasin avulla, mikä on organismin kannalta hyödyllisen mutaation tulos.
Kun mutaation keinotekoinen tuottaminen opittiin, sitä alettiin pian hyödyntää jalostuksessa. Mutaatiojalostuksessa jalostettavasta kasvista tai eläimestä pyritään tuottamaan ihmisen kannalta hyödyllinen mutantti. Tavallisesti mutaatio heikentää kasvin tai eläimen elinkelpoisuutta ja se häviää. Ihmisen kannalta muutos voi tuotannollisesti kuitenkin olla edullinen.
Kasveilla yleisin tuotettava mutaatiotyyppi on kromosomistomutaatiollinen polyploidia. Silloin peruskromosomistoja on mutaation vuoksi useampi kuin kaksi. "Ylimääräiset" kromosomistot voivat olla samasta (autopolyploidia) tai eri lajista (allopolyploidia). Autopolyploidisilla mutaatiolla on kyetty jalostamaan muun muassa siemenettömiä lajikkeita banaaneista ja meloneista. Allopolyploidisilla mutaatiolla on jalostettu erilaisia risteytyksiä kuten ruisvehnää.
Mutaatiojalostus voi perustua myös spontaaniin mutaatioon. Lupiinissa on tavallisesti pahanmakuista ainetta, joka pitää kasvinsyöjät loitolla. Saksassa tehdyssä tutkimuksessa löydettiin 1,5 miljoonan lupiiniyksilön joukosta mutanttiyksilö, josta tuon ominaisuuden kuitenkin huomattiin puuttuvan – siitä kyettiin jatkojalostuksilla kasvattamaan kokonaan uusi lupiinikanta rehulupiiniksi.
Mutaatiotutkimuksesta:
Mutaatiojalostuksesta: