Mutaatio

Mutaatiot ovat muutoksia geeneissä, kromosomeissa tai kromosomistoissa. Tällöin geneettiseen materiaalin (DNA ja RNA)) informaation määrä kasvaa, vähentyy tai muuttuu. Mutaatiot ovat seurausta DNA-vaurioista, joita syntyy sekä spontaanisti että mutaatiota aiheuttavien tekijöiden eli mutageenien vaikutuksesta. Spontaanit mutaatiot ovat syntytavoiltaan epäselviä - niitä saattaa aiheuttaa esimerkiksi solun sisäiset kemialliset tapahtumat (kuten metylaatio ja hapettuminen) sekä DNA-kopioinnin virheet. Tunnettuja mutageenejä ovat muun muassa ionisoiva säteily ja eräät kemikaalit (esimerkiksi kadmium). Myös tietyt virukset voivat aiheuttaa mutaatioita.

DNA-vaurioita syntyy jatkuvasti, tuhansia päivässä, mutta koska solun DNA-korjausmekanismit ovat varsin tehokkaat, vain murto-osa muutoksista jää pysyviksi. Pysyvistäkin muutoksista on syytä huomata, että toisin kuin tieteiskirjallisuudessa usein esitetään, suurimmalla osalla mutaatioista ei ole mitään todellista vaikutusta eliön elinkykyyn tai toimintaan.

Tarkoituksellisesti mutaatioita tapahtuu solussa esim. meioosissa ja hypermutaatiossa. Monisoluisissa eliöissä mutaatiot voidaan jakaa vielä ituradan mutaatioihin, jotka voivat välittyä jälkikasvulle ja somaattisiin mutaatioihin, 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.

Mutaatioita pidetään evoluution eteenpäin vievänä voimana, jossa luonnonvalinta poistaa vähemmän suotuisat (tai vahingolliset) mutaatiot geneettisestä varastosta, kun taas suotuisammat (tai hyödylliset) kumuloituvat. Neutraalit mutaatiot eivät vaikuta organismin eloonjäämistodennäköisyyteen sen luonnollisessa ympäristössä ja siten ne voivat kumuloitua ajan mittaan. Tästä voi olla seurauksena ilmiö, joka tunnetaan nimellä punctuated equilibrium eli klassisen evoluutioteorian moderni tulkinta.

DNA:ssa on niin sanottuja kuumia pisteitä, (), joissa mutaatioita esiintyy jopa 100 kertaa niin usein kuin mikä on normaali mutaatiotahti. Hotspot voi olla esimerkiksi epätavallinen emäs, kuten 5-metyylisytosiini.

Mutaatiotaajuus vaihtelee lajista toiseen. Evoluutiobiologit ovat muodostaneet teorian, jonka mukaan korkeammat mutaatiotaajuudet ovat hyödyllisiä jossain tilanteissa, koska ne antavat organismin muuntua ja siten sopeutua nopeammin ympäristöönsä.

Mutaatiotyypit

Geenimutaatio

Geenimutaatio on jonkun geenin alueella tapahtuva pieni mutaatio, jossa yksi DNA:n osanen eli nukleotidina katoaa, liittyy tai muuttuu. Yhden nukleotidin muutos tunnetaan pistemutaatio.

Pistemutaatiot jaetaan neljään ryhmään niiden aiheuttamien seurausten mukaan.

• hiljainen mutaatio: kodonia koodaa mutaation jälkeen edelleen samaa aminohappo, joten mutaatiolla ei ole vaikutusta
• missense-mutaatio: kodoni koodaa eri aminohappoa
• nonsense-mutaatio: kodoni on pysähtymiskodoni, jolloin polypeptidiketjun syntetisoituminen päättyy ennen aikojaan
• neutraali mutaatio: kodoni muuttuu toista, kemiallisesti samankaltaista aminohappoa koodavaksi kodoniksi. Muuttuneen aminohapon samankaltaisuuden vuoksi syntyvä proteiini kuitenkin toimii normaalisti.

Pistemutaatioiden mekanismeja:

• Deaminaatio eli emäksen amiiniryhmän menetys, jolloin tapahtuu tautomeerinen siirtymä eli alkuperäinen emäs korvautuu analogilla (esim. C→U), varsin yleinen mutaatio, joka tapahtuu ihmisellä arviolta 100 kertaa päivässä.
• Transitio eli siirtymä, jossa puriini vaihtuu toiseen puriiniin (A ↔ G) tai pyrimidiini pyrimidiiniin (C ↔ T).
• Transversio eli kääntymä, jossa puriiniin vaihtuu pyrimidiini tai pyrimidiini vaihtuu puriiniin (C/T ↔ A/G).

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

Kromosomimutaatio on kromosomin rakenteen muutos, joka edellyttää kromosomin rakenteen katkeamista eli kromosominmurtumaa.

Kromosomimutaation tyypit:

• Häviämä (deleetio), jossa kromosomista häviää jokin osa
• Kahdentuma (duplikaatio), jossa kromosomiin liittyy toinen samanlainen osa toisesta kromosomista
• Kääntymä (inversio), jossa kromosomin geenien järjestys muuttuu käänteiseksi tietyssä kromosomin osassa
• Liittymä (insertio), jossa kromosomiin liittyy jokin toisen kromosomin osa tai osia muualta samasta kromosomista
• Siirtymä (translokaatio), jossa kaksi erilaista kromosomia vaihtavat osia

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.

Kromosomistomutaatio

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.

Mutaatioiden syitä

Spontaanit mutaatiot

• Happiradikaalien aiheuttama oksidatiivinen vaurio
• Spontaani hydrolyysi
• Metylaatio
• DNA-kopioinnin virhe

Ulkoisten tekijöiden aiheuttamat mutaatiot

• Mutageeniset kemikaalit
  • Nitrosoguanidiini (NTG)
  • Emäsanalogit (esim. BrdU)
  • Yksinkertaiset kemikaalit (esim. hapot)
  • Alkyloivat (esim. N-etyyli-N-nitrosourea (ENU))
  • Metyloivat (esim. etaanimetyylisulfonaatti (EMS))
  • Polysykliset hiilivedyt (esim. polttomoottorintt pakokaasussa esiintyvät bentsopyreeni)
  • Emästen väliin tunkeutuvat (esim. etidiumbromidi)
  • DNA-ketjun risteämistä () aiheuttavat (esim. platina)
  • Happiradikaalitt
• Mutageeninen säteily
  • Ultraviolettisäteily
  • Ionisoiva säteily
• Virukset ja retrovirukset
  • Papilloomavirus
  • HI-virus

DNA-korjausmekanismit

Vaikka mutaatiot ovat evoluution keskeinen mekanismi, on geneettinen pysyvyys kuitenkin yksilön selviämisen edellytys. Koska DNA-vauriot ovat niin yleisiä, soluun on evoluution myötä kehittynyt useita korjausmekanismeja. Yleisimmille korjausmekanismeille on yhteistä DNA:n kaksijuosteisuuden hyödyntäminen - koska useimmiten vain toinen kopio vaurioituu, korjaavat entsyymit pystyvät hyödyntämään vastakkaisen juosteen informaatiota.

• Korjaus poistamalla virheellinen emäs,
• Korjaus poistamalla virheellinen nukleotidiketju,

Mikäli molemmat juosteet ovat vaurioituneet, korjaaminen on monimutkaisempaa. Joskus toisaalla genomissa on vastaava nukleotidisarja, josta puuttuvan informaation voi kopioida (geenikonversio, ).

Mutaatiotutkimus

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 1941n oli havaittu sinappikaasu 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.

Mutaatiojalostus

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. Lupiinissassa on tavallisesti pahanmakuista ainetta, joka pitää kasvinsyöjät loitolla. Saksa tehdyssä tutkimuksessa löydettiin 1,5 miljoonan lupiiniyksilön joukosta mutanttiyksilö, josta tuon ominaisuuden kuitenkin huomattiin puuttuvan – siitä kyettiin jatkojalostuksilla kasvattamaan kokonaan uusi lupiinikanta rehulupiiniksi.

Lähteet

• [1]
• 
  

Mutaatiotutkimuksesta:

Mutaatiojalostuksesta:

Aiheesta muualla

• (engl.)
• EvoWiki: Mutation (engl.)