Mutaatio

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee mutaatiota biologiassa. Muut merkitykset: mutaatio (täsmennyssivu).
Osa biologian artikkelisarjaa
Evoluutio
CollapsedtreeLabels-simplified.svg
Prosessit ja mekanismit

Adaptaatio
Geneettinen ajautuminen
Lajiutuminen
Luonnonvalinta
Geenivaihto
Mutaatio
Rekombinaatio

Tutkimus ja historia

Historia
Todisteet
Moderni synteesi
Yhteiskunnalliset vaikutukset
Vastustus

Katso myös

Ekologinen genetiikka
Elämän alkuperä
Fylogenia
Ihmisen evoluutio
Populaatiogenetiikka

Mutaatio on satunnainen muutos organismin perimäaineksen DNA:n tai joskus RNA:n nukleotidijärjestyksessä. Yksinkertaisimmillaan se on pistemutaatio, yhden emäsparin vaihdos tai yksittäisen nukleotidin (emäksen) lisääminen tai poisto nukleotidisekvenssissä. Mutaatio voi sijaita geeniä koodaavalla alueella tai sen ulkopuolella.

Mutaatioita esiintyy sekä spontaanisti että mutaatiota aiheuttavien tekijöiden eli mutageenien vaikutuksesta. Spontaaneja mutaatioita saattavat 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.

Mutaatioprosessit aiheuttavat päivittäin tuhansia muutoksia eliön DNA:han, mutta koska solun DNA-korjausmekanismit ovat varsin tehokkaat, vain murto-osa näistä jää pysyviksi. Vain sukusolulinjassa tapahtuvat mutaatiot voivat siirtyä seuraavaan sukupolveen.

Mutaation aiheuttamien geneettisten 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 variaatiot 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) geneettiset variaatiot, kun taas suotuisammat (tai hyödylliset) kumuloituvat. Myös geneettinen ajautuminen vähentää geneettisten variaatioiden määrää populatiossa. Neutraalit variaatiot eivät vaikuta organismin eloonjäämistodennäköisyyteen sen luonnollisessa ympäristössä ja siten ne voivat kumuloitua ajan mittaan. Mutaatioden luoma geneettinen muuntelu lisää eliöpopulaation mahdollisuuksia sopeutua ja säilyä muuttuvissa olosuhteissa.

Mutaatiotaajuus vaihtelee lajista ja variaatiotyypistä toiseen. DNA:ssa onkin niin sanottuja kuumia pisteitä, (engl. hotspot), joissa mutaatioita esiintyy jopa 100 kertaa useammin kuin muualla DNA:ssa. Hotspot voi olla esimerkiksi epätavallinen emäs, kuten 5-metyylisytosiini tai CG -dinucleotidi.


Mutaatioiden luokittelu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

Geenimutaatio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Geenimutaatio

Geenimutaatio on jonkun geenin alueella tapahtuva pieni mutaatio, 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.

  • hiljainen mutaatio: kodoni koodaa mutaation jälkeen edelleen samaa aminohappoa, 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 (esimerkiksi 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 puriini vaihtuu pyrimidiiniin tai pyrimidiini vaihtuu puriiniin (C/T ↔ A/G).
Kromosomimutaation mutaatiotyypit.

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Spontaanit mutaatiot

Ulkoisten tekijöiden aiheuttamat mutaatiot

DNA-korjausmekanismit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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, engl. base excision repair
  • Korjaus poistamalla virheellinen nukleotidiketju, engl. nucleotide excision repair

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

Mutaatiotutkimus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hugo de Vries otti käyttöön termin "mutaatio".

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.

Hyödylliset ja haitalliset mutaatiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suurin osa mutaatioista on eliöille haitallisia. Ne tuottavat monesti epämuodostumia ja sairauksia. 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.[1]

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.[2]

Mutaatiojalostus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ruisvehnä perustuu mutaatiojalostukseen.

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.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P.: Molecular Biology of the Cell, 4th edition. Garland Science, 2002. ISBN 0-8153-4072-9. [/textbooks/0815332181.asp Teoksen verkkoversio].
  • Valste, Juha: Biologia Elämä: Perinnöllisyys ja evoluutio, s. 221-227. WSOY, 2002. ISBN 951-0-27373-2.

Mutaatiotutkimuksesta:

  • Veikko Sorsa: [/teaching/S-114.500/k2002/luento2/GH06.pdf Perinnöllisyystieteen luennot VI] (PDF) Helsinki University Of Technology. Viitattu 29.9.2007.

Mutaatiojalostuksesta:

  • Tast, Johan ym.: Lukio 4, Koulun biologia: Solubiologia ja biotekniikka, s. 89. Otava, 1999. ISBN 951-1-15670-5.
  • Mikko Tuuliranta.: Evoluutio, tieteen harha-askel?, s. 180. RV-Kirjat, 1989. ISBN 951-606-112-5.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli (Zachary D. Blount, Christina Z. Borland ja Richard E. Lenski)
  2. Ohno S: Birth of a unique enzyme from an alternative reading frame of the preexisted, internally repetitious coding sequence. 8 2421–5. Proc Natl Acad Sci USA., 1984.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]