Mutaatio eliperimän muutos[1] on satunnainen[2] muutos eliönperimäaineksenDNA:n tai joskusRNA:n nukleotidijärjestyksessä. Yksinkertaisimmillaan se onpistemutaatio, yhdenemäsparin vaihdos tai yksittäisen nukleotidin (emäksen)lisääminen taipoisto nukleotidijärjestyksessä. Muutos voi sijaitageeniä ohjelmoivalla alueella tai sen ulkopuolella.
Mutaatioita esiintyy sekäspontaaneina mutaatioina että muutoksia aiheuttavien tekijöiden elimutageenien vaikutuksesta. Spontaaneja muutoksia saattavat aiheuttaa esimerkiksi solun sisäiset kemialliset tapahtumat (kuten metylaatio ja hapettuminen) sekäDNA-jakautumisen virheet. Tunnettuja mutageenejä ovat muun muassaionisoiva säteily ja eräät kemikaalit (esimerkiksikadmium). Myös tietytvirukset voivat aiheuttaa muutoksia.
De novo -mutaatioksi kutsutaan mutaatiota, joka tapahtuu siittiö- tai munasolussa taikka sikiössä[3]. Siittiöissä tapahtuu enemmän de novo -mutaatioita kuin munasoluissa, ja niiden määrä riippuu isän iästä. Äidin puolelta saatujen de novo -mutaatioiden määrä taas on iästä riippumatta keskimäärin 15 kappaletta per jälkeläinen.[4]
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 yhdennukleotidin muutos elipistemutaatio, tai se voi käsittää useita peräkkäisiä nukleotideja. Suuri tuhansia nukleotideja käsittävä mutaatio, kuten rakennemuutoskromosomeissa taikromosomistoissa, voi sisältää useita peräkkäisiä geenejä sekä niiden välisiä alueita.
Tarkoituksellisesti mutaatioita tapahtuu solussa esimerkiksimeioosissa (tekijäinvaihdunta) jahypermutaatiossa (vasta-aineiden tuotanto).Monisoluisissa eliöissä geenivaihtelu voidaan jakaaituradan variaatioihin, jotka voivat välittyä jälkikasvulle, jasomaattisiin 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 myötäluonnonvalinta poistaa vähemmän suotuisat (tai vahingolliset) geenimuunnokset, kun taas suotuisammat (tai hyödylliset) runsastuvat. Myösgeneettinen 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, (engl.hotspot), joissa mutaatioita esiintyy jopa 100 kertaa useammin kuin muualla DNA:ssa. Hotspot voi olla esimerkiksi epätavallinenemäs, kuten5-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 jonkungeenin alueella tapahtuva pieni muutos, jossa yksi DNA:n osanen elinukleotidi katoaa, liittyy tai muuttuu. Yhden nukleotidin muutos tunnetaanpistemutaationa.
Pistemutaatiot jaetaan neljään ryhmään niiden proteiini sekvenssiin aiheuttamien seurausten mukaan.
nonsense-mutaatio: kodoni on pysähtymiskodoni, jolloin polypeptidiketjun syntetisoituminen päättyy ennen aikojaan
neutraali mutaatio: kodoni muuttuu toista, kemiallisesti samankaltaista aminohappoa koodaavaksi kodoniksi. Muuttuneen aminohapon samankaltaisuuden vuoksi syntyvä proteiini kuitenkin toimii normaalisti.
Pistemutaatioiden mekanismeja:
Deaminaatio eli emäksen amiiniryhmän menetys, jolloin tapahtuutautomeerinen siirtymä eli alkuperäinen emäs korvautuu analogilla (esimerkiksi C→U), varsin yleinen mutaatio, joka tapahtuu ihmisellä arviolta 100 kertaa päivässä.
Transitio eli siirtymä, jossapuriini vaihtuu toiseen puriiniin (A ↔ G) taipyrimidiini pyrimidiiniin (C ↔ T).
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 onkromosomin rakenteen muutos, joka edellyttää kromosomin rakenteen katkeamista elikromosominmurtumaa.
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.
Kromosomistomutaatioissa kromosomeja tai kokonaisiakromosomistoja 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. EsimerkiksiDownin syndrooma johtuu kromosomin 21 trisomiasta.
Polyploidiassa kokonaisia peruskromosomistoja on useampi kuin kaksi. Mikäli kromosomistoja on poikkeuksellisesti vain yksi, kyseessä onhaploidia.
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,engl.gene conversion).
Teoria mutaatioista syntyi1890-luvulla selittämään luonnossa tapahtuvaa, joGregor Mendelin havaitsemaa muuntelua. Mutaatio-termin otti käyttöönHugo de Vries omassa mutaatioteoriassaan (Die Muatationstheorie) vuonna 1900. Teoria pyrki selittämään perimässä tapahtuvat muutokset ja luomaan pohjanDarwinin jaWallacenluonnonvalinnan kehitysteorioille.
Vuonna1910Columbian yliopistossa mutaatioita tutkivaThomas Hunt Morgan havaitsi normaalisti punasilmäiseenbanaanikärpäskantaan ilmaantuneen valkoisen silmävärimutaation ja osoitti ominaisuuden periytyväksi. Julkaistuaan tutkimuksensa hän perusti banaanikärpästen geenejä kartoittavan Drosophila-tutkimusryhmän eli ns. Morganin koulun. Ryhmään liittyi 1912Hermann Joseph Muller, tuleva kokeellisen mutaatiotutkimuksen pioneeri.
H.J. Muller tutki eri ulkoisten tekijöiden vaikutusta mutaatioiden määrään banaanikärpäsissä. Hän havaitsi vuonna1926 röntgensädetyksen kasvattavan mutaatiotaajuutta 15 000 %spontaanimutaatioihin verrattuna. Havainto merkitsi alkua säteilygenetiikalle ja keinolliselle mutaatiotutkimukselle sekä myöhemmin, vuonna1946,Nobel-palkintoa H.J. Mullerille.
Vuonna 1944 ilmestyi ensimmäinen julkaisu kemiallisesta mutageenista (isoallyylitiosyanaatista). Jo 1941 oli havaittusinappikaasun mutageeninen vaikutus, mutta julkaisu siitä siirtyisodan vuoksi vuoteen 1946. Kemianteollisuuden kasvu ja monien uusien kemikaalien yleistyminen on luonut sittemmin kokonaan uuden mutaatiotutkimuksen haaran, ympäristömutageenitutkimukseen.
Nykyään mutaatiotutkimus sisältää paljonmutageenisuustestejä, 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[5]. Yleisesti eksomisekvensoinnilla voidaan löytää 85–95 % sairauksia aiheuttavista mutaatioista[6]. 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.[7]
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.[8]
Kun mutaation keinotekoinen tuottaminen opittiin, sitä alettiin pian hyödyntääjalostuksessa. 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 kromosomistomutaatiollinenpolyploidia. 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 lajikkeitabanaaneista jameloneista. Allopolyploidisilla mutaatiolla on jalostettu erilaisia risteytyksiä kutenruisvehnää.
Mutaatiojalostus voi perustua myösspontaaniin 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.
Tähän artikkeliin tai sen osaan onmerkitty lähteitä, mutta niihin ei viitata. Älä poista mallinetta ennen kuin viitteet on lisätty. Voit auttaa Wikipediaalisäämällä artikkelille asianmukaisiaviitteitä. Lähteettömät tiedot voidaankyseenalaistaa tai poistaa.
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: virheellinen osoite [ 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
↑Saarela, Jaana ja Kettunen, Kaisa: Kenelle eksomisekvensointi? Duodecim-lehti, 2017, 133. vsk, nro 5, s. 481–8. Artikkelin verkkoversio.
↑Jamuar,Saumya Shekhar and Tan, Ene-Choo: Clinical application of next-generation sequencing for Mendelian diseases. Hum Genomics., 2015, 9. vsk, nro 1, s. 10. BioMedCentral. PubMed:26076878Artikkelin verkkoversio.
↑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. doi:10.1073/pnas.81.8.2421 [/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=6585807 Teoksen verkkoversio].
