Morfologiske mutasjoner gir en synlig ytre endring.
Næringsmutasjoner gjør en organisme avhengig av et kjemisk stoff eller metabolitt som villtypen ikke trenger.
Letale mutasjoner er dødelige.
Missens mutasjoner endrer betydningen av et kodon fra en aminosyre til en annen.
Nonsens mutasjoner lager et stopp-kodon midt inne i et gen.
En leseramme mutasjon forårsakes av at en eller flere baser fjernes eller innsettes i en kodende region slik at alle de etterfølgende kodonene endres. Mutasjon kan f.eks. skje ved deaminering av cytosin til uracil, men vanligvis kan uracil fjernes av enzymet uracil-DNA-glykosylase før det forårsaker noen skade.
Epigenetiske endringer kan i noen tilfeller bli overført via kjønnscellene. Små RNA spiller en viktig rolle i beskyttelse mot mutasjoner forårsaket av virus eller transposoner.
Oppskriften på en levende organisme er kodet av det totale DNA i en celle, og omfatter DNA i cellekjernen, i mitokondriene, i tillegg plastidene hos planter. Noen virus har koden lagret i RNA. Nukleinsyrene DNA og RNA blir brukt til å lagre og omsette genetisk informasjon, mens protein har en strukturell og metabolsk funksjon. Informasjonen i DNA blir kopiert ved celledelinger i en DNA replikasjon. Mange feil i kopieringen blir rettet, men ikke alle, slik at det kan oppstå feil i polymeriseringen av den andre DNA-tråden. Grunnen til å det blir få feil skyldes at enzymet DNA polymerase foretar korrekturlesing under kopieringen. Det kan oppstå en feil per ca. 10 til 100 millioner baser. DNA blir oversatt (transkribert) til budbringer RNA (mRNA). På ribosomene festet til mRNA blir aminosyrespesifikke kodoner oversatt (translatert) til proteiner ved at aminosyrer festet til transfer RNA (t-RNA) blir bundet sammen i amidbindinger (peptidbinding). Hvert kodon består av tre nukleotider, en triplett. En kode med tre nukleotider kan kode for maksimum 43 = 64 aminosyrer, men det er bare 20 proteinaminosyrer. Det betyr muligheten for en redundans i den genetiske koden hvor flere kodoner koder for samme aminosyre, noe som kan ha betydning for effekten av en basesubstitusjon i mutasjonen. Den genetiske koden er stort sett universell hos alle organismer. Det finnes mange hypoteser omkring opprinnelsen til den genetiske koden, inkludert en teori om selvorganisering av et selvreplikerende RNA, hypersykler og kvasiarter framsatt av Manfred Eigen og Peter Schuster.
Hvis en punktmutasjon skjer i et område av DNA som blir uttrykt som et protein, et ekson, så vil det kunne endre koden for en aminosyre som blir kodet av dette genet under translasjonen. Dette kan føre til at strukturen til proteinet blir endret og derved funksjonen. Det finnes en lang rekke kjemiske alkylerende stoffer (mutagener) som kan binde seg til DNA og bidra til mutasjoner, samt interkalerende stoffer (etidiumbromid, psoralener) og kjemiske baseanaloger.
Stråling fra radioaktive isotoper brukt i medisinsk øyemed og forskning, forurensning fra reprossesering og lagring av avfall fra kjernekraftindustrien, ulykker i atomkraftverk (flyktige jodisotoper (131I)som bindes i tyroksin skjoldbrukskjertelen, cesiumisotoper (134Cs, 137Cs) som erstatter kalium i metabolismen, og strontium-isotoper (90Sr) som erstatter kalsium i metabolisme og beinvev), samt radioaktive isotoper fra tidligere atombombeprøvesprengninger på 1950-1960-tallet bidrar alle til mutasjoner i DNA. Det samme gjør røntgenstråling (CT, røntgenbilder), stråling fra ultrafiolett lys, og naturlig bakgrunnsstråling (radon, kalium-40) inkludert kosmisk stråling. Raske nøytroner eller et alkylerende stoff som etylmetansulfonat (EMS) blir brukt til å skape mutasjoner i planter. EMS gir etylering av guanin (G) slik at etylert guanin danner par med thymin (T) i stedet for cytosin (C). Reparasjonssystemet i cellen forsøker å erstatte etyl-guanin med adenin (A) slik at det dannes A-T i stedet for G-C i DNA-heliksen. Etyleringen skaper tilfeldige mutasjoner langs genomet. Man plukker ut interessante fenotyper fra første mutantgenerasjon 1 (M1) og lar disse selvpollinere for å lage stabile homozygoter i mutantgenerasjon 2 (M2). Man kan kartlegge hvor mutasjonen har skjedd på genomet ved å krysse mutanten med villtypen, og deretter analysere avkommet. Man kan også lage mutasjoner ved å sette inn et transposon i gener. I et slikt tilfelle krysser man planten man skal undersøke med et planteindivid av samme art med et kjent aktivt transposon som man kjenner gensekvensen til. Deretter leter man i avkommet etter fenotyper som har en transposon-merking (transposon-tag). Det blir økende antall mutasjoner i cellene ved økende alder i cellevevet hvis DNA-reparasjonsenzymene (utkuttingsreparasjoner, direkte reparasjoner, rekombinasjonsreparasjon, mismatch-reparasjoner, fotoreaktiveringsenzymer) blir mindre effektive med alder
Mutasjoner som via indels (innsetting av baser (insersjoner) eller fjerning av baser (delesjoner)) ødelegger rekkefølgen av leserammer med tre og tre nukleotidbaser kalles rammeskiftmutasjoner, eller via flytting (translokasjoner) Det kan også bety at et stopp-kodon blir avlest som en aminosyre. Hos mennesker kan rammeskiftmutasjoner føre til alvorlig genetisk sykdom slik som Tay-Sachs sykdom. Selv om noen mutasjoner som ødelegger strukturen til proteiner er skadelig, finnes det også nøytrale mutasjoner og mutasjoner som kan gi en evolusjonær fordel sammenlignet med villtypen, for eksempel en mutasjon som gir sigdcelleanemi i områder med malaria. Naturlig seleksjon vil kunne gjøre mutasjonen mer vanlig i populasjonen. Det er bare mutasjoner i kjønnscellene som blir overført til neste generasjon.
Virus som har sin kode som RNA har ikke den samme korrekturlesingen i kopieringen og det gir høy mutasjonsrate. RNA-virus har en rask evolusjon av nye virusvarieteter som unnslipper immunsystemet hos en organisme. Immunsystemet gir et seleksjonspress som favoriserer mutasjoner i RNA-viruset som kroppens forsvarsapparat ikke klarer å bekjempe. Genotypen i det kopierte RNA kan endre seg så raskt at viruset balanserer mellom selvutslettelse og eksistens. Man kan benytte Eigens modell om kvasiarter for å beskrive en samling av genotyper med svært høy mutasjonsrate, genotyper som alle er forskjellige fra det opprinnelige RNA som ble kopiert. HIV er et virus som kan modelleres som en kvasiart.
Proteinaminosyrene har forskjellige kjemiske og fysiske egenskaper avhengig av sidekjeden, men grupper av aminosyrer har samme egenskaper (sure, hydrofobe, basiske osv.). Ved å sammenligne sekvenser kan vi finne ut hvor mye de divergerer, for eksempel ved å telle antall forandringer og forskjeller langs DNA- eller aminosyresekvensen (Hamming avstand). Hvis vi har to sekvenser med nukleotider eller aminosyrer, hvor sannsynlig er det at de har samme evolusjonære opphav, det vil si er homologe sekvenser ? Man kan studere dette ved å legge sekvensene ved siden av hverandre og alinjere dem. Sekvensene endrer seg gradvis over tid.
Punktakseptert mutasjon (PAM) er en mutasjon hvor en aminosyre i primærstrukturen til et protein byttes ut med en annen aminosyrer, og som ikke blir selektert vekk ved evolusjon og naturlig utvalg. PAM omfatter derfor ikke alle punktmutasjoner slike som letalmutasjoner og mutasjoner som blir selektert vekk under evolusjonen. I en PAM-matrise er hver kolonne og rad representert med hver av de 20 proteinaminosyrene. Hvert tall i matrisen angir likelihood (en form for sannsynlighet) for at en aminosyre i en rad blir byttet ut med en aminosyre i en kolonne via en eller flere punktmutasjoner.En aminosyre kan mutere til en av de andre 19 aminosyrene eller bli beholdt uforandret. PAM-matriser blir benyttet som substitusjonsmatrise som mål på skår ved alinjering av aminosyresekvenser i proteiner. En substitusjonsmatrise angir et mål på hastigheten (raten) som en karakter (base i nukleinsyrer eller aminosyre i et protein) i en sekvens endrer seg over tid. Den enkleste form for substitusjonsmatrise er identitetsmatrisen. BLOSUM, blokker substitusjonsmatrise ser på mutasjoner for slektslike og relaterte sekvenser gir et evolusjonsmål på alinjeringen mellom to sekvenser. Benytter de konserverte regionene uten gap i sekvensen, teller opp frekvensen og sannsynligheten for substitusjon via logaritmen til odds til de 210 mulige substitusjonene for 20 aminosyrer.
\(\displaystyle log (\text{odds ratio}) = log_{2} \frac {P(O)} {P(E)}\)
PAM-matrisen tar hensyn til at proteinaminosyrene foreligger i grupper med tilnærmet like egenskaper, slik at utbytning til en annen aminosyre i samme gruppe kan gi mindre effekter på proteinstrukturen enn om utbytningen skjedde til en aminosyre med en helt annen egenskap. Tallene i PAM-matrisen angir antall mutasjoner per 100 aminosyrer, noe som tilsvarer omtrent % aksepterte mutasjoner. Forskjellige PAM-matriser representerer forskjellige tidslengder. Ifølge de molekylære klokker vil antall aminosyresubstitusjoner for et protein være tilnærmet konstant over tid, men hastigheten for utbytningen av aminosyrer er forskjellig for forskjellige proteinfamilier. Raten for utbytning av aminosyrer bestemmer hvor raskt to proteiner atskilles i tid. Tiden T for divergens (atskillelse) per millioner år er:
\(\displaystyle T = \frac {K} {2r}\)
hvor K er antall mutasjoner per aminosyre og r er raten for aksepterte mutasjoner per aminosyre per million år. PAM-matriser blir laget ved å studere antall mutasjoner i fylogenetiske trær av proteinfamilier som har store likhetstrekk med sitt opphav, likhet >85%. Mutabiliteten til en aminosyre er forholdet mellom antall mutasjoner og antall ganger aminosyren forekommer ved alinjeringen. For eksempel vil aminosyren asparagin med en lite polar sidekjede har høy mutabilitet, mens aminosyrene cystein og tryptofan er minst mutabilitet. Vi kan angi mutabiliteten m(j) til aminosyre(j), hvor f(j) er frekvensen (forekomsten) til aminosyre (j). Frekvensen normaliseres slik at summen av frekvenser er lik 1. Hvis totalt antall hendelser er n(j) og N er totalantallet aminosyrer så har vi:
\(\displaystyle f(j) = \frac {n(j)} {N}\)
Mutasjonsmatrisen M er slik at M(i,j) er sannsynligheten for at aminosyre (j) muterer til aminosyre(i).
Needleman-Wunsch algoritmen (Saul B. Needleman & Christian D. Wunsch 1970) blir benyttet til å studere alinjering av aminosyre- eller nukleotid-sekvenser, hvor man deler hovedproblemet inn i en rekke mindre problemer og løser disse. Setter verdien 0 hvis det er lik base eller aminosyre, verdi 1 hvis de er forskjellig , og verdi 1 hvis det indels (inversjoner og delesjoner) hvor en aminosyre eller base i den ene sekvensen alinjerer med et gap i den andre sekvensen.
Smith-Waterman algoritmen (Temple F. Smith & Michael S. Waterman 1981) bruker lokal alinjering, sammenligner forskjellige deler og lengden av sekvenser, finner like områder og optimaliserer et likhetsmål.
Evolusjonære trær kan bli laget basert på
1) Avstandsmetode som parvis avstand mellom sekvenser (UPGMA)
2) Fra alinjerte sekvenser basert på parsimoni eller likelihood.
Ifølge Jukes-Cantor modellen kan enhver A, T, G og C skifte til en annen med lik sannsynlighet. Man får en skjevhet ved at nukleotider skifter til den komplementere A-T og G-C. Termostabile organismer inneholder mer GC som er mer stabile enn AT. Gitt p som andelen punkter eller steder som skiller de to sekvensen (Nd/N) så vil Jukes-Cantor estimatet for evolusjonær avstand d være:
\(\displaystyle d = \frac {3}{4} \left(ln \left(1-\frac {3} {4} p \right) \right)\)
og forutsetter lik basekvens (1/4 av hver A, T, G, C) og lik mutasjonsrate. Kimura skiller mellom transisjoner A-G og C-T, dvs. fra purin til pyrimidin og vice versa.
Litteratur
Wikipedia