Rekombinasjon og mutasjon

Rekombinasjon gir genetisk variasjon

Et gen defineres som endel av DNA-tråden som koder for en polypeptidkjede eller en funksjonell RNA. Vi har 3 hovedtyper av gener. De som koder for 1) proteiner, 2)RNA og 3) reguleringsgener. Protein deltar i enzymkatalyserte reaksjoner, lagring, transport, og signaloverføring i plantecellene, og oppbygning av strukturer i planten. Lokaliseringen av en gen på kromosomet kalles et locus og alternative utgaver av et gen på et gitt locus kalles alleler. Det er vanligvis flere allleler for genene i en populasjon som kan beskrives som allelfrekvenser eller genfrekvenser. Genetiske endringer i populasjonen kan beskrives av deterministiske og stokastiske modeller.

Genetisk rekombinasjon, også kalt overkrysning, resulterer i bytte av deler av homologe kromsomer slik at bindingen mellom gener blir brutt. Rekombinasjon gir økt genetisk variasjon som evolusjonen kan virke på. Graden av binding mellom gener kan uttrykkes som en genfrekvens. Gener som er langt atskilt fra hverandre på et kromosom har lav frekvens av sammenbinding, og det er større mulighet for rekombinasjon enn mellom gener som ligger nær hverandre har høy frekvens av binding. Genetikerne kan derfor konstruere genkart som viser sammenknytningen av gener. Hvis genetisk rekombinasjon ikke hadde skjedd under meiose ville foredlingsstudier vist at gener som kontrollerer visse egenskaper alltid arves sammen, og noen arves alltid uavhengig av hverandre. Hvert gen har en spesiell plass innen en koblingsgruppe i relasjon til andre gener i samme koblingsgruppe. Det er de forskjellige koblingsgruppene som blir uavhengig sortert i avkommet, ikke de individuelle genene. I mange tilfeller er koblingskartet svært likt det fysiske kartet til kromosomene. Den viktigste typen rekombinasjon skjer under meiosen. I meiosen danner nylig dupliserte (replikerte) homologe kromosomer par, side ved side i et kompleks bestående av 4 kromatider. På dette 4-trådstadiet kan det skje brudd og genetisk materiale kan byttes mellom ikke- søsterkromatider. Overkrysningene resulterer i chiasmata. Jo lenger to gener er fra hverandre på kromosomet, desto større sannsynlighet er det for at det skal skje en rekombinasjon mellom dem. Det skjer mest rekombinasjon hos eukaryotene mellom genetiske områder med en stor del av likhet i sekvensen, kalt homolog rekombinasjon, dette betyr imidlertid ikke alltid samme gen. Ulik overkrysning gir grunnlag for å skape multigenfamilier. Ulik overkrysning skjer hvis det er en krøll på linjen mellom gener under meiosen slik at rekombinasjonen lager gameter med forskjellig kopiantall av gener. En annen type rekombinasjon opptrer i multigenfamilier kalt genkonversjon. Dette skjer når DNA sekvensen til et gen erstattes (konverteres) med en annen DNA sekvens. Hos bakterier kan det skje rekombinasjon mellom gener fra forskjellige arter kalt interspesifikk rekombinasjon eller horisontal genoverføring.

Transposons og flyttbare genetiske elementer

På begynnelsen av 1950-tallet oppdaget Barbara McClintock transposons hos mais (Zea mays). Transposons ble opprinnelig kalt kontrollelementer. Mobile kontrollelementer kan gjenkjennes på fenotypen når de blir plassert inn i et gen som påvirker en synlig egenskap. Oppdagelsen av transposons hos mais skyldtes at de ga kromosombrudd. Stedet hvor det ble kromosombrudd ble kalt Dissosiasjon (Ds) og elementet som laget brudd ble kalt Activator (Ac). Bruddstedet kunne bevege seg (transponere) til et locus som bestemte pigmenteringen på maiskornene. Når Ds ble satt inn ble genfunksjonen ødelagt. Ac kunne få Ds til å flytte seg. Mutasjoner forårsaket av Ds er stabile hvis Ac mangler. Transposase for transposonet Ac i mais kan få Ds til å flytte seg. Ustabiliteten til genomet forårsaket av transposons kunne vises ved fargemønstere på maiskornene. Supressor-Mutator (Spm-Mu) var et annet transposonsystem hos mais. Dette systemet ble gjenoppdaget og ble da kalt Enhancer-Inhibitor (En-I). Transposons kan flyttes vha. et DNA intermediat i en klipp og lim prosess. Seinere ble transposons funnet i løvemunn (Antirrhinum majus) og petunia (Petunia hybrida), og etterhvert i alle planter. Genetisk rekombinasjon er en endring av posisjonen til et gen eller et fragment av et gen. Genene er ikke fast plassert i bestemte porsisjoner på kromosomene. Det kan også skje genoverføring fra et kromosom til et annet. Hos bakterier kan gener flyttes rundt via plasmider, virus eller transduksjon. Deler av gener flyttes av transposons. Transposons er nomadegener som beveger seg rundt i cellene som "en bil uten bilfører". Transposonet koder for enzymet transposase som setter transposonet inn i kromosomet på et mer eller mindre tilfeldig sted. Transposasen kjenner ikke igjen noen spesiell sekvens på kromosomet, slik som plasmider gjør. Mange transposons finnes i flere kopier. Hvis et mobilt element (transposon) settes inn i et gen ødelegges ofte genets funksjon. Transposerbare elementer øker i kopiantall ved å bevege seg rundt i genomet ved å lage kopier av seg selv. Transposons forekommer sjeldent i kromosomene til bakterier, men de finnes ofte i plasmider hvor de bla overfører antibiotikaresistens. Transposon-tagging brukes for å isolere et gen som har en mutantfenotyp. Mutantallelet tagges med et transposon og det kan seinere bli isolert ved hjelp av sekvensen i taggen.

Tidligere antok man at genene hadde sin faste plass på kromosomene, noe som ikke stemmer. Transposisjon defineres som flytting av genetisk materiale fra et sted på kromosomet til et annet. DNA sekvenser som har en slik evne til å flytte seg kalles mobile elementer. Det er to hovedtyper transposisjoner hvor skillet er om det transposerbare elementet kan replikere seg elller ikke. I replikativ transposering vil det transposerbare elementet kopieres, og en kopi blir igjen på originalstedet. Insersjonssekvenser er den enkleste form for flyttbare genetiske elementer. De bærer ikke med seg mer genetisk informasjon enn det som er nødvendig for transposisjonen. Transposons er mobile elementer som skiller seg fra insersjonssekvenser ved å ha med seg eksogene gener dvs. gener som koder for andre funksjoner enn relatert til transposisjonen. Transposons er genetiske elementer som kan endre plass, transponere i genomet. Innsettingen av et transposon i et gen kan hindre at det blir uttrykt. Transposons kan utgjøre opptil 10 % av totalt DNA og kan bestå av noen hundre til tusen basepar. Det meste av repetert DNA i genomet, som ikke er tandemrepetert, består av en eller form for transposons eller sekvenser avledet av et transposons. Transponeringen skjer via en transposase som i mange tilfeller blir kodet av transposonet selv, og denne type transposons sies å være autonome. Transposons er et godt eksempel på "selfish DNA", det gir ingen fordel for vertsorganismen, men kan spre seg i genomet siden det kopierer seg raskere en gensekvensen. Transposisjon kan derved øke genstørrelsen.

Retroelementer er DNA- eller RNA-sekvenser som inneholder gener for enzymet revers transkriptase, og som katalyserer syntese av DNA fra et RNA-templat. Det resulterende DNA kalles cDNA. Retroelementer er en type transposerbare elementer som består av aktive eller inaktive derivater av retrotransposons. Plante retroelementer har størrelse fra 1 til 13 kilobasepar. Retroelementer skiller seg fra retrovirus ved at de mangler sekvenser som koder for strukturelt kappeprotein, som er nødvendig for at retrovirus skal kunne bevege seg fra celle til celle. Retrotransposons er en type mobile gentiske elementer som finnes i alle organismer. Retrotransposons skiller seg fra transposons ved at de transponeres via et RNA intermediat, kalt retrotransposisjon. Retroelementer gir høyere mutasjonsrate enn DNA- transposons, siden revers transkriptase mangler korrekturlesing. Retrotransposons inneholder genet pol som koder for revers transkriptase, med stor sekvenshomologi med retrovirus. Retrotransposons har flanker med lange terminale repeterte sekvenser som er bærer av signalet for transkripsjonen av retrotransposonet ved hjelp av vertscellens RNA polymerase. I retrotransposons blir aldri RNA pakket i viruspartikler. Vårskrinneblom (Arabidopsis thaliana) inneholder en familie med retrotransposons (Ta1-10) som utgjør ca. 0.1 % av genomet. Tobakk inneholder et retrotransposon (Tnt1), som ble isolert etter at et hadde blitt transposert inn i genet for nitrat reduktase og inaktivert det. Tnt1 har sekvenslikhet med retrotransposonet copia hos bananflue (Drosophila), noe som kan bety lateral transport fra insekter til planter. Det finnes også ikkevirale retrotransposons. Disse er delvis eller komplette DNA kopier av cellulære RNA molekyler som er satt inn tilfeldig i genomet. Alle klasser av cellulært RNA, unntatt ribosomale RNA, har gitt opphav til ikkevirale retrotransposons. De som kommer fra mRNA representerer pseudogener. De er forskjellig fra vanlig gener idet de mangler introns. De fleste transponeres passivt. De har en 3´-terminal polyA-hale, i motsetning til den virale typen av retrotransposons. Cin4 elementet i mais er et eksempel. Retrovirus er RNA-virus som har lignende struktur som retrotransposons. Retrovirus inneholder minst 3 gener: gag, pol og env som bl.a. koder for strukturprotein, protease, revers transkriptase, RNase og integrase. Retrovirus har et genom med enkelttrådet RNA, og replikeres via et DNA intermediat. Revers transkriptase, kodet fra viruset, lager en DNA kopi av RNA genomet etter infeksjon av cellen. I noen tilfeller integreres dette provirale DNA inn i cellekjernens DNA og replikeres sammen med dette. Retroelementer kan ha lange terminale repeterte sekvenser og transposonet kan identifiseres via inverterte repeterte sekvenser i hver ende.

Det er likhetstrekk mellom noen typer virus og transposons. Begge er genetiske elementer som bevege seg, de aktiveres under stressbetingelser, og begge inneholder gentisk informasjon som gjør at de kan replikere seg i cellen. Virus skiller seg imidlertid fra transposons ved at de i noen stadier av livssyklus er omgitt av et kappeprotein. Retrovirus, som inneholder pluss-sens RNA, er bare kjent fra dyr. Selv om det ikke per idag er kjennskap til retrovirus som gir plantesykdommer, er det visse likhetstrekk med blomkålmosaikkvirus (CaMV) som gir lesjoner på blomkål og nærstående slektninger. Blomkålsmosaikkvirus reproduseres via et RNA-intermediat som transkriberes til DNA ved et viruskodet revers transkriptase. CaMV genomet inneholder ca. 8000 bp dobbelttrådet DNA med 2 diskontinuiteter. Viruset mister kappeproteinet etter å ha kommet inn i cytoplasma og virus DNA går inn i kjernen. Når det kommer inn i kjernen blir de to gapene i DNA reparert. Det blir transkribert til to RNA molekyler med vertens RNA polymerase. Den minste er 19 S RNA og det større er 35 S RNA. Den første av disse og deler av det andre translateres til virusproteiner bl.a. revers transkriptase. En del av 35 S RNA transkriberes via revers transkriptase til genomisk DNA. Det blir derved en svært lik organisering som genene gag og pol i retrovirus.

Rekombinasjon og evolusjon

Plantene konkurrerer om de samme ressursene lys, vann, mineraler og plass. Det er en nær sammenheng mellom evne til å overleve og reprodusere seg. Genetisk variasjon driver evolusjonen fremover og en kontinuerlig evolusjon trenger stadig ny genetisk variasjon: rekombinasjon, immigrasjon, mutasjon og polyploidi. Polyploidi kan gi økning i antall alleler og gir større kombinasjonsmuligheter ved sortering av kromosomene. Mutasjonsraten er vanligvis for lav til å gi rask evolusjon. Mobile elementer som transposons, retrotransposons og mobile introns er med å gi genetisk variasjon. Ikke-søsterkromatider som lager brudd, overkrysning og uavhengig sortering av homologe kromosomer gir nye allelkombinasjoner. Det kan også være intrakromosomale rekombinasjon mellom ikke-homologe kromosomer. I kromosomene kan det skje inversjoner, delesjoner, kromosombrudd og replikasjon. Migrasjon er genoverføring fra en populasjon til en annen. Virus kan overføre basesekvenser fra en art eller populasjon til en annen. I denne store genetiske varasjonen kan evolusjonen virke og gjøre utvalg.

Mutasjoner

Selv om DNA replikasjonen er nøyaktig kan det oppstå feil. En plutselig forandring i et gen eller kromosom kalles en mutasjon. Ordet mutasjon ble innført av den nederlandske botanikeren Hugo de Vries. Noen feil skjer under replikasjonen. Andre feil skyldes omgivelsesfaktorer som kjemikalier, UV-lys og radioaktiv stråling. Det er bare mutasjoner i kjønnscellene som kan nedarves. Kopier av samme gensekvens, men med forskjellige mutasjoner kalles alleler. De fleste mutasjoner skjer som ved utbytting (substitusjon) av en base med en annen og gir enkeltbasepolymorfier. Disse punktmutasjonene kan deles i transisjoner hvor et purin erstattes med et annet purin eller et pyrimidin med et annet pyrimidin. Transisjoner skjer mellom A og G, og mellom C og T. Transversjon kalles det når et purin erstattes med et pyrimidin og vice versa. Hvis nukleotidsubstitusjonen ikke gir noen endring i aminosyresekvensen i genproduktet kalles det synonym eller stille mutasjon. Skjer det utbytting med en annen aminosyre kalles det ikkesynonym mutasjon (erstatningsmutasjon, aminosyreendrende mutasjon). Ikkesynonym (nonsynonym) mutasjon kan deles i missens mutasjon og nonsens mutasjon. Andre forandringer i kromosomet kan skyldes:

 
1) Delesjoner - fjerning av en eller flere nukleotider. En del av kromosomet faller av og mistes.
2) Insersjoner - tillegg av en eller flere nukleotider.
3) Inversjoner - polariteten snus av kjeden. En del av kromosomet snus etter først å være mistet.
4) Translokasjon hvor en del av et kromosom festes til et annet kromosom og så bytter delene av kromosomet plass.

Delesjoner og insersjoner kan skje ved ulik overkrysning.

Mutasjonsraten fra gen til gen varierer sterkt. Mutasjoner er som regel skadelig for planten og kan forårsake endringer i leserammen (leserammemutasjon).

Hvis en sekvens består av ABCDEFGHIJ vil

 
ABCBCDEFGHIJ være en duplikasjon
CBADEFGHIJ en inversjon og
AEFGHIJ en delesjon

DNA reparasjon

Reparasjon av mutasjoner kan skje ved utkutningsreparasjon , hvor den skadetet base eller flere baser kuttes ut under replikasjonen. De manglende basene settes inn av DNA polymerase som bruker den uskadete komplementære tråden som oppskrift (templat). En annen type reparasjon skjer under DNA replikasjonen ved korrekturlesing, hvor feilen oppdages av DNA polymerase og kuttes ut av eksoonuklease. Homolog rekombinasjon kan erstatte skadet DNA med en uskadet sekvens på det homologe kromosomet.

Plantevirus og viroider

Virus og viroider er de minste selvreplikerende molekylene vi kjenner. Den minste enheten for liv er cellen, og virus og viroider kan betraktes som cellulære parasitter. Virus består av nukleinsyrer, RNA eller DNA, innkapslet i en proteinkappe. Virus mangler ribosomer og enzymer for proteinsyntese og energiproduksjon, men har en replikase som replikerer virusgenomet i vertscellen. Viroider er nakne sirkulære RNA med 250-400 nukleotider. Plantevirus må kunne passere kutikula og cellevegger og kommer vanligvis inn i planter vha. insekter og nematoder. Når viruset har kommet gjennom cellevegg og plasmamembran utrykkes av virusgener og de lages nye viruspartikler. Virusgenomet koder for flere proteiner: kappeproteiner, ett eller flere proteiner som deltar i replikasjonen og en spredningsfaktor. Virus kan bevege seg fra celle til celle via plasmodesmata eller via floemet. De fleste virus spres ikke via frø eller pollen. Virus gir redusert og ofte forkrøplet vekst, og spesielle mosaikkfargemønstere som striper eller flekker kan komme på blomster, stengler og blad. Mange planter viser en hypersensitiv respons etter virusangrep som resulterer i lokale nekrotiske flekker. Noen virus trenger et hjelpevirus for å kunne gi infeksjon. Hvis en plante først er blitt infisert med en lite patogen stamme av virus, kan den etterpå være beskyttet mot mer virulente patogene virustammer

Tulipanvirus og tulipmania

En periode var virusinfiserte tulipaner, svært populære. Hollandske blomstermalere gjenga på 1600tallet stilleben bilder med fargespraglete virustulipaner. Hele gesjeften utviklet seg til en tulipmania. Semper Augustus var en av virustulipanene som oppnådde eventyrlige priser, en spekulasjonsbølge som nådde sin topp i 1637. I Alexandre Dumas roman Den sorte tulipan utloves en belønning på 100 000 floriner til den som klarer å frambringe en sort tulipan. Hvite mønstere på bladene av stuelønn (Abutilon) var også forårsaket av virus, et geminivirus, kalt Abutilon mosaikkvirus.

Litteratur:

 
Aarnes, H.: Tulipanvirus. Blyttia 52 (1994)29-31.
Aarnes, H.: Spraglete og brokete planter - virus og hoppende gener. Naturen 117 (1993) 56- 60.

RNA virus

Det er kjent ca. 700 plantevirus hvorav de fleste er RNA virus. De fleste plante RNA-virus har plusstråd RNA, deretter følger minustråd RNA og dobbelttrådet RNA virus. Genomet til RNA virus transkriberes av en RNA-avhengig RNA-polymerase. I plusstråd RNA-virus vil RNA virke direkte som mRNA når det kommer inn i vertscellen og blir oversatt til protein på ribosomene. Virus med plusstråd RNA blir først transkribert til minustråd RNA med nukleotidsekvens komplementær til mRNA. Deretter blir dette molekylet omdannet til mRNA, som igjen oversettes til virusproteiner. Tobakkmosaikkvirus, som var det første viruset som ble krystallisert, er et plusstråd RNA-virus. Reovirus har flere molekyler med dobbelttrådet RNA-genom og kan gi kreftsvulster på planter. Retrovirus, som har plusstråd RNA og inneholder revers transkriptase, er ikke blitt funnet i planter. Retrotransposons ligner på virus, og flytter seg uten utkutting via et RNA intermediat.

DNA virus

DNA-virus, som utgjør ca. 5% av alle plantevirus, finnes som både enkelttrådet og dobbelttrådet DNA-virus. Blomkålmosaikkvirus ("cauliflower mosaic virus") har dobbelttrådet sirkulært DNA-genom. Geminivirus har enkelttrådet sirkulært DNA. Deler av dobblettrådet DNA fra blomkålmosaikkvirus danner mikrokromosomer i plantecellekjernen. Den ene DNA-tråden blir transkribert til 35S og 19S RNA transkripter ved hjelp av plantens RNA polymerase II styrt av promoterene 19S og 35 S. Transkriptene går ut i cytoplasma hvor deler oversettes til kappeprotein. Resten av transkriptet oversettes til minustråd DNA katalysert av revers transkriptase. Dette brukes som utgangsmateriale for å lage plusstråd DNA, dobbelttråd DNA og nye viruspartikler. 35S promoteren fra blomkålmosaikkvirus er mye brukt som promoter for å uttrykke gener i genmodifiserte planter.

,

Av Halvor Aarnes
Publisert 4. feb. 2011 13:23 - Sist endret 11. feb. 2011 17:51