Genetisk variation

Butterfly, Insekt, Vingar, Lepidoptera, Färg, Snygg

Genetisk variation är ett mått på hur genetiskt olika individer är inom en art eller en population, och betraktas som en nivå av biologisk mångfald. Genom Konventionen om biologisk mångfald, som är en del av FN:s miljöprogram, har Sverige liksom 195 andra länder förbundit sig att bevara den biologiska mångfalden i landet på ekosystem-, art- och gennivå.

Genetisk variation är grunden för evolution och anpassning. Om alla individer inom en art eller population är genetiskt lika kommer de att vara känsliga för samma förändringar i miljön. Ett nytt virus eller ett varmare klimat skulle då slå hårt mot hela gruppen. Med en högre grad av genetisk variation ökar chansen att några individer har just de egenskaper som krävs för att anpassa sig till en förändrad livsmiljö. Det är därför en slags försäkring för artens, eller populationens, överlevnad.

Faktorer som gynnar genetisk variation

Mutationer kan ge upphov till helt nya varianter av gener och därmed nya egenskaper. För att en mutation ska ha en chans att spridas i en population eller art, så måste den ha uppkommit i en könscell. Då blir mutationen ärftlig. Mutationen ska helst vara fördelaktig för att få spridning, och öka bärarens chanser till att överleva och få avkomma. När mutationer uppkommer i en individs vanliga kroppsceller, så kallade somatiska mutationer, ärvs de visserligen vidare till andra celler genom celldelning, men stannar i individen.

Ett trettiotal mutationer ligger bakom undulaters stora färgrikedom.

Så uppstår mutationer

Inför varje celldelning kopieras allt DNA i cellen så att de nya cellerna får en egen kopia av den genetiska informationen. Ibland gör cellen misstag som den försöker att reparera. Vid ungefär var tionde celldelning misslyckas reparationen och misstaget blir en bestående del av DNA-sekvensen. En mutation har då uppkommit.

Mutationer kan också uppstå när cellen försöker laga skador på DNA-molekylen. Skadorna kan orsakas av yttre påverkan från till exempel exponering för vissa kemikalier eller strålning. Mutationer kan också orsakas av en typ av virus, så kallade retrovirus, som fogar in sitt DNA i värdens genom.

Olika sorters mutationer

En mutations effekt beror också på vilken sorts mutation det är och var i arvsmassan den uppstår. Vissa typer av mutationer “rör om” mer än andra.

  • Substitutioner, eller enbaspolymorfier som på engelska kallas Single Nucleotid Polymorphisms eller förkortat, SNPs. En substitution kan till exempel innebära att basparet A-T förändras till C-G. De tillhör de minsta mutationerna och kallas för punktmutationer.
  • Insertioner är också en punktmutation som innebära att enstaka nukleotider lagts till.
  • Deletioner kan vara punktmutationer och innebära att enstaka nukleotider försvunnit, eller större delar av kromsomen.
  • Inversion innebär att delar av kromosomen har hamnat åt fel håll så att DNA-sekvensen blir bakvänd.
  • Vid en translokation har en bit av kromsomen bytt plats och hamnat på en annan kromosom.
  • En duplikation innebär att en bit av kromosomen kopierats upp så att den upprepas. Uppstår många kopior av samma sekvens kallas det för kopitalsvariation (på engelska Copy Number Variation, CNV).

De största mutationerna innefattar hela kromosomer. Ett välkänt exempel är trisomi på kromosom nummer 21 som är kopplat till Down syndrom. Det finns då tre istället för två kopior av kromosomen. Om alla kromosomer finns i fler än två kopior, till exempel tre (triploid) eller fyra (tetraploid) överlever oftast inte organismen. Ett undantag är vissa växter som kan vara polyploida utan att ta skada.

Illustration som visar hur större mutationer som involverar hela eller delar av kromosomer kan se ut.
Exempel på större mutationer som innefattar hela, eller delar av, kromosomer. Illustration och Copyright: Gunilla Elam

Effekten av mutationer beror på var de uppstår

Det en gen finns informationen om hur proteiner ska tillverkas i exonerna. Om en mutation uppstår i en exon kan den leda till att proteinet genen kodar för blir felaktigt tillverkat, eller inte tillverkat alls. Även mutationer så kallade ”splice sites” kan förändra proteinets uppbyggnad. En “splice site” i DNA motsvarar det ställe i mRNA-molekylen där introner normalt klipps bort inför proteintillverkningen. En mutation vid ett sådant ställe kan leda till att ett intron ingår i den färdiga mRNA-molekylen och proteinet blir felaktigt tillverkat.

Mutationer i geners intron-sekvens eller i regionerna mellan gener, får vanligtvis ingen effekt alls men det finns undantag. Om en mutation uppkommer i ett område som styr genuttryck kan den påverka hur mycket protein som tillverkas. Till dessa områden hör till exempel geners promotorregion dit RNA-polymeras II och transkriptionsfaktorer binder och startar transkriptionen.

Mutationers påverkar inte alltid proteinet

I styckena ovan delas mutationer in beroende på hur de ser ut och var de uppstår i genomet. Ett annat sätt att dela in dem är genom att benämna hur de påverkar själva aminosyrasekvensen och därmed proteinets uppbyggnad. Tre och tre bildar nukleotiderna i DNA, som vid proteintillverkningen representeras av mRNA, ett så kallat kodon. Varje kodon översätts med en aminosyra.

En tyst mutation märks inte

En tyst mutation ändrar DNA- men inte aminosyrasekvensen. Det kan ske eftersom flera kodon översätts med samma aminosyra. Till exempel så översätts både kodon AGU och AGC med aminosyran serin. En punktmutation som ändrar U till C påverkar därför inte aminosyrasekvensen och proteinet förblir oförändrat. Mutationen märks alltså inte.

Missense och nonsense ändrar aminosyrasekvensen

Om en punktmutation istället leder till att aminosyrasekvensen förändras kallas den för en missense-mutation. En sådan mutation ändrar proteinets uppbyggnad och kanske dess funktion beroende på vilken del av proteinet som förändrats. Punktmutationer kan även vara nonsense-mutationer som ändrar ett kodon som vanligtvis översätts med en aminosyra till ett stopp-kodon. Detta leder till att proteinet blir för litet.

En frameshift mutation ändrar läsramen

En indel-mutation lägger till eller tar bort nukleotider. Uppkommer en sådan i en exon kan det också innebära att aminosyror läggs till eller tas bort från proteinet. Det sker när antalet nukleotider i en indel är delbart med tre och alltså motsvarar ett eller flera kodon. Om antalet inte är delbart med tre så sker istället en förskjutning av hela sekvensen och alla kodon som följer efter mutationen blir förändrade.  En sådan mutation kallas för en frameshift indel som på svenska ungefär betyder läsramsförskjutning.

Illustration av punktmutationer.
En “normal” DNA-sekvens (A) efterföljs i illustrationen av tre olika punktmutationer. Substitutionen (B) är en så kallad missensmutation eftersom den ändrar vilken aminosyra som kommer sättas in i proteinet. Deletionen och insertionen (C och D) resulterar båda i en störning av läsramen och ändrar alla efterföljande aminosyror vilket kan ha stora effekter på proteinet. Copyright: Gunilla Elam

Vid sexuell förökning gynnas den genetiska variationen på flera sätt. Dels genom det uppenbara i att föräldrarnas DNA blandas i avkomman, men också därför att alla könsceller är unika. Detta leder också till att helsyskon kan vara väldigt olika varandra. Att könsceller är unika beror på homolog rekombination och oberoende nedärvning. Båda dessa företeelser är en del av den celldelningsprocess som leder till att könsceller bildas.

Vid meios, eller reduktionsdelning bildas ur en diploid cell fyra haploida könsceller. När könscellerna smälter samman under reproduktionen bildas en ny diploid cell som är början på ett nytt liv. Hos oss människor finns det i en diploid cell totalt 46 kromosomer, 23 har ärvts från mamman och 23 från pappan. De kromosomer från vardera förälder som är identiska i fråga om storlek, form och typ av gener bildar ett homologt kromosompar.

Med överkorsning blandas DNA om

Inför varje celldelning kopieras allt DNA så att alla celler får var sin kopia av genomet. Under meiosen, när kromosomerna precis har kopierats ligger de på rad i cellkärnan. Homologa kromosomer ligger bredvid varandra och det sker då ett utbyte av DNA dem emellan. Även om generna är samma så kan allelerna vara olika vilket leder till en omflyttning av alleler. Detta kallas för överkorsning eller homolog rekombination.

Under överkorsningen kan utbytet av DNA vara rent fysiskt och innebära att DNA-sekvenser klipps ut byter plats. En DNA-sekvens kan också kopieras från den ena kromosomen och klistras in i den andra, utan att den kopierade strängen ändras. Efter överkorsningen separeras kromosomerna och hamnar i var sin könscell. Nya alleler uppkommer inte genom överkorsning men omflyttningen av alleler leder till att varje könscell är unik. Det är förklaringen till att helsyskon kan vara ganska olika varandra.

Överkorsning sker när könsceller bildas och leder till nya kombinationer av alleler. Illustration och Copyright: Gunilla Elam

Bakterier byter DNA mellan sig med rekombination

Homolog rekombination förekommer också hos bakterier och jästsvampar trots att de inte har könsceller utan förökar sig asexuellt genom delning. Rekombinationen hos dessa organismer kallas för horisontell genöverföring och kan gynna båda individerna som deltar i utbytet, eller bara en. Det finns även exempel när det skett en överföring av DNA mellan arter.

Somatiska celler använder homolog rekombination för att reparera skadat DNA. Vid exponering för vissa kemikalier eller strålning kan DNA i utsatta celler blir skadat och dubbelsträngen går av. Genom homolog rekombination kan DNA-strängarna fogas samman igen men det finns en risk att lagningen inte blir perfekt. Då kan skadliga mutationer uppstå.

Plats-specifik rekombination

Omflyttningar av DNA kan också ske i specifika delar av genomet och gynna genetisk variation. Det kallas för plats-specifik rekombination.

V(D)J rekombination, ett exempel på platsspecifik rekombination

V(D)J rekombination sker kontinuerlig vid bildandet av vissa immunceller och gör att immunförsvaret snabbt kan slå ut till exempel virusinfektioner. Den här typen av platsspecifik rekombination förekommer bara hos ryggradsdjur och är ett signum för den adaptiva delen av vårt immunförsvar, som minns infektioner vi redan haft. Till det adaptiva immunförsvaret hör bland annat B- celler och T-celler.

Illustration av en T-cell som attackerar en cancercell
T-cell som attackerar en cancercell.

När B-celler och T-celler bildas sker något som heter V(D)J rekombination. Det är en omkastning av gensegment som gör att T-cellernas receptorer och B-cellernas antikroppar har väldigt stor repertoar av igenkänningsytor. Segmenten heter V (variable), D (diversity) och J (joining), därav benämningen V(D)J rekombination. På det här sättet kan T-celler och antikroppar upptäcka många olika antigen, eller tecken på att några egna celler inte beter sig normalt. Ett exempel på celler som inte beter sig normalt är cancerceller. När en T-cell eller en antikropp hittar något främmande eller konstigt skickas signaler till resten av immunförsvaret och en reaktion aktiveras med syfte att eliminera hotet.

Transposition

Transposition är en annan typ av rekombination som ökar den genetiska variation. Egentligen är transposition en typ av mutation som innebär att rörliga DNA-sekvenser, så kallade transposoner, fogar in sig på nya platser i genomet. Om en transposon infogas i en gen ger det ofta negativa konsekvenser. De flesta transposoner ligger i de icke-kodande regionerna av genomet. Ett undantag är en handfull gener som verkar ha sitt ursprung i transposoner, till exempel generna Rag1 och Rag2 som kodar för de enzymer som driver V(D)J rekombination (som beskrivs i stycket ovan).

Genetisk variation ökar genom så kallat genflöde, som innebär ett utbyte av genetiskt material genom att individer rör sig mellan populationer. Det kan vara en fågel som häckar på ett nytt ställe med nya artfränder, eller ett pollenkorn som färdas med vinden från en ö till en annan. Genflöde kallas även för migration. Nya alleler kan introduceras till en population genom genflöde och på så sätt öka den genetiska variationen inom populationen. Mellan populationer minskar samtidigt den genetiska variationen och de blir mer lika.

Faktorer som minskar genetisk variation

Genetisk drift

Ett stort hot mot en arts, eller populations, genetiska variation är dess storlek. Större grupper har oftast mer genetisk variation än små. Det beror bland annat på att små populationer har en ökad risk att slumpmässigt förlora genetisk variation över tid. Det kallas för genetisk drift och betyder förenklat att ovanliga alleler försvinner över tid, och vanliga fixeras.

Flaskhals- och grundareffekt

Om en population minskat drastiskt i antal till följd av till exempel en miljökatastrof eller ett sjukdomsutbrott, så minskar samtidigt den genetisk variationen. Det kallas för en flaskhalseffekt. Om antalet individer understiger ‘minsta livskraftiga population’ så dör den på sikt ut. Om den istället återhämtar består den genetiska variationen i populationen av de alleler som fanns hos överlevarna.

Illustration av en flaskhalseffekt.
Efter en flaskhalseffekt har populationen minskat i antal och förlorat genetisk variation. Illustration och Copyright: Gunilla Elam.

På ett liknande sätt har en ny population som grundats av ett fåtal individer också låg genetisk variation. Det kallas just för grundareffekt. Exempelvis kan det ske om ett par fåglar, insekter, eller ett frö från en växt, koloniserar en ny ö där arten inte tidigare fanns.

Vid en grundareffekt har en ny populationen låg genetisk variation eftersom den startats av ett fåtal individer. Illustration och Copyright: Gunilla Elam.

Små populationer och inavel

I en liten population är också inavel vanligare, alltså att genetiskt lika individer får en gemensam avkomma. Det kan dels leda till en fixering av vanligare alleler och därmed minskad genetisk variation, men också att skadliga recessiva alleler blir vanligare och påverkar fenotypen. Dessa kan orsaka genetiska sjukdomar eller defekter och skulle lättare ha försvunnit ur en stor population där trycket från naturlig selektion är starkare.