Olemme kaikki mutantteja. Jokainen lajimme määrittelevä ominaisuus on seurausta geneettisestä mutaatiosta jossain vaiheessa evoluution historiaa. Ja sama pätee kaikkiin muihin planeetan eliöihin. Silti useimmiten ajattelemme mutaatioita huonoina, vammaisuuteen tai sairauteen johtavina. Kuinka usein nämä DNA:n muutokset ovat haitallisia ja kuinka moni niistä on mahdollisesti hyödyllinen? Uuden tutkimuksen mukaan tappavat mutaatiot saattavat olla paljon harvinaisempia kuin aiemmin luulimme, ainakin bakteereissa.
Useimmat DNA-mutaatiot johtuvat virheistä, jotka tapahtuvat, kun solu tekee kopion kaikesta geneettisestä informaatiostaan, jotta se voi jakautua kahdeksi uudeksi soluksi. E. colin kaltaisten bakteerien on kopioitava noin viisi miljoonaa kirjainta DNA-koodia. Ihmisillä on noin 3,2 miljardia DNA-kirjainta munasoluissa ja siemennesteessä ja kaksinkertainen määrä muissa kehon soluissa.
Hienostuneista kopiointivirheiden havaitsemiseen ja korjaamiseen tarkoitetuista järjestelmistä huolimatta jotkin virheet lipsahtavat toisinaan verkon läpi. Useimmat niistä johtavat niin sanottuihin ”pistemutaatioihin”, koska ne sisältävät vain yhden DNA-kirjaimen muutoksen. Silti nämäkin voivat joskus johtaa suuriin muutoksiin, jotka muuttavat geenejä ja niiden tuottamia proteiineja. Tämä puolestaan voi vaikuttaa siihen, miten elimistö kasvaa tai toimii.
Mutaatiot voivat ohjata evoluutiota, jos ne antavat yksilölle edun, joka tarkoittaa, että yksilö selviytyy todennäköisemmin saamaan lapsia ja siirtämään mutatoituneen geenin eteenpäin. Mahdollisuudet siihen, että satunnaiset mutaatiot miljoonissa tai miljardeissa koodin kirjaimissa ovat hyödyllisiä, voivat tuntua pieniltä. Elämää maapallolla on kuitenkin ollut neljä miljardia vuotta, joten evoluution aikajänteet ovat valtavat.
Mutaatiot voivat kuitenkin aiheuttaa myös vakavia terveysongelmia, joista osa voi myös periytyä. Ranskalaiset tutkijat yrittivät hiljattain selvittää E. coli -bakteeria mallina käyttäen, kuinka usein mutaatiot todella ovat haitallisia. Lydia Roberts ja hänen kollegansa käyttivät nerokasta tekniikkaa, jonka avulla he pystyivät visualisoimaan DNA-muutoksia, jotka tapahtuivat bakteerien varsinaisen jakautumisen aikana.
Tavanomainen tapa arvioida mutaatioiden määrää bakteereissa on kasvattaa bakteereja agar-levyillä, jotka ovat muovisia maljoja, jotka sisältävät mikrobeille tarkoitettua ravinteikasta hyytelöä. Tämän lähestymistavan ongelmana on kuitenkin se, että tappavan mutaation saaneet bakteerit luonnollisesti kuolevat, joten tieto näistä geneettisistä muutoksista katoaa pysyvästi.
Tämän kiertämiseksi ranskalaistutkijat käyttivät pientä sirua, jossa on 1 000 mikroskooppisen pientä kanavaa, joihin syötetään nestemäistä ravinneliemiä. Jokaisen solunjakautumisen jälkeen syntyvät uudet solut pysyvät kanavissa riippumatta haitallisista mutaatioista, jotka saattavat vaikuttaa niiden eloonjäämiseen.
Ryhmä käytti sen jälkeen time-lapse-kuvausta yhdistettynä fluoresoivaan merkkiaineeseen, joka vilkkui aina, kun mutaatio tapahtui. Näin saatiin aikaan vaikuttavia videoita lisääntyvistä, mutaatioita tekevistä bakteereista, jotka muistuttavat tieteiselokuvassa The Matrix esitettyjä koodirivejä.
Science-lehdessä julkaistut tulokset viittaavat siihen, että pistemutaatioita syntyy bakteereissa tasaisella tahdilla, noin yksi 600 tunnin välein. Tutkijoiden yllätykseksi he havaitsivat myös, että vain noin 1 % näistä DNA-muutoksista oli bakteereille tappavia – paljon vähemmän kuin aiemmin luultiin.
Näyttää siltä, että ainakin bakteereissa suurimmalla osalla mutaatioista ei välttämättä ole lainkaan vaikutusta selviytymiseen. Ne eivät ole ”pahoja” eivätkä ”hyviä”, vaan yksinkertaisesti evoluution sivullisia. Tutkijat, jotka pyrkivät ymmärtämään, miten geneettiset mutaatiot aiheuttavat sairauksia ihmisillä, kysyvät samanlaisia kysymyksiä. Ison-Britannian 100 000 genomia -hankkeen kaltaisten suurten hankkeiden tulosten pitäisi auttaa paljastamaan, mitkä mutaatiot aiheuttavat sairauksia ja mitkä ovat merkityksettömiä.
Puolella hyvää ja pahaa
Mutta tiedämme myös, että mutaatioiden luokitteleminen hyviksi tai pahoiksi voi joskus olla hyvin vaikeaa. Usein se riippuu asiayhteydestä, esimerkiksi siitä, auttaako mutaatio organismia käyttämään tiettyä ravinnonlähdettä tai torjumaan elinaikanaan esiintyvää tautia. Jotkin mutaatiot voivat olla hyödyllisiä, jos niistä periytyy vain yksi kopio, mutta haitallisia, jos niistä periytyy kaksi kopiota. Yksi esimerkki geenimutaatiosta, joka on tällaisen ”tasapainottavan valinnan” kohteena, on sirppisolusairaus.
Sirppisolusairautta sairastavilla ihmisillä on geenimutaatio, joka tuottaa muuttuneen muodon hemoglobiinista, punasolujen proteiinista, joka kuljettaa happea ympäri kehoa. Muuttunut hemoglobiini tuottaa pitkiä sirpinmuotoisia verisoluja, jotka voivat juuttua pieniin verisuoniin. Tämä aiheuttaa kipua rintakehässä ja nivelissä sekä anemiaa, lisääntynyttä infektioriskiä ja muita ongelmia.
Mutta näistä potentiaalisesti tuhoisista terveysvaikutuksista huolimatta tauti on suhteellisen yleinen tietyissä maissa. Arviolta 300 000 lasta, jotka perivät kaksi kopiota sirppisolugeenin mutaatiota (yhden kummaltakin vanhemmalta), syntyy vuosittain sairauden kanssa, enimmäkseen Nigeriassa, Kongon demokraattisessa tasavallassa ja Intiassa.
Tämä johtuu siitä, että ihmiset, joilla on yksi kopio mutaatiosta, ovat vastustuskykyisiä malariaa vastaan, joten he selviytyvät todennäköisemmin aikuisikään asti ja siirtävät mutaatiogeenin lapsilleen. Vaikka sirppitauti on evolutiivinen haitta, geenimutaation kantajilla, jotka eivät ole sairastuneet siihen, on eloonjäämisetu maissa, joissa malaria oli (tai on edelleen) yleinen.
Uuden yhdysvaltalaistutkimuksen mukaan kaikki nykyisin sirppitautia sairastavat ihmiset polveutuvat yhdestä ainoasta esi-isästä, joka asui noin 7300 vuotta sitten joko Saharassa tai Länsi- tai Keski-Afrikassa. Tämä osoittaa, miten yksittäinen mutaatio voi levitä moniin, moniin yksilöihin populaatiossa, jos se antaa merkittävää hyötyä, vaikka sillä olisi myös mahdollisuus aiheuttaa haittaa. Vastaavasti on näyttöä siitä, että yksi kopio kystisen fibroosin geenimutaatiosta on saattanut antaa esi-isillemme vastustuskyvyn koleraa vastaan ja että Tay-Sachsin taudin kantajilla on tuberkuloosiresistenssi.
Mutaatioiden vaikutusten paremmalla ymmärtämisellä voi olla suuri merkitys sairauksien hoidossa. Esimerkiksi mutaatioiden määrän tutkiminen eri solutyypeissä voisi valottaa sitä, miten syöpä syntyy kehon eri kudoksissa. Ja bakteerien mutaatiomäärien ymmärtäminen voisi auttaa tutkijoita torjumaan mikrobeja, jotka ovat kehittäneet vastustuskyvyn antibiooteille. Tämä auttaa lopulta aloittamaan lääketieteen uuden aikakauden, jossa monet sairaudet diagnosoidaan ja hoidetaan geneettisen tiedon avulla. Ja sen täytyy olla hyvä asia.