Apa itu mutasi?
Mutasi adalah perubahan dalam urutan genetik, dan merupakan penyebab utama keanekaragaman di antara organisme. Perubahan ini terjadi pada banyak tingkatan yang berbeda, dan dapat memiliki konsekuensi yang sangat berbeda.
Dalam sistem biologis yang mampu bereproduksi , pertama-tama kita harus berfokus pada apakah sistem tersebut dapat diwariskan; khusus, beberapa mutasi hanya mempengaruhi individu yang membawa mereka, sementara yang lain mempengaruhi semua operator organisme ‘s keturunan , dan keturunan selanjutnya.
Agar mutasi genetik mempengaruhi keturunan suatu organisme, mutasi harus: 1) terjadi dalam sel yang menghasilkan generasi berikutnya, dan 2) mempengaruhi materi keturunan. Pada akhirnya, interaksi antara mutasi yang diturunkan dan tekanan lingkungan menghasilkan keragaman di antara spesies .
Meskipun ada berbagai jenis perubahan molekuler, kata ” mutasi ” biasanya mengacu pada perubahan yang memengaruhi asam nukleat. Dalam organisme seluler, asam nukleat ini adalah bahan penyusun DNA , dan di dalam virus asam nukleat adalah bahan penyusun DNA atau RNA .
Satu cara untuk memikirkan DNA dan RNA adalah bahwa mereka adalah zat yang membawa memori jangka panjang dari informasi yang dibutuhkan untuk reproduksi organisme .
Artikel ini berfokus pada mutasi pada DNA, meskipun kita harus ingat bahwa RNA pada dasarnya tunduk pada kekuatan mutasi yang sama.
Jika mutasi terjadi pada sel non-germline, maka perubahan tersebut dapat dikategorikan sebagai mutasi somatik. Kata somatik berasal dari kata Yunani soma yang berarti “tubuh”, dan mutasi somatik hanya mempengaruhi tubuh organisme saat ini.
Dari perspektif evolusioner, mutasi somatik tidak menarik, kecuali jika terjadi secara sistematis dan mengubah beberapa sifat dasar individu – seperti kemampuan untuk bertahan hidup.
Misalnya, kanker adalah mutasi somatik yang berpotensi mempengaruhi kelangsungan hidup organisme tunggal. Sebagai fokus yang berbeda, teori evolusi sebagian besar tertarik pada perubahan DNA dalam sel yang menghasilkan generasi berikutnya.
Apakah Mutasi Genetik Terjadi Secara Acak?
Pernyataan bahwa mutasi genetik itu acak adalah sangat benar dan sangat tidak benar pada saat yang bersamaan. Aspek sebenarnya dari pernyataan ini berasal dari fakta bahwa, sejauh pengetahuan kami yang terbaik, konsekuensi mutasi tidak memiliki pengaruh apa pun terhadap kemungkinan mutasi ini akan atau tidak akan terjadi.
Dengan kata lain, mutasi terjadi secara acak sehubungan dengan apakah efeknya berguna. Dengan demikian, perubahan DNA yang menguntungkan tidak terjadi lebih sering hanya karena organisme dapat mengambil manfaat darinya.
Selain itu, bahkan jika suatu organisme memperoleh mutasi yang menguntungkan selama masa hidupnya, informasi terkait tidak akan mengalir kembali ke DNA di garis benih organisme tersebut. Ini adalah wawasan mendasar bahwa Jean-Baptiste Lamarck salah dan Charles Darwin benar.
Namun, gagasan bahwa mutasi itu acak dapat dianggap tidak benar jika seseorang mempertimbangkan fakta bahwa tidak semua jenis mutasi terjadi dengan probabilitas yang sama. Sebaliknya, beberapa terjadi lebih sering daripada yang lain karena lebih disukai oleh reaksi biokimia tingkat rendah.
Reaksi-reaksi ini juga menjadi alasan utama mengapa mutasi merupakan sifat tak terhindarkan dari sistem apa pun yang mampu bereproduksi di dunia nyata. Tingkat mutasi biasanya sangat rendah, dan sistem biologis berusaha sangat keras untuk menjaganya serendah mungkin, terutama karena banyak efek mutasi yang berbahaya.
Meskipun demikian, tingkat mutasi tidak pernah mencapai nol, meskipun mekanisme perlindungan tingkat rendah, seperti perbaikan DNA atau proofreading selama replikasi DNA., dan mekanisme tingkat tinggi, seperti deposisi melanin di sel kulit untuk mengurangi kerusakan radiasi . Melampaui titik tertentu, menghindari mutasi menjadi terlalu mahal bagi sel. Dengan demikian, mutasi akan selalu hadir sebagai kekuatan yang kuat dalam evolusi .
Jenis Mutasi genetik
Berbeda dengan mutasi nonsynonymous, mutasi sinonim tidak mengubah urutan asam amino, meskipun mutasi terjadi, menurut definisi, hanya dalam urutan yang mengkode asam amino.
Mutasi sinonim terjadi karena banyak asam amino dikodekan oleh banyak kodon. Pasangan basa juga dapat memiliki sifat pengatur yang beragam jika mereka berada di intron , daerah intergenik, atau bahkan dalam urutan pengkodean gen .
Untuk beberapa alasan historis, semua kelompok ini sering dimasukkan dengan mutasi sinonim di bawah label mutasi “diam”. Bergantung pada fungsinya, mutasi diam seperti itu dapat berupa apa saja dari yang benar-benar sunyi hingga sangat penting, yang terakhir menyiratkan bahwa urutan kerja dijaga konstan dengan memurnikan seleksi. Ini adalah penjelasan yang paling mungkin untuk keberadaan elemen nonkode ultrakonservasi yang bertahan selama lebih dari 100 juta tahun tanpa perubahan substansial, seperti yang ditemukan dengan membandingkan genom beberapa vertebrata (Sandelin et al ., 2004).
Mutasi juga dapat berupa penyisipan atau penghapusan, yang bersama-sama dikenal sebagai indel. Indel dapat memiliki panjang yang sangat bervariasi. Pada akhir spektrum yang pendek, indel dari satu atau dua pasangan basa dalam urutan pengkodean memiliki efek terbesar, karena mereka pasti akan menyebabkan pergeseran bingkai (hanya penambahan satu atau lebih kodon pasangan basa tiga akan menjaga protein kira-kira utuh. ).
Pada tingkat menengah, indel dapat memengaruhi bagian-bagian genatau seluruh kelompok gen. Pada tingkat terbesar, seluruh kromosom atau bahkan seluruh salinan genom dapat dipengaruhi oleh penyisipan atau penghapusan, meskipun mutasi semacam itu biasanya tidak lagi dimasukkan ke dalam label indel.
Pada tingkat tinggi ini, dimungkinkan juga untuk membalikkan atau mentranslokasi seluruh bagian kromosom, dan kromosom bahkan dapat berfusi atau pecah. Jika sejumlah besar gen hilang akibat salah satu proses ini, maka akibatnya biasanya sangat berbahaya. Tentu saja, sistem genetik yang berbeda bereaksi berbeda terhadap peristiwa semacam itu.
Terakhir, sumber mutasi lainnya adalah berbagai jenis elemen transposabel, yang merupakan entitas kecil DNA yang memiliki mekanisme yang memungkinkannya untuk bergerak di dalam genom. Beberapa dari elemen ini menyalin dan menempelkan dirinya sendiri ke lokasi baru, sementara yang lain menggunakan metode potong-dan-tempel.
Gerakan tersebut dapat mengganggu fungsi gen yang ada (dengan memasukkan di tengah gen lain), mengaktifkan fungsi gen yang tidak aktif (dengan eksisi sempurna dari gen yang dimatikan oleh penyisipan sebelumnya), atau kadang-kadang menyebabkan produksi gen baru (dengan menempelkan materi dari gen yang berbeda secara bersamaan).
Pengaruh Mutasi
Mutasi tunggal dapat berdampak besar, tetapi dalam banyak kasus, perubahan evolusioner didasarkan pada akumulasi banyak mutasi dengan efek kecil. Efek mutasi dapat menguntungkan, merugikan, atau netral, tergantung pada konteks atau lokasinya. Sebagian besar mutasi non-netral merusak. Secara umum, semakin banyak pasangan basa yang dipengaruhi oleh suatu mutasi, semakin besar efek mutasi tersebut, dan semakin besar kemungkinan mutasi tersebut merusak.
Untuk lebih memahami dampak mutasi, para peneliti telah mulai memperkirakan distribusi efek mutasi (DME) yang mengukur berapa banyak mutasi yang terjadi dengan efek apa pada properti tertentu dari sistem biologis.
Dalam studi evolusi, properti yang menarik adalah kebugaran , tetapi dalam biologi sistem molekuler, properti lain yang muncul mungkin juga menarik. Sangat sulit untuk mendapatkan informasi yang dapat dipercaya tentang DME, karena efek yang sesuai mencakup banyak urutan besarnya, dari mematikan hingga netral hingga menguntungkan; Selain itu, banyak faktor perancu yang biasanya memperumit analisis ini.
Lebih sulit lagi, banyak mutasi juga berinteraksi satu sama lain untuk mengubah efeknya; fenomena ini disebut sebagai epistasis. Namun, terlepas dari semua ketidakpastian ini, penelitian baru-baru ini berulang kali menunjukkan bahwa sebagian besar mutasi memiliki efek yang sangat kecil (Gambar 1; Eyre-Walker & Keightley, 2007).
Tentu saja, lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk mendapatkan informasi yang lebih rinci tentang DME, yang merupakan properti fundamental yang mengatur evolusi setiap sistem biologis.
Memprediksi Tingkat Mutasi
Banyak metode langsung dan tidak langsung telah dikembangkan untuk membantu memperkirakan laju berbagai jenis mutasi pada berbagai organisme.
Kesulitan utama dalam memperkirakan tingkat mutasi melibatkan fakta bahwa perubahan DNA adalah peristiwa yang sangat langka dan hanya dapat dideteksi dengan latar belakang DNA yang identik. Karena sistem biologis biasanya dipengaruhi oleh banyak faktor, perkiraan tingkat mutasi secara langsung diperlukan.
Perkiraan langsung biasanya melibatkan penggunaan silsilah yang diketahuidi mana semua keturunan mewarisi urutan DNA yang terdefinisi dengan baik. Untuk mengukur tingkat mutasi dengan menggunakan metode ini, pertama-tama kita perlu mengurutkan banyak pasangan basa dalam wilayah DNA ini dari banyak individu dalam silsilah, menghitung semua mutasi yang diamati.
Pengamatan ini kemudian digabungkan dengan jumlah generasi yang menghubungkan individu-individu ini untuk menghitung tingkat mutasi secara keseluruhan (Haag-Liautard et al ., 2007). Estimasi langsung tersebut tidak boleh disalahartikan dengan estimasi laju substitusi selama rentang waktu filogenetik.
Ringkasan
Referensi dan Bacaan yang Direkomendasikan
Drake, JW, dkk . Tingkat mutasi spontan. Genetika 148 , 1667–1686 (1998)
Eyre-Walker, A., & Keightley, PD Distribusi efek kebugaran mutasi baru. Nature Reviews Genetics 8 , 610–618 (2007) doi: 10.1038 / nrg2146 ( tautan ke artikel )
Haag-Liautard, C., dkk . Estimasi langsung tingkat mutasi per nukleotida dan genom yang merusak di Drosophila . Nature 445 , 82–85 (2007) doi: 10.1038 / nature05388 ( tautan ke artikel )
Loewe, L., & Charlesworth, B. Menyinggung distribusi efek mutasi pada kebugaran di Drosophila . Biology Letters 2 , 426–430 (2006)
Lynch, M., dkk . Perspektif: Mutasi merusak secara spontan. Evolusi 53 , 645–663 (1999)
Orr, HA Teori adaptasi genetik: Sejarah singkat. Nature Review Genetics 6 , 119–127 (2005) doi: 10.1038 / nrg1523 ( link to article )
Sandelin, A., dkk . Susunan daerah non-pengkodean ultrakonservasi menjangkau lokus gen perkembangan kunci dalam genom vertebrata. BMC Genomics 5 , 99 (2004)