De fleste af de mekanismer, der gennemgås i de følgende, er fælles for alt liv. Det vil sige for såvel bakterier som eukaryoter og archaea. Først når det drejer sig om gen-overførsel (afsnit 3.3), vil det gælde specifikt for bakterier.

3.1 Det centrale dogme - kort om DNA og informationsflow

DNA er det genetiske arvemateriale.  DNA er en lang kæde af nukleotider, hvis skelet består af sukker og phosphatgrupper. Til hver sukkerenhed er der bundet en af baserne A (adenin), T (thymin), G (guanin) eller C (cytosin). De dele af DNA-molekylet, der indeholder genetisk information, kaldes gener. Generne kan oversættes til proteiner, som bestemmer en organismes funktionelle egenskaber. DNA’et danner således grundlaget for, hvordan en organisme ser ud og fungerer.

DNA eksisterer normalt ikke som et enkeltstrenget molekyle, men som en dobbelthelix bestående af to DNA-strenge. Baserne fra hver af strengene parrer sig, så A parrer med T og G parrer med C.

 

Figur 1: DNA's opbygning. Øverst ses DNA som en dobbeltstrenget alfa-helix. Den nederste del af figuren viser, hvordan nukleotidbaserne parrer sig to og to.

Informationsoverførsel fra DNA til protein sker ved hjælp af to processer, der kaldes transkription og translation. Den første proces, transskription, består i, at DNA omskrives til messenger RNA (mRNA). RNA ligner DNA i opbygning. Blot er sukkerenheden en anden, og basen T er erstattet af basen U (uracil). Den næste proces, translation, er en oversættelse af mRNA til protein. Proteiner består af kæder af aminosyrer. Tre nabostillede baser i mRNA oversættes til én aminosyre. Denne sekvens af tre baser kaldes en triplet eller et kodon, og tripletterne koder hver især for en bestemt aminosyre. Nogle af tripletterne koder for samme aminosyre, da der er 64 forskellige tripletter til at kode for 20 aminosyrer (tre af dem er i øvrigt stopkodons). 

Figur 2: Den genetiske kode

Dette kan sammenfattes i det centrale dogme, som netop siger, at DNA koder for produktion af RNA og RNA koder for produktion af proteiner, hvilket er illustreret i figuren nedenfor. I enkelte tilfælde kan RNA kode for DNA, hvilket gælder i retrovirus som f.eks. HIV, men proteiner koder aldrig tilbage til hverken RNA eller DNA. 

Figur 3: Det centrale dogme

3.2 Mutationer

Når bakterier reproduceres, sker det ved, at der først dannes en kopi af DNA-materialet ved DNA-replikation. Samtidigt vokser cellen i størrelse, og derefter deler den sig i to nye bakterieceller, hvorved dattercellerne får hver sin kromosomkopi. De to datterceller er således kloner af den oprindelige.

Man kan måske undre sig over, hvordan der sker evolution af bakterier, når der ved reproduktion af en bakterie blot dannes to kloner af den oprindelige. Evolutionen sker ved hjælp af selektion, efter der er sket mutationer og genetisk rekombination som beskrives i det følgende.

Hvis der sker ændringer i den genetiske kode, dvs. hvis basesekvensen ændres, kan det føre til en ændring af de resulterende proteiners funktion. Dette kan have betydning for organismens overlevelse. Ændringer i den genetiske kode er derfor netop et af principperne bag evolution.

Mutationer er ændringer i basesekvensen i DNA, som f.eks. kan forekomme ved fejl i DNA-replikationen. Under DNA-replikation deles DNA-molekylet op i to enkelte strenge, som hver fungerer som skabelon for et nyt DNA-molekyle. Enzymet DNA-polymerase indsætter nukleotider som ”baseparrer” med DNA-skabelonen. Mutationerne kan forekomme under DNA-replikation, hvis der indsættes en forkert nukleotidbase.

3.2.1 Punktmutationer

En punktmutation er en substitution af et basepar og sker ved, at der indsættes et forkert basepar i DNA-sekvensen. Dette kan enten føre til en ændring eller en bibeholdelse af en aminosyre, når det ændrede mRNA oversættes (translateres). Mutationer kan også forekomme på områder, der ikke translateres.

Når punktmutationen ikke fører til en ændring af den pågældende aminosyre, betegnes mutationen som "silent" eller synonym. En "silent" punktmutation kan finde sted, da der er flere mRNA-tripletter, der koder for samme aminosyre. For eksempel koder UAU og UAC begge for aminosyren tyrosin.

Når punktmutationen derimod fører til en ændring af en aminosyre, betegnes mutationen som "missense" eller nonsynonym. Nonsynonyme mutationer kan ødelægge funktionen af et protein og dermed give alvorlige konsekvenser, men ofte reducerer mutationerne blot proteinets effektivitet. Nonsynonyme mutationer kan endda føre til forbedring af proteinets funktionelle effektivitet.

En anden form for punktmutationer er en "nonsense" mutation, som er en mutation i et kodon. Dette kodon bliver til et stopkodon, og derved stoppes translationen. Mutationen betegnes nonsense, da translationen stopper for tidligt og dermed giver et forkortet protein. Med mindre mutationen sker meget tæt på enden af genet, vil det resulterende protein være komplet inaktivt.

Figur 4: De forskellige punktmutationer

3.2.2 Frame-shift mutationer

Mutationer kan også forekomme, når der indsættes eller fjernes en eller flere baser. En indsættelse af en eller flere baser kaldes en ”insertion”, mens ”deletion” er betegnelsen, når der fjernes en eller flere baser. Begge situationer kan føre til ”frame-shift” mutationer.

Da den genetiske information bliver læst i blokke af tre basepar, er der tre måder, hvorpå man kan læse et stykke af DNA-enkeltstrengene. Disse måder kaldes læserammer. Hvis man starter med den første base i DNA-stykket, vil det give en bestemt læseramme. Dette vil resultere i én peptidkæde, der svarer til de aminosyrer, der kommer ud af denne læsning. Hvis man derimod starter med anden eller tredje base, vil det give to helt anderledes peptidkæder. En start ved fjerde base vil give samme peptidkæde som den første, blot mangler den første aminosyre. Der er i alt seks forskellige læserammer på et dobbeltstrenget DNA-molekyle – tre på hver streng.

Figur 5: Illustration af de tre forskellige læserammer på en DNA-enkeltstreng

En frame-shift mutation vil føre til en ny læseramme (deraf navnet) og dette fører næsten altid til ikke-funktionelle proteiner.

3.2.3 Hvorfor der sker mutationer

Mutationerne kan ske spontant. Her sker ændringerne i det genetiske materiale uden ydre påvirkning og mutationerne skyldes udelukkende fejl i cellens processer. Et eksempel herpå er som tidligere nævnt DNA-polymerasen, som kan lave fejl i replikationen, hvor der f.eks. indsættes et T i stedet for et G, hvilket resulterer i en punktmutation.

Mutationerne kan også være forårsaget af ydre faktorer, kaldt mutagener. Dette kan være kemikalier, som ændrer nukleotidbaserne. For eksempel findes der i cigaretrøg et kemikalie, som tilføjer en stor kemisk gruppe til nukleotidbasen G og dermed gør den utilgængelig for baseparring. Når DNA-polymerasen møder en modificeret G, indsætter den en tilfældig af de fire forskellige baser, og dermed kan der opstå en punktmutation. Mutagener øger frekvensen af mutationer, men ikke tilfældigheden for, hvor de opstår.

Mange af mutationerne, når dog ikke at få betydning, fordi cellerne besidder tre forskellige DNA-reparationsmekanismer. Den første er korrekturlæsning, som følger DNA-polymerasen og reparerer de fleste af de fejl, som DNA-polymerasen forårsager. En anden mekanisme er "mismatch repair", som tjekker, om alle baserne passer sammen. Dette kunne f.eks. være, hvis A var blevet parret med C i stedet for T. Til sidst er der "excision repair", som er en mekanisme, der fjerner abnorme baser, som er blevet dannet på grund af kemikalier.

3.3 Gen-overførsel

Ind til videre er det blevet diskuteret, hvordan en enkelt bakteriecelle eller en anden celle kan ændre sig ved hjælp af mutationer. Nu betragtes,, hvordan to forskellige bakterier kan udveksle genetisk information, dvs. hvordan en egenskab hos en bakterie kan overføres til en anden. Denne udveksling kaldes krydset evolution. Krydset evolution er en vigtig del af evolutionen, da fremstående egenskaber som f.eks. antibiotika-resistens kan overføres mellem bakterier.

Når mennesket formerer sig, sker det seksuelt. Det vil sige, at to mennesker parrer sig og danner et nyt afkom med et genom, der er en kombination af de to oprindelige genomer. Genomet for et afkom kan altså både ændre sig ved hjælp af mutationer og genetisk rekombination. Dette gælder også for bakterier.

Når bakterier formerer sig, sker det ved, at der dannes en klon af en bakterie, ved at bakteriecellen danner en kopi af sit eget DNA og derefter deler sig i to nye celler. Det er tidligere beskrevet, hvordan mutationer kan føre til ændringer i genomet blandt andet ved fejl i DNA-replikationen, men man kan måske undre sig over, hvordan der kan ske krydset evolution (genetisk rekombination) blandt bakterierne, når nu de ikke formerer sig seksuelt. I næste afsnit beskrives det, hvordan der kan forekomme gen-overførsel mellem bakterier.

3.3.1 Gen-overførsel i bakterier

Der er tre mekanismer, hvorved der kan ske gen-overførsel mellem bakterier. Én mekanisme er transformation hvor en bakterie optager frit DNA fra det omkringliggende miljø. DNA’et kan stamme fra en anden bakterie, som er død. En anden mekanisme er transduktion, hvor der overføres DNA fra én bakterie til en anden bakterie via en bakteriofag dvs. en viruspartikel.  Mekanismerne bag transformation og transduktion er illustreret i figur 6 og 7.

Figur 6: Transformation. En død bakterie frigiver DNA-fragmenter. Et af DNA-fragmenterne optages af en levende bakterie og bliver sat ind i denne bakteries kromosom.

Figur 7: Transduktion. En viruspartikel frigiver sit DNA i en bakteriecelle, hvorefter viruspartiklens DNA kopieres. Efter kopiering af virus-DNA og produktion af andre nødvendige viruskomponenter pakkes virus-DNA. Ved en fejl pakkes også noget bakterie-DNA, som herefter kan overføres til en ny bakteriecelle.

 

Til sidst er der konjugation som er overførsel af genmateriale ved hjælp af plasmider, idet to bakterier smelter sammen. Plasmider er genelementer som eksisterer frit inde i bakterieceller, typisk små og cirkulære. Plasmider adskiller sig fra kromosomer, idet de kun bærer på ikke-essentieller gener. Dvs. cellerne kan godt overleve uden de gener, der bliver udtrykt af plasmidet, men generne er ofte meget nyttige for bakterien. Plasmiderne bærer alle på gener, der sørger for selvreplikation, så plasmiderne uafhængigt af resten af cellen kan lave kopier af sig selv. De plasmider, der kan føre til konjugation, bærer desuden på en række af gener, der betegnes tra-regionen. Tra-regionen gør det muligt for plasmiderne at transportere en kopi af sig selv ind i en anden celle. Mange af generne i tra-regionen er involveret i syntese af sexpilus, som er en overfladestruktur, der trækker de to konjugerende celler sammen.

Ud over gener, der koder for selvreplikation og transport, kan plasmider indeholde gener som udtrykker specielle egenskaber hos en bakterie. Dette kan for eksempel være gener, der udtrykker antibiotika-resistens. Nogle af de mest kendte plasmider er netop plasmider der bærer på resistensgener. Disse plasmider betegnes R-plasmider.

Figur 8: Illustration af konjugation. Øverst vises et plasmid, hvor det violette fragment markerer et gen, der gør, at plasmidet er i stand til at kopiere sig selv. En bakteriecelle indeholdende plasmider danner en kanal med med en anden bakterie celle, hvorefter plasmiderne kan overføres. Efter overførsel ses, at plasmiderne kopierer sig selv i de to bakterier.

Det er ikke alle bakterier som kan blive udsat for transformation, transduktion og konjugation. Transformation kræver et bestemt protein til at transportere frit DNA hen over cellemembranen, og konjugation kræver som tidligere nævnt, at cellerne indeholder plasmider med en tra-region.

3.4 Betydning af mutationer og genetisk rekombination

Mutationer er vigtige for bakteriernes evolution, da mutationerne kan ændre vigtige proteiners funktion og dermed have betydning for en bakteries overlevelse. Ændringer, som fører til, at bakterierne har en overlevelsesmæssig fordel, kan observeres ved hjælp af selektion. En punktmutation kan for eksempel føre til ødelæggelse af et proteins funktion, og hvis dette proteins funktion er at transportere antibiotika ind i cellen, kan en sådan mutation dermed føre til antibiotika-resistens.

Ud over mutationer, spiller genetisk rekombination en vigtig rolle i evolutionen, da der ved genetisk rekombination kan overføres hele gener, som kan give vigtige egenskaber hos recipienten.

Læs mere:

Om DNA, gener og kromosomer

Et link fra Novozymes' hjemmeside, hvor der gives en generel beskrivelse af DNA, gener og kromosomer.