Evolution blandt bakterier
De fleste af de mekanismer der gennemgås i det følgende er fælles for alt liv. Det vil sige for såvel bakterier som eukaryoter og archaea. Kun afsnittet om gen-overførsel gælder specifikt for bakterier.
DNA og gener
DNA er det genetiske arvemateriale. DNA er en lang kæde af nukleotider. Skelettet består af sukker og phosphatgrupper. Til hver sukkerenhed er der bundet en af baserne A (adenin), T (thymin), G (guanin) eller C (cytosin). DNA eksisterer normalt ikke som et enkeltstrenget molekyle, men som en dobbelthelix bestående af to antiparallelle DNA-strenge. Baserne fra hver af strengene sidder altid i bestemte par, så A parrer med T og G parrer med C. Kun de dele af DNA-molekylet som 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.
Det centrale dogme
Informationsoverførslen fra DNA til protein sker via to processer kaldet transkription og translation. Den første proces, transkription, består af 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. Sekvensen af tre baser kaldes en triplet eller et kodon, og koder hver især for én bestemt aminosyre. Da der er 64 forskellige tripletter til at kode for 20 aminosyrer, koder nogle af tripletterne for samme aminosyre. Desuden er tre af de 64 kodons stopkodons, som ikke koder for en aminosyre, men stopper translationen.
Dette sammenfattes i det centrale dogme, som siger at informationsflowet går fra DNA, hvis information skrives over på mRNA, og videre til protein, ved at mRNA koder for produktion af proteiner.
Figur 3. DNA’s opbygning. Øverst ses DNA som en dobbeltstrenget alfa-helix. Den nederste del af figuren viser hvordan nukleotidbaserne parrer sig to og to.
Dette er illustreret på figur 5. Pilen som peger tilbage på DNA illustrerer processen replikation, hvor et DNA-molekyle kopieres til to ens DNA-molekyler. Denne proces sker altid inden en celle deler sig, så begge celler får en kopi af arvematerialet. I enkelte tilfælde er der afvigelser fra det centrale dogme. I retrovirus, som HIV, koder RNA for DNA. Dog koder protein aldrig tilbage til RNA eller DNA.
Mutationer
Når bakterier reproducerer, sker det ved, at cellen vokser i størrelse, DNA’et replikeres, og til sidst deler cellen sig i to nye bakterieceller. Derved får dattercellerne hver sin kopi af kromosomet. De to datterceller er således kloner af den oprindelige. Man kan undre sig over, hvordan der sker evolution af bakterier, når der ved reproduktion i bakterier blot dannes to kloner af den oprindelige celle. Variationen introduceres ved mutationer og horisontal genoverførsel som beskrives i det følgende.
Hvis der sker ændringer i basesekvensen for et gen, kan det føre til en ændring af det resulterende proteins funktion. Det introducerer variation i populationen, og er med til at drive evolutionen.
Mutationer er ændringer i basesekvensen i DNA, som f.eks. kan forekomme ved fejl i DNA-replikationen. Under replikationen 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 opstå hvis der indsættes et forkert nukleotid.
Figur 4. Den genetiske kode
Figur 5. Det centrale dogme. Pilene illustrerer informationsoverførsel.
Punktmutationer
En punktmutation er en substitution af ét basepar, og kan ske ved at der indsættes et forkert basepar i DNA-sekvensen under replikation. Alt efter konteksten kan dette føre til, at en anden aminosyre indsættes, når det ændrede mRNA translateres til protein. 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 mutation kan finde sted da der er flere kodons 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” da kodonet får en ny betydning, og en anden aminosyre indsættes. På dansk kaldes det også en nonsynonym mutation. 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 funktion og effektivitet.
Figur 6. De forskellige punktmutationer
En anden form for punktmutationer er en ”nonsense” mutationer. Ved sådan en mutation bliver et kodende kodon forandret til et stopkodon, og derved stoppes translationen for tidligt. Mutationen betegnes nonsense, da kodonet ikke længere har en betydning, i og med det ikke længere koder for en aminosyre. Translationen stopper for tidligt og giver dermed et forkortet protein. Medmindre mutationen sker meget tæt på enden af genet, vil det resultere i et fuldstændigt inaktivt protein.
Frameshift mutationer
Mutationer kan forekomme når der indsættes eller fjernes en eller flere baser. Det kaldes henholdsvis ”insertion” og ”deletion”. Begge situationer kan føre til en ”frameshift” mutation.
Figur 7. Illustration af de tre forskellige læserammer på en DNA-enkeltstreng
Da den genetiske information bliver læst i blokke af tre basepar, er der tre måder hvorpå man kan læse en enkelt DNA-streng. Disse måder kaldes læserammer. Når man først har valgt det første kodon, så giver resten af læserammen sig selv. I en given DNA-sekvens kan man starte med at læse de første tre baser som første kodon. Det vil give en bestemt læseramme, der vil resultere i én peptidkæde. 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 læseramme, blot mangler den første aminosyre. I alt er der seks forskellige læserammer på et dobbeltstrenget DNA-molekyle – tre på hver streng.
Som navnet siger vil en frameshift mutation føre til en ny læseramme. Dette fører altid til at proteinet mister sin funktion, medmindre mutationen sker i slutningen af genet, og enden af peptidkæden ikke har så stor betydning.
Hvordan der sker mutationer
Mutationer kan opstå spontant. Her sker ændringerne i det genetiske materiale uden ydre påvirkning, og mutationerne skyldes udelukkende, at der naturligt sker fejl i cellens processer. Et eksempel herpå er, som beskrevet, punktmutationer der indføres under replikationen når DNA-polymerasen laver fejl.
Mutationerne kan også være forårsaget af ydre faktorer, der kaldes mutagener. Dette kan være kemikalier som ændrer nukleobaserne. For eksempel findes der i cigaretrøg et kemikalie som tilføjer en stor kemisk gruppe til nukleobasen G, og dermed gør den utilgængelig for baseparring. Når DNA-polymerasen møder denne modificerede G, indsætter den en tilfældig af de fire forskellige baser, og dermed kan der opstå en punktmutation. Mutagener øger frekvensen af mutationer, men det er stadig tilfældigt 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 laver. Den 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.
Mekanismer for Gen-overførsel
Indtil videre er det blevet diskuteret, hvordan en enkelt celle kan ændre sig ved hjælp af mutationer. Nu betragtes hvordan to forskellige bakterier kan udveksle genetisk information. Dvs. hvordan en egenskab hos én bakterie kan overføres til en anden. Denne udveksling kaldes horisontal gen-overførsel eller krydset evolution. Krydset evolution er en vigtig del af evolutionen, da vigtige 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 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. I mennesker og andre organismer der bruger kønnet formering, sker denne rekombination inden for arten. I bakterier overføres der af og til gener fra andre bakterier som slet ikke er samme art.
Når bakterier formerer sig dannes en klon af bakterien. Bakteriecellen danner en kopi af sit eget DNA ved replikation og deler sig derefter i to nye celler. Det er tidligere beskrevet hvordan mutationer kan føre til ændringer i genomet, men det forklarer ikke hvordan der kan ske krydset evolution blandt bakterier. I næste afsnit beskrives hvordan horisontal gen-overførsel sker i bakterier.
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 gået i stykker. En anden mekanisme er transduktion, hvor der overføres DNA fra én bakterie til en anden bakterie via en bakteriofag (en virus der angriber bakterier). Mekanismerne bag transformation og transduktion er illustreret i figur 8 og 9.
Figur 8. Transformation. En død bakterie frigiver DNA-fragmenter. Et af DNA-fragmenterne optages af en levende bakterie og bliver sat ind på denne bakteries kromosom.
Til sidst er der konjugation som er overførsel af genmateriale ved hjælp af plasmider. Overførslen sker ved at to celler kommer helt tæt på hinanden, og deres membraner delvist smelter sammen. Ved denne proces kopieres plasmider fra den ene bakterie til den anden.
Plasmider er genetiske elementer, som eksisterer frit inde i bakterieceller, typisk er de små og cirkulære. Plasmider adskiller sig fra kromosomer idet de kun bærer på ikke-essentielle gener. Dvs. cellerne godt kan overleve uden de gener der bliver udtrykt fra plasmidet, men generne er ofte 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 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 antibiotikaresistens. Nogle af de mest kendte plasmider er netop plasmider der bærer på resistensgener. Disse plasmider betegnes R-plasmider.
Det er ikke alle bakterier som kan udføre transformation, transduktion og konjugation. Transformation kræver et bestemt protein til at transportere frit DNA hen over cellemembranen, og konjugation kræver at cellerne indeholder plasmider med en tra-region.
Betydning af mutationer og horisontal gen-overførsel
Mutationer er vigtige for bakteriernes evolution da de kan introducere variation ved at ændre proteiners funktion, hvilket er grundlaget for at der kan forekomme en naturlig selektion. En punktmutation kan for eksempel føre til ødelæggelse af et proteins funktion. Hvis dette protein var et transportprotein som også kunne transportere antibiotika ind i cellen, vil en sådan mutation føre til antibiotikaresistens.
Ud over mutationer spiller horisontal genoverførsel en vigtig rolle i evolutionen da denne proces kan overføre hele gener, som kan give vigtige egenskaber til recipienten.
Figur 9. 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.
Figur 10. Konjugation. Øverst vises et plasmid hvor det violette fragment markerer et gen der gør plasmidet i stand til at kopiere sig selv. En bakteriecelle indeholdende plasmider danner en kanal med med en anden bakteriecelle, hvorefter plasmiderne kan overføres. Efter overførsel ses at plasmiderne kopierer sig selv i de to bakterier.
