Teksti Sisko Loikkanen, kuva Istock
Käsitys geenistä ja niiden tehtävistä on mullistunut nopeasti. Tunnetko jo hyppivät geenit ja RNA:n merkityksen? Entä roskageenit, jotka osoittautuivatkin arvokkaiksi.
Tiede korjaa itseään jatkuvasti, mutta toisinaan tuoreet tutkimukset mullistavat koko alan. Tämä geenien tarina alkaa vuodesta 1990, jolloin käynnistyi yksi ihmiskunnan suurimmista tutkimushankkeista.
Huhtikuussa 2023 vietetään DNA:n juhlaa tuplasti. Silloin on kulunut 70 vuotta siitä, kun James Watson ja Francis Crick julkaisivat Nature-lehdessä deoksiribonukleiinihapon eli DNA:n kaksoiskierrerakenteen. Lisäksi tulee kuluneeksi 20 vuotta siitä, kun valtava ihmisgenomiprojekti päättyi.
Genomiprojektia on kutsuttu yhdeksi ihmiskunnan suurimmista tutkimushankkeista. Kolmetoista vuotta kestäneen projektin aikana yhdysvaltalaiset ja eurooppalaiset tutkijat määrittivät ihmisen kromosomiston DNA:n emäsjärjestyksen, eli kuinka kirjaimet A, G, T ja C seuraavat toisiaan.
Kirjaimet viittaavat emäksiin adeniini A, guaniini G, tymiini T ja sytosiini C. Niiden keskinäinen järjestys geeneissä määrää, millaisia proteiineja solussa valmistetaan.
Tutkijoiden työmäärä oli valtava, koska ihmisen perimässä on kolme miljardia emäsparia. Emässekvenssin määrittäminen oli kallis mutta välttämätön perustyö ja ensiaskel perimän yksityiskohtien tutkimukseen.
Nyt 20 vuotta jättiläishankkeen päättymisen jälkeen monet johtopäätöksistä on uuden tutkimuksen myötä arvioitu uudelleen.
Ihminen ja sukkulamato, sama määrä geenejä
Ihmisgenomiprojektin alussa tutkijat arvioivat ihmisen geenien määräksi 100 000 tai ainakin enemmän kuin muilla eliöillä. Arveltiin, että selkärankaisten rakenteellinen ja fysiologinen monimutkaisuus sekä erityisesti ihmisaivojen kehitys vaativat suurta määrää geenejä.
Mitä pidemmälle hanke edistyi, sitä pienemmäksi geeniluku kutistui. Nyt tiedetään, että ihmisellä on noin 20 000 proteiinia koodaavaa geeniä.
”Tämä oli suuri yllätys. Heräsi kysymys, miten näin pienellä geenimäärällä saadaan aikaan ihmisyksilö”, tutkimusjohtaja Mikko Frilander Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista kertoo. Frilander on geneetikko, joka tutkii tällä hetkellä geenien säätelyä.
Geenien vähyys oli todellinen yllätys, sillä esimerkiksi geneetikkojen suosimalla malliorganismilla, pikkuruisella Caenorhabditis elegans -sukkulamadolla on suunnilleen sama määrä geenejä kuin ihmisellä. Joillakin kasveilla niitä on enemmän kuin ihmisellä ja sukkulamadolla.
Proteiineja koodaavien geenien lukumäärästä ei siis voida tehdä johtopäätöksiä organismin monimutkaisuudesta.
”Nykyisen arvion mukaan ihmisellä on RNA-geenejä ainakin 40 000.”
Geenien määrä kasvaa RNA-geenien myötä
Tutkijat ovat tienneet molekyylibiologian alusta lähtien, että perinteisten proteiineja koodaavien geenien lisäksi on olemassa toisenlaisia geenejä, RNA-geenejä, joiden lopullinen geenituote ei ole proteiini vaan ribonukleiinihappo RNA.
Näihin geeneihin ei aluksi kiinnitetty huomiota, koska niiden ajateltiin olevan lähinnä erikoistapauksia.
Uusi näkemys alkoi hahmottua vasta, kun ihmisgenomiprojektissa RNA-geenejä löydettiin lisää. 2000-luvulla niitä löytyi runsaasti, kun tutkijat saivat käyttöönsä parempia sekvensointilaitteita ja -menetelmiä.
”Alettiin ymmärtää, että perimässä on suuri määrä myös ei-koodaavia geenejä eli RNA-geenejä. Nykyisen arvion mukaan niitä on ihmisellä ainakin 40 000 eli kaksi kertaa enemmän kuin proteiineja koodaavia geenejä”, Frilander kertoo.
RNA-geenejä tutkitaan paljon. Nyt tiedetään, että niillä on monia tehtäviä. Solussa ne säätelevät geenejä ja toimivat erilaisten molekyylikoneistojen rakennusosina tai entsyymeinä.
Monimutkaisten eliöiden RNA
Viime vuosina on tehty lisää mielenkiintoisia havaintoja. Siinä missä proteiineja koodaavat geenit ovat usein samanlaisia eri lajeilla, RNA-geenit voivat olla hyvin erilaisia jopa lähilajeilla. Voisivatko ne selittää lajien erilaisuutta? Perustuuko eliön monimutkaisuus RNA-geeneihin?
”Tämä on kuuma hypoteesi tällä hetkellä. Jos tarkastellaan eliöiden fyysistä kompleksisuutta, aivojen kokoa ja RNA:ta koodaavien geenien määrää, korrelaatiota on löydetty. Vaikuttaa siltä, että monimutkaisemmilla eliöillä on perimässä enemmän juuri RNA-geenejä”, Frilander sanoo.
Nykykäsityksen mukaan RNA-molekyylit ilmestyivät maapallolle ennen DNA:ta. Eräänlaisena historian muinaisjäänteenä RNA saattaakin hallita solun kaikkein keskeisimpiä toimintoja.
Roska-DNA ei olekaan roskaa
Vain pari prosenttia ihmisen DNA:sta koodaa suoraan proteiinien valmistusta. Geenit kuitenkin levittäytyvät ja vievät jopa kolmanneksen genomista. Mistä tämä johtuu? Eukaryoottisoluissa, kuten ihmisen soluissa, proteiineja koodaavat jaksot ovat DNA:ssa palasina ja palasten väliin jää alueita, joita ei käytetä proteiinien tuotantoon.
Ihmisgenomiprojektin päätyttyä geenien pieni osuus DNA:sta ihmetytti. Silloin ajateltiin, että koodaamattomat jaksot eli yli 90 prosenttia koko genomista ovat kenties turhia. Alettiin puhua roska-DNA:sta.
Nyt tiedetään, että roskasta ei ole kyse. Myös näillä DNA-alueilla on tärkeitä tehtäviä.
”Ne ohjaavat geenien toimintaa, ovat välttämättömiä kromosomien toiminnassa tai ovat RNA-geenejä. Mullistava löytö viimeisten kymmenen vuoden aikana on ollut havainto, että genomista jopa yli kolme neljännestä luetaan RNA:ksi. Se merkitsee, että ainakin osa siitä on toiminnallisesti tärkeää. Puhdasta roskaa lienee maksimissaan noin viidennes genomista, todennäköisesti tätäkin vähemmän”, Mikko Frilander kertoo.
Yksi geeni voi tuottaa eri proteiineja
Ihmisgenomiprojektin jälkeen on kumottu käsitys, että geeni voi koodata vain yhden proteiinituotteen valmistusta. Nykyisen tiedon mukaan ihmisellä yksi geeni voi antaa ohjeen kymmenien tai jopa tuhansien eri proteiinien tuotantoon.
”Koska proteiineja koodaavat DNA-jaksot ovat erillisinä palasina, ne liitetään proteiinisynteesiä varten toisiinsa RNA:n silmukointiprosessissa, jossa myös turhat välijaksot poistetaan. Tämän mekanismin ansiosta yksi ainoa geeni voi tuottaa suuren määrän erilaisia proteiineja, mikä selittää osaltaan myös ihmisgeenien pientä lukumäärää”, Frilander kertoo.
Transposonit muokkaavat genomia
Perimä ei ole jäykkä geenikokoelma vaan joustava, itseään korjaava ja evoluution kuluessa muuntuva. Muutoksia tuottavat tavallisten mutaatioiden lisäksi hyppivät geenit, transposonit.
Transposonit pystyvät siirtymään genomissa paikasta toiseen oman koneistonsa turvin. Ilmiön havaitsi ensimmäisenä Barbara McClintock, joka palkittiin työstään Nobelin palkinnolla vuonna 1983.
Mitkä ovat trasposonien vaikutukset?
”Hyppivät geenit muokkaavat genomia. Jos hyppäys tapahtuu keskelle toista geeniä, se voi haitata solun toimintaa ja aiheuttaa samalla kantajalleen sairauden”, kertoo genetiikan professori Harri Savilahti Turun yliopistosta.
Mikäli geenihyppy tapahtuu sukusoluissa, muutos näkyy sukusoluista muodostuvan jälkeläisen genomissa ja tällainen muutos on periytyvä.
”Ihmisellä keskimäärin joka 20. syntyneen lapsen genomista löytyy transposonin aiheuttama uusi geenihyppy, useimmiten kuitenkin genomin vähemmän tärkeille alueille ja ilman haittavaikutuksia”, Harri Savilahti kertoo.
Artikkelin kirjoittaja Sisko Loikkanen on tiedetoimittaja ja kemian tekniikan DI.
Tunne termit
DNA
deoksiribonukleiinihappo
RNA
ribonukleiinihappo
Geeni
DNA-jakso, jonka tuotteena solussa syntyy proteiinia tai RNA:ta
Genomi
koko perimä
Transposoni
geeni, joka pystyy hyppäämään genomissa paikasta toiseen
Vuonna 1990 arveltiin...
- Geeni on DNA-pätkä, jonka tuotteena syntyy proteiini.
- Yksi geeni ohjaa vain yhden proteiinituotteen valmistusta.
- Ihmisellä on 100 000 geeniä ja suurin osa genomista saattaa olla roskaa.
- Ne toimivat ikäänkuin pienenä tiivistelmänä, kuvailevat mistä artikkelissasi on kysymys.
Nyt 2023 tiedetään...
- Geeni on DNA-pätkä, jonka tuote on joko proteiini tai RNA.
- Yksi proteiinia koodaava geeni voi tuottaa kymmeniä tai jopa tuhansia eri proteiinituotteita.
- Ihmisellä on 20 000 proteiinia koodaavaa geeniä ja ainakin 40 000 RNA-geeniä.
- Roska-DNA ei pääosin ole roskaa vaan sisältää tärkeitä toimintoja.
- Keskimäärin joka 20. syntyneellä lapsella on transposonin aiheuttama geenihyppy genomissa.
