Geenit, genomi

Geenit, ravitsemus ja sairaudet

Uutta tietoa geeneistä ja niiden merkityksestä sairauksissa. Ihmisessä on n. 32 000 geeniä, joista ainakin 2 000 on "sairausgeenejä".

Oletko tullut ajatelleksi, että sukupuolikromosomeja lukuunottamatta miehillä ja naisilla on samat geenit? Silti erot ovat suuret, monessa suhteessa, koska nämä geenit imentynvät eri tavoin. Geenitutkijat ovat löytäneet 25 281pientä eroa näissä geeneissä (Genome Research 1 ). Tutkijat ovat nyt havainnneet, että sukupuolihormonit voivat myös osallistua ihmisen valkuaisaineiden tuotantoon ja vaikuttaa sitä kautta geenien erilaiseen ilmentymiseen miehillä ja naisilla. Erilainen geenien ilmentyminen puolestaan vaikuttaa mm. siihen, kuinka eri ravintoaineet tai lääkeet meissä vaikuttavat.

Uutta tutkittua tietoa

Ravintotekijät säätävät geenien rakenteita, toimintoja ja ilmentymistä. Ravitsemuksen ja geenien vuorovaikutusta tutkivaa tieteenalaa kutsutaan nutrigenomiikaksi (lue lisää). Lääkkeiden ja geenien vuorovakutusta puolestaan tutkii farmakogenetiikka. Geenitukimus asettaa myös ravintolisien käytön aivan uuteen valoon (lue raportti). Tiesitkö, että geeni säätää myös alttiutta stressin laukaisemaan masennukseen?

Tietoa ihmisen genomista Naturessa

Mapping the sexual divide 7.7.2006
Genes Wilder Nature 25.5.2006
The Ultimate Human Genome
Kromosomit
Geneettisen informaation virta (suomeksi)
Epigeneettinen näkökohta masennukseen

Elämän arvoitus

Maailmankaikkeus on noin 15 miljardia vuotta vanha ja maapallo on ollut olemassa noin 5 miljardia vuotta. Mistä elämä maapallolla on saanut alkunsa? Sitä emme varmuudella tiedä. Monet uskovat erityiseen luojaan.

Äskettäin tiedemiehet ovat onnistuneet luomaan elämää tyhjästä. New Yorkin State Universityn tutkijat Eckhard Wimmer, Aniko Paul ja Jeronimo Cello valmistivat pelkistä kemikaaleista synteettisiä polioviruksia. Hankkeen rahoitti Yhdysvaltain puolustusministeriö Pentagon, ja se liittyy biologiseen sodankäyntiin ja sen torjuntaan (lue lisää). Tutkijat löysivät internetistä polioviruksen aminohappojärjestyksen ja valmistivat sen RNA:n emäs emäkseltä. Havainto todistaa, että myös tappavia isorokko- ja Ebola-viruksia voidaan valmistaa tyhjästä vaikkapa biologista sodankäyntiä varten. Samalla tämä uusi havainto tukee teoriaa, jonka mukaan elämä maapallolla olisi voinut saada alkunsa itsestään (siis ilman erityistä luojaa).

Olipa elämän alkuperän laita miten tahansa, bakteereista on täällä vähitellen vuosimiljardien kuluessa kehittynyt korkeampia olentoja ja lopulta nykyihminen, homo sapiens. Ihmisen ja bakteerien genomeissa on yllättävän suuria yhtäläisyyksiä. Jos maapallon ikää kuvattaisiin yhdellä vuorokaudella, ihminen on ollut täällä vasta muutaman sekunnin ajan.

Geenitutkimus valottaa ihmisen alkuperää ja tautien taustoja

Ihmiskunnan kehityshistoria nähdään nyt uudessa valossa, kun geenitutkimuksen avulla kyetään katsomaan ajassa taaksepäin kymmeniätuhansia vuosia. Apinoita täällä on ollut ainakin 7 miljoonaa vuotta. Ihmisen esi-isä, Homo erectus, kehittyi apinoista noin 2 miljoonaa vuotta sitten. Nykyihminen (Homo sapiens) kehittyi noin 100 000 (60 000-130 000) vuotta sitten, ilmeisesti Itä-Afrikassa nykyisen Kenian alueella. Saatamme kaikki (5 miljardia ihmistä) olla yhden ainoan pariskunnan, "Aatamin ja Eevan", jälkeläisiä. Meillä kaikilla on runsaasti afrikkalaisia geenejä. Keskieurooppalaisilla ja Lähi-Idän ihmisillä on noin 30 % yhteisiä geenejä.

Ihmisen kehityshistorian aikana on monen geenin määräämä valkuaisainemolekyyli mennyt "sijoiltaan", toisin sanoen siihen on tullut jokin vähäinen muutos tai se laskostuu "väärin" ja seurauksena on suuri joukko kroonisia parantumattomia sairauksia. Jokaisen ihmisyksilön genomissa on satoja "tautigeenejä" ja geenien mutaatioita eli "kirjoitusvirheitä". Lääketiede pyrkii löytämään näitä virheitä sekä keinoja, joiden avulla niitä voitaisiin korjata.

Toisaalta pienet geenimutaatiot voivat edistää eläinten ja ihmisten kehitystä myönteisesti. Äskettäin kehitetyt superhiiret todistavat geenimuutoksen voimasta. Amerikkalaiset tutkijat aiheuttivat pari pienen pientä muutosta hiiren aivojen valkuaisaineisiin, jolloin he saivat aikaan huippuälykkäät hiiret, jotka tunnetaan tiedeyhteisössä nimillä Dougie-hiiri ja Mensa-hiiri. Niiden älykkyystaso nousi niin huimasti (esi-isiinsä verrattuna), että ihmiseen sovellettuna muutos vastaisi tarkkailuluokan oppilaan muuttumista Nobel-palkinnon saajaksi.

Muuntamalla yhtä ainoaa geeniä onnistuivat tiedemiehet äskettäin kehittämään hiiren, jonka aivokuori on yhtä poimuinen kuin ihmisellä. Vielä ei ole tiedossa, miten älykäs hiirestä tuli.

Tällainen keinotekoinen älykkyyden lisäys osoittaa vain todeksi sen mitä aivotutkijat ovat jo kauan uumoilleet: ihmisen kehityshistoriassa tapahtui noin 100 000 vuotta sitten vastaavanlainen pikku mutaatio, joka käänsi ihmiskunnan kehityksen täysin uusille raiteille. Ihmisen aivot alkoivat kehittyä siksi mitä ne nykyisin ovat, ja meille kehittyi kyky puhua ja ymmärtää puhetta, sävel- ja maalaustaiteet, halu oppia uutta, kehittää ympäristöä jne. Jos nyt ilmaantuisi vastaava muutos jossakin ihmisryhmässä ja se siirtyisi heidän jälkeläisilleen, me muut jäisimme jälkeen kuin apinat meistä.

Geenit

Ihmisen perimässä eli genomissa on arviolta 32 000 geeniä. Jokaisessa geenissä on eri variantteja (alleleja). Äskettäin analysoitiin loppuun kromosomi 6:n geenit, joita löytyi yhteensä 2190 kappaletta. Useat niistä vaikuttavat ihmisen immuunijärjestelmään, jonka tehtävänä on torjua virusten, bakteerien, sienten ja loisten aiheuttamia vaaroja.

Alleelit ja haplotyypit

Geeni on perinnöllisyyden perusyksikkö. Se on solun tumassa sijaitsevan DNA:n emästen ketju (pätkä), joka määrää sukupolvelta toiselle siirtyvät perinnölliset ominaisuudet, kuten ulkonäön, joskus lahjakkuuden ja jopa luonteen piirteet. Geenit kietoutuvat keskenään pitkiksi DNA-ketjuiksi. Hieno graafinen esitys (teksti on espanjaksi) nähtävissä klikkaamalla tähän.

Geenit ohjaavat solujemme toimintoja. Geenit tuottavat elimistön noin 250 000 valkuaisainetta ja määräävät niiden aminohappojen järjestyksen. Geenit ohjaavat ja valvovat proteiinien kehittymistä. Kun solu aktivoidaan valmistamaan tiettyä proteiinia, solun tietomekanismi "lukee" geenistä tuotettavan proteiinin aminohappojen järjestyksen. Aminohapot ovat kolmen hapon ryhmissä ja "koodi" määrää niiden keskinäisen järjestyksen ja niiden yhdistelmän. Kokin kolmen aminohapon "tripletti" määrää aina tietyn aminohapon synnyn ja valkuaisainemolekyyli syntyy yhdistämällä aminohappoja ketjuksi, jotka sitten laskostuvat tiettyyn avaruusgeometriseen asentoon. Jos ketju laskostuu väärin, kehittyy ihmiselle periytyvä sairaus, esimerkiksi Parkinsonin tai Alzheimerin tauti, MS, diabetes, astma, Crohnin tauti jne. Suomalaisilla on oma erityinen tautiperintönsä, johon ilmeisesti diabetes liittyy. Sitä ei esiinny missään muussa väestössä niin paljon kuin meillä.

Melko eristäytyneenä eläneellä Suomen kansalla on säilynyt harvinaisia yhden geenimutaation aiheuttamia tauteja, jotka ovat hävinneet muilta kansoilta vilkkaamman geenienvaihdon seurauksena.

Suomalaiset tutkijat ovat löytänet muun muassa lukivaikeutta ja autismia aiheuttavia geenivirheitä.

Geenien lähtökohtia kartoitettu
Oppikirjojen mukaan geeni koodaa yhtä proteiinia. Tämä käsitys on kauan sitten muuttunut. Fantom (Funtional Annotation of Mammals) on selvittänyt että geenin transkrirptiolla – DNA:n kopioinnilla mRNA:n propteiinimalliin – voi olla satoja lähtökohtia (emäspareja). Toisin sanoen, yhdellä geenillä on paljon luultua enemmän starttinappuloita (promoottoreita). Ne määräävät sen, miltä kopioitu mRNA näyttää.

Syöpägeenit eli onkogeenit

Onkogeenit eli syöpägeenit ovat luonnollisia ihmisessäkin esiintyviä geenejä, jotka muuttavat terveitä soluja "kuolemattomiksi" syöpäsoluiksi. Silloin solujen ohjelmoitu kuolema eli apoptoosi häiriintyy. Esimerkiksi Neu-niminen geeni aiheuttaa noin 30% rintasyövistä. Muita rintasyöpägeenejä ovat Ras, Wnt-1 ja Myc. Uusia onkogeeneja löydetään jatkuvasti. Onkogeenit toimivat tiettyjen, kullekin geenille ominaisen valkuaisaineen eli proteiinin välityksellä. Jos proteiinin tuotanto estetään - geenimanipulaatiolla - estyy myös onkogeenin toiminta. Näin onnistuttiin kehittämään rintasyövälle resistentti hiirikanta. Geenit muuttavat myös syöpäsolujen herkkyyttä sytostaatti- ja sädehoidolle.

p53:n rooli syövässä

p53-geeni on pieni proteiini (Tumor Protein 53, TP53), jota kutsutaan genomin vartijaksi. p53:a on kaikissa normaaleissa soluissa, joita se estää muuttumasta syöpäsoluiksi. Siksi sitä kutsutaankin syövän suppressorigeeniksi. Kun solutuman DNA saa vaurion, p53 aktivoituu ja auttaa vauroitunutta solua tekemään itsemurhan (apoptoosin). Näin solu ei pääse muuttumaan syöpäsoluksi, vaan kuolee. Jos p53:ssa tapahtuu muutos, se inaktivoituu ja sillä voi olla ihmiselle kohtalokkaat seuraamukset.

Kanadalaiset tutkijat kirjoittavat Science-lehdessä (2002:1526-1528), että p53 inaktivoituu useissa syöpätyypeissä, jolloin syövän vastustuskyky hapen puutetta ja solusalpaajia vastaan lisääntyy. p53:n inaktivoituminen voi siis heikentää antiogeneesin estäjien tehoa. Havainto auttaa ymmärtämään, miksi sama hoito voi tehota eri tavoin eri potilaiden kohdalla.

Tukholman Karoliinisen instituutin tutkijaryhmä (tohtori Klas Wimanin johdolla) yhdessä venäläisten tutkijoiden kanssa on löytänyt uuden proteiinin, Prima-1:n, joka voi aktivoida p53:n uudelleen. Kun tätä proteiinia lisättiin ihmisen syöpäsoluihin, sillä havaittiin syöpää estävä vaikutus 24-48 tunnin kuluessa. Rottien syöpäkasvaimiin ruiskutettuna Prima-1 esti myös syövän kasvua ja pienensi kasvaimen kokoa 99 %. Laskimoon ruiskutettuna aine pienensi kasvaimia 98 %. Havainnot julkaistiin maalikuussa 2002 Nature Medicine -lehdessä. Prima-1:sta odotetaan kokonaan uudenlaista syöpälääkkeiden sarjaa. Lue lisää.

Kromosomit

Ihmisessä on 46 kromosomia (23 paria). Parin toinen puolisko periytyy isältä, toinen äidiltä. Jokaisessa niissä on satoja tai tuhansia yksittäisiä geenejä. Nuppineulan pään kokoisessa kudospalasessa on noin 10 miljoonaa solua eli kaksi kertaa niin monta kuin Suomessa on asukkaita. Jokaisessa solussa on kaksoiskierteellä olevia DNA-ketjuja, joista tulisi lähes kaksi metriä pitkä lanka, jos ne vedettäisiin suoriksi. Kuitenkin vain osa tästä "narusta" on geenejä. Monet tutkijat sanovat, että yli 95 % DNA:sta on "roskaa" (engl. junk), mutta osa uskoo silläkin olevan toistaiseksi tuntemattomia tehtäviä soluissa. Geenikartoituksessa on toistaiseksi keskitytty vain tuohon vajaaseen 5 %:iin.

22 näistä kromosomipareista, "autosomit", on hyvin samanlaisia ja niissä on samat geeniparit. Jokaisesta geenistä näet on kopio, joista toinen on peritty isältä ja toinen äidiltä. 23. geenipari, jossa ovat sukukromosomit, sitä vastoin ovat erilaisia. Toinen on X ja toinen on Y, ja niiden geenit poikkeavat toisistaan. Naisilla on kaksi X-kromosomia ja miehillä X ja Y. Siis vain miehillä on Y-kromosomi. Näiden Y-kromosomien avulla ihmiskunnan miehet pystytään jäljittämään aina esi-isiimme saakka tuhansien vuosien päähän. Naiset taas pystytään jäljittämään solujen mitokondrioissa olevien X-kromosomien perusteella, sillä vain naisten mitokondrioissa on X-kromosomeja. Autosomaalisten kromosomien avulla voidaan jäljittää kumpaakin sukupuolta menneisiin sukupolviin.

Tytöillä on siis syntyessään kaksi X-sukupuolikromosomia (XX), pojilla taas X ja Y (XY). Periaatteessa tytöillä on jokaista X-kromosomissa sijaitsevaa geeniä kohti kaksi kopiota, kun pojilla niitä on vain yksi. Kuitenkin tyttöjen toinen kopio inaktivoituu ja toinen X-kromosomi "suljetaan pois" toiminnasta. Tässä inaktivaatiossa saattaa kuitenkin tapahtua virheitä, joilla voi olla ikäviä seurauksia. Esimerkiksi rintasyöpägeenin BRCA1 inaktivoituminen saattaa muuttaa samalla muiden geenien toimintaa. Toisaalta äskettäin on havaittu, että jos normaali (aktiivi) BRCA1-kopio jiostakin syystä inaktivoituu, saattaa inaktiivin kromosomin RCA1-kopio aktivoitua, jolloin rintasyöpä saattaa käynnistyä.

Elämän "sävellaji"

Ihmisen perimä on kirjoitettu DNA-molekyylien 3,2 miljoonaan emäspariin. DNA:ssa on 4 eri emäslajia, adeniini (A), guanidiini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T). Niiden keskinäiset yhdistelmät määräävät, millaisia olemme. A, G, C ja T ovat kuin nuottiviivastolla olevia nuotteja: niiden keskinäinen järjestys ja vaihtelu määräävät elämämme "sävellajin", joskin geenitutkijat korostavat, että ihminen on enemmän kuin geeniensä summa. Geenikartan sanotaan tulevan valmiiksi silloin, kun selvitetään ihmisen geenien kaikkien kirjainten paikka ja niiden tehtävät.

Spontaanit mutaatiot

Ihmissuvun DNA:n spontaanien mutaatioiden määrän lasketaan olevan 0,5 % miljoonassa vuodessa. Viimeisten 40 000 vuoden kuluessa sattuneiden mutaatioiden määrä on siten ollut noin 0,02 %. Käytännössä olemme geneettisesti samoja olentoja kuin kivikautiset esi-isämme. Elin- ja työympäristömme, liikunta- ja ruokailutavat vain ovat muuttuneet niin, että nykyään sairastamme ns. elintasosairauksia: allergioita, diabetestä, sydän- ja verisuonitauteja, ylipainoa ja liikalihavuutta, stressiä ja psyyken sairauksia ynnä muita.

Rasismille ei ole perusteita

Geenitutkimus on äskettäin selvittänyt, että kaikilla eurooppalaisilla miehillä on kymmenkunta yhteistä esi-isää, jotka tulivat Eurooppaan kymmeniä tuhansia vuosia sitten. Olemme siis lähes kaikki sukulaisia. Siksi eurooppalaiset ihmiset näyttävät hyvin samannäköisiltä. Meissä kaikissa on runsaasti afrikkalaisia geenejä, sillä nykyihminen on Afrikasta kotoisin (ks.Templeton 2002). Rasismilla ei siis ole geneettistä perustaa.

On todennäköistä, että kehittyneempi uusi ihmislaji, homo sapiens, yksinkertaisesti tappoi omia esi-isiään edustaneet muut ihmisapinat sukupuuttoon. Heistä ei näy jälkeäkään, ei edes fossiileja. Uusi ihmislaji oli ylivoimainen, sillä se oppi valmistamaan kivikirveitä ja muita aseita, joilla alemmalla kehitysasteella olevat kilpailijat tuhottiin. Niiltä ajoilta periytyy myös monissa ihmisissä asustava vihamielisyys erilaisia ihmisiä kohtaan, joka ilmenee vammaisten ja muukalaisten syrjintänä ja jopa vainoamisena, rasismina. Samoin niiltä ajoilta periytyy ilmeisesti skitsofrenia ja sen sukulaisilmiöt, kuten lukihäiriö, maanis-depressiivinen mielisairaus, psykopatia ja selittämätön väkivaltakäyttäytyminen. Toisaalta saman geenimutaation myönteisenä varianttina ihmiskunnassa on huippulahjakkaita yksilöitä ja sukuja, jotka ovat vieneet ja vievät meitä eteenpäin muun muassa tieteen ja taiteen aloilla.

Kirjallisuutta:

Kalaöljyn omega-3-rasvahappojen nutrigenomikkaa: Näin kalaöljy ehkäisee, vaimentaa ja sammuttaa tulehdusta
Templeton, A. R. Out of Africa again and again. Nature, 416, 45 - 51, (2002). (Referaatti)

Aiheeseen liittyviä raportteja suomeksi:
Parkinsonin taudin geenimuunnos
Uusi käsitys skitsofreniasta

Human Genome Project
Human genomics (Nature)
Lue lisää geenitutkimuksesta Naturesta