Geenit ovat piirustuksia, joiden avulla rakennetaan kemiallinen koneisto, joka pitää solut elossa. Tämä pätee ihmisiin ja kaikkiin muihin elämänmuotoihin. Mutta tiesitkö, että ihmisellä on 20 000 geeniä, mutta lähes 11 000 geeniä vähemmän kuin vesikirpulla? Jos geenien määrä ei ennusta monimutkaisuutta, mikä sitten ennustaa?
Vastaus on, että geneettinen materiaalimme sisältää paljon muutakin kuin yksiköitä, joita kutsumme geeneiksi. Yhtä tärkeitä ovat kytkimet, jotka kytkevät geenin päälle ja pois päältä. Ja se, miten solut lukevat ja tulkitsevat geneettisiä ohjeita, on ihmisissä paljon monimutkaisempaa kuin noissa vesikirpuissa.
Geenit ja niitä ohjaavat kytkimet on tehty DNA:sta. Se on pitkä molekyyli, joka muistuttaa kierretikkaita. Sen muotoa kutsutaan kaksoiskierteeksi. Yhteensä kolme miljardia porrasta yhdistää tämän tikapuun kaksi ulointa säiettä – pystytuet – toisiinsa. Kutsumme askelmia emäspareiksi niiden kahden kemikaalin (parin) mukaan, joista ne on valmistettu. Tutkijat viittaavat kuhunkin kemikaaliin sen alkukirjaimella: A (adeniini), C (sytosiini), G (guaniini) ja T (tymiini). A parittuu aina T:n kanssa; C parittuu aina G:n kanssa.
Ihmissoluissa kaksisäikeinen DNA ei ole olemassa yhtenä jättimäisenä molekyylinä. Se on jakautunut pienempiin palasiin, joita kutsutaan kromosomeiksi (KROH-moh-soams). Nämä on pakattu 23 pariksi per solu. Yhteensä kromosomeja on siis 46. Yhdessä 46 kromosomissa olevia 20 000 geeniä kutsutaan ihmisen genomiksi.
DNA:n rooli on samanlainen kuin aakkosten rooli. Se pystyy kuljettamaan tietoa, mutta vain jos kirjaimet yhdistetään niin, että niistä muodostuu mielekkäitä sanoja. Sanojen ketjuttaminen toisiinsa muodostaa ohjeita, kuten reseptissä. Geenit ovat siis ohjeita solulle. Ohjeiden tavoin geeneillä on ”alku”. Niiden muodostamien emäsparien on oltava tietyssä järjestyksessä, kunnes ne saavuttavat jonkin määritellyn ”lopun”.
Jos geenit ovat kuin perusresepti, alleelit (Ah-LEE-uhls) ovat versioita tästä reseptistä. Esimerkiksi ”silmien väri”-geenin alleelit antavat ohjeet silmien tekemisestä sinisiksi, vihreiksi, ruskeiksi ja niin edelleen. Perimme kummaltakin vanhemmaltamme yhden alleelin eli geeniversion. Tämä tarkoittaa, että useimmissa soluissamme on kaksi alleelia, yksi per kromosomi.
Mutta emme ole vanhempiemme (tai sisaruksiemme) täsmällisiä kopioita. Syy: Ennen kuin perimme ne, alleelit sekoitetaan kuin korttipakkaa. Tämä tapahtuu, kun elimistö valmistaa munasoluja ja siittiöitä. Ne ovat ainoat solut, joissa on vain yksi versio kustakin geenistä (kahden sijaan), ja ne on pakattu 23 kromosomiin. Munasolut ja siittiösolut sulautuvat yhteen prosessissa, jota kutsutaan hedelmöitykseksi. Tämä käynnistää uuden ihmisen kehityksen.
Yhdistämällä kaksi 23 kromosomin sarjaa – yksi sarja munasolusta, toinen siittiösolusta – tämä uusi ihminen saa lopulta tavanomaiset kaksi alleelia ja 46 kromosomia. Eikä hänen ainutkertainen alleelien yhdistelmänsä koskaan enää synny täsmälleen samalla tavalla. Se tekee meistä jokaisesta ainutlaatuisen.Emme kuitenkaan ole vanhempiemme (tai sisaruksiemme) täsmällisiä kopioita. Syy: Ennen kuin perimme ne, alleelit sekoitetaan kuin korttipakkaa. Tämä tapahtuu, kun elimistö valmistaa munasoluja ja siittiöitä. Ne ovat ainoat solut, joissa on vain yksi versio kustakin geenistä (kahden sijaan), ja ne on pakattu 23 kromosomiin. Munasolut ja siittiösolut sulautuvat yhteen prosessissa, jota kutsutaan hedelmöitykseksi. Tämä käynnistää uuden ihmisen kehityksen.
Lannoitetun solun täytyy lisääntyä, jotta se voi muodostaa kaikki vauvan elimet ja ruumiinosat. Lisääntyäkseen solu jakautuu kahdeksi identtiseksi kopioksi. Solu käyttää DNA:ssaan olevia ohjeita ja solussa olevia kemikaaleja tuottaakseen identtisen DNA-kopion uutta solua varten. Sitten prosessi toistuu monta kertaa, kun yksi solu kopioituu kahdeksi. Ja kahdesta kopiosta tulee neljä. Ja niin edelleen.
Elinten ja kudosten luomiseksi solut käyttävät DNA:ssaan olevia ohjeita rakentaakseen pieniä koneita. Ne ohjaavat solun kemikaalien välisiä reaktioita, jotka lopulta tuottavat elimiä ja kudoksia. Pienet koneet ovat proteiineja. Kun solu lukee geenin ohjeita, sitä kutsutaan geeniekspressioksi. Hedelmöityneen solun täytyy lisääntyä, jotta se voi valmistaa kaikki vauvan elimet ja ruumiinosat. Lisääntyäkseen solu jakautuu kahdeksi identtiseksi kopioksi. Solu käyttää DNA:ssaan olevia ohjeita ja solussa olevia kemikaaleja tuottaakseen identtisen DNA-kopion uutta solua varten. Sitten prosessi toistuu monta kertaa, kun yksi solu kopioituu kahdeksi. Ja kahdesta kopiosta tulee neljä. Ja niin edelleen.
Miten geeniekspressio toimii?
Geenin ilmentyminen on riippuvainen apumolekyyleistä. Nämä tulkitsevat geenin ohjeita oikeanlaisten proteiinien valmistamiseksi. Yksi tärkeä ryhmä näitä apumolekyylejä tunnetaan nimellä RNA. Se muistuttaa kemiallisesti DNA:ta. Yksi RNA-tyyppi on sanansaattaja-RNA (mRNA). Se on yksijuosteinen kopio kaksijuosteisesta DNA:sta.
MRNA:n valmistaminen DNA:sta on ensimmäinen vaihe geenien ilmentymisessä. Tätä prosessia kutsutaan transkriptioksi, ja se tapahtuu solun ytimen eli tuman sisällä. Toinen vaihe, jota kutsutaan translaatioksi, tapahtuu ytimen ulkopuolella. Se muuttaa mRNA-viestin proteiiniksi kokoamalla sopivia kemiallisia rakennuspalikoita, joita kutsutaan aminohapoiksi (Ah-MEE-no).
Kaikki ihmisen proteiinit ovat ketjuja, joissa on erilaisia 20 aminohapon yhdistelmiä. Jotkut proteiinit ohjaavat kemiallisia reaktioita. Jotkut kuljettavat viestejä. Toiset taas toimivat rakennusmateriaaleina. Kaikki eliöt tarvitsevat proteiineja, jotta niiden solut voivat elää ja kasvaa.
Proteiinin rakentamiseksi toisenlaisen RNA:n – transfer-RNA:n (tRNA) – molekyylit asettuvat riviin mRNA-juosteen varrelle. Jokaisen tRNA:n toisessa päässä on kolmikirjaiminen sekvenssi ja toisessa päässä aminohappo. Esimerkiksi sekvenssi GCG kantaa aina aminohappo alaniinia (AL-uh-neen). TRNA:t sovittavat sekvenssinsä mRNA:n sekvenssiin, kolme kirjainta kerrallaan. Sitten toinen apumolekyyli, niin sanottu ribosomi (RY-boh-soam), yhdistää toisessa päässä olevat aminohapot proteiiniksi.
Yksi geeni, useita proteiineja
Tutkijat luulivat aluksi, että kullakin geenillä oli koodi vain yhden proteiinin valmistamiseksi. He olivat väärässä. RNA-koneiston ja sen apulaisten avulla solumme voivat valmistaa 20 000 geenistään paljon yli 20 000 proteiinia. Tutkijat eivät tiedä tarkalleen, kuinka paljon enemmän. Se voi olla muutama satatuhatta – ehkä jopa miljoona!
Miten yksi geeni voi valmistaa useampaa kuin yhtä proteiinityyppiä? Vain jotkut geenin osat, niin sanotut eksonit, koodaavat aminohappoja. Niiden väliset alueet ovat introneja. Ennen kuin mRNA lähtee solun ytimestä, apumolekyylit poistavat sen intronit ja liittävät yhteen sen eksonit. Tutkijat kutsuvat tätä mRNA:n liittämiseksi.
Sama mRNA voidaan liittää eri tavoin. Näin tapahtuu usein eri kudoksissa (ehkä ihossa, aivoissa tai maksassa). Se on kuin lukijat ”puhuisivat” eri kieliä ja tulkitsisivat samaa DNA-viestiä usealla eri tavalla. Tämä on yksi tapa, jolla elimistössä voi olla enemmän proteiineja kuin geenejä.
Tässä on toinen tapa. Useimmissa geeneissä on useita kytkimiä. Kytkimet määräävät, missä mRNA alkaa lukea DNA-sekvenssiä ja missä se pysähtyy. Eri alku- tai loppukohdat luovat erilaisia proteiineja, toiset pidempiä ja toiset lyhyempiä. Joskus transkriptio alkaa vasta, kun useat kemikaalit kiinnittyvät DNA-sekvenssiin. Nämä DNA:n sitoutumiskohdat voivat olla kaukana geenistä, mutta ne vaikuttavat silti siihen, milloin ja miten solu lukee sanomansa.
Splikointimuunnokset ja geenikytkimet johtavat erilaisiin mRNA:han. Ja nämä käännetään erilaisiksi proteiineiksi. Proteiinit voivat muuttua myös sen jälkeen, kun niiden rakennuspalikat on koottu ketjuksi. Solu voi esimerkiksi lisätä kemikaaleja antaakseen proteiinille jonkin uuden toiminnon.
DNA:ssa on muutakin kuin rakennusohjeita
Proteiinien valmistaminen ei ole läheskään DNA:n ainoa tehtävä. Itse asiassa vain yksi prosentti ihmisen DNA:sta sisältää eksoneja, jotka solu kääntää proteiinisekvensseiksi. Arviot geeniekspressiota ohjaavan DNA:n osuudesta vaihtelevat 25 prosentista 80 prosenttiin. Tutkijat eivät vielä tiedä tarkkaa lukua, koska näitä sääteleviä DNA-alueita on vaikeampi löytää. Jotkut ovat geenikytkimiä. Toiset tuottavat RNA-molekyylejä, jotka eivät osallistu proteiinien rakentamiseen.
Geeniekspression kontrollointi on lähes yhtä monimutkaista kuin suuren sinfoniaorkesterin johtaminen. Ajatelkaapa, mitä tarvitaan, jotta yhdestä hedelmöittyneestä munasolusta kehittyy yhdeksässä kuukaudessa vauva.
Onko sillä siis väliä, että vesikirpulla on enemmän proteiineja koodaavia geenejä kuin ihmisellä? Ei oikeastaan. Suuri osa monimutkaisuudestamme kätkeytyy DNA:n säätelyalueisiin. Ja tämän perimämme osan purkaminen pitää tutkijat kiireisinä vielä monta, monta vuotta.