dna

Linus Pauling on varmasti eräs viime vuosisadan suurimpia tutkijoita. Hän sai kaksi Nobelin palkintoa, ja jos ei olisi töpännyt pahasti DNA:n rakenteen selittämisessä, olisi kolmaskin saattanut olla hänelle tarjolla.

Deoksiribonukleiinihappo, eli lyhyesti DNA, pitää sisällään kemiallisesti koodattuna kaikkien eliöiden solujen ja joidenkin virusten geneettisen perimätiedon. Sen periaatteet ja DNA:n kaksoiskierreketjumaisen rakenteen löysivät Francis Crick ja James Watson vuonna 1953 ja saivat siitä Nobelin vuonna 1962.

Monilahjakkuus Linus Pauling oli 1950-luvulle mennessä ennättänyt jo keksimään paitsi nimeään kantavat ionisesti sidottujen materiaalien rakennetta määräävät säännöt, niin myös atomien orbitaalit ja elektronegatiivisuuden. Vaikka näillä oli suurta merkitystä fysiikankin puolella, oli Pauling ennen kaikkea kemisti – hänen ensimmäinen Nobelinsakin oli kemian palkinto, ja se annettiin silikaattien kaltaisten suurten epäorgaanisten rakenteiden rakenteen selvittämisestä.

Toinen Nobel oli rauhanpalkinto, mutta se olisi oman tarinansa väärti.

Pauling oli assistenttinsa Robert Coreyn kanssa tutkinut myös orgaanisen kemian puolella proteiinin osien ja aminohappojen molekyylirakenteita.

Yleisesti ottaen ennen 1950-luvun alkua tutkijat eivät välittäneet juurikaan DNA:sta. 20-luvulta alkaen tiedettiin, että geenit sijaitsevat kromosomeissa, jotka ovat soluissa olevia aminohappoja ja proteiineja. Useimmat ajattelivat, että proteiinit ovat tärkeämmässä osassa, koska vain ne voivat olla tarpeeksi monipuolisia. Yksinkertaiset aminohapot tuntuivat niihin verrattuna aivan liian primitiivisiltä.

Myös Pauling oli sitä mieltä, että juuri proteiinit ovat avain geenien ymmärtämiseen. Hän julkaisi keväällä 1951 samanaikaisesti seitsemän artikkelia, joissa hän kuvasi proteiinien rakenteita molekyylitasolla.

Tärkein niistä oli alfa-helix, kolmikierteinen perusmuoto.

Pauling oli ensimmäinen tutkija, joka mallinsi nämä perusproteiinirakenteet molekyylitasolla. Hänen pitkäaikainen kilpailijansa Sir William Lawrence Bragg jäi juuri toiseksi. Myöhemmin Bragg nousi jälleen esiin, tosin vain siksi, että Watson ja Crick tulivat hänen laboratoriostaan.

Kiinnostavaa tämän tarinan kannalta on kuitenkin se, että Pauling päätyi ehdottamaan alfa-helix -rakennetta geeneille vastoin havaintojen antamia vinkkejä.

Oswald Avery oli julkaissut jo vuonna 1944 artikkelin pneumokokkibakteereilla tekemistään kokeista. Ne viittasivat siihen, että geenit olisivat aminohappoja. Pauling oli tietoinen näistä tuloksista, mutta päätti olla hyväksymättä niitä. Hän oli niin innostunut proteiineista ja halusi selittää geenit niillä.

Oli röntgenkuvia, jotka osoittivat selvästi kaksoiskierteen suuntaan, mutta Pauling tulkitsi ne liian epäselviksi. Sitten hän tulkitsi DNA:n tiheyden väärin, koska selvästikin ei halunnut uskoa siihen.

Pauling oli kauniisti kolmoiskierteenä kuvailemiensa proteiinien sokaisema.

Ironista on se, että hän itse oli jo 40-luvulla miettinyt sitä, että geenit voisivat olla kaksi toisiaan tukevaa rakennetta, jotka voisivat kopioida toisiaan hieman samaan tapaan kuin Watson ja Crick myöhemmin selittivät.

Yksi asia on kuitenkin varmaa: Paulingin merkitys DNA:n rakenteen löytämisessä on merkittävä, koska kaikilla sen selvittämiseen osallistuneilla henkilöillä oli työpöydällään vuonna 1939 julkaistu Paulingin kirja The Nature of the Chemical Bond.

Paulingista ja DNA:n olemuksen selvittämisestä on netissä kerrassaan mainio sivusto: Linus Pauling and The Race for DNA. Yllä oleva sivu Paulingin muistiinpanoista on sieltä.

Tiedetöppäysjoulukalenteri

Tiedetuubin joulukalenteri vuonna 2019 esittelee tieteellisiä töppäyksiä sekä erehdyksiä: tietoisia huijauksia, puhtaita vahinkoja ja myös varsin onnekkaiksi osoittautuneita epäonnistumisia. Ne auttavat myös ymmärtämään miten tiede toimii – ja että tutkijatkin ovat ihmisiä.

Kaikki avautuneet luukut ovat täällä.

Tagit

joulukalenteri

tiedetöppäykset

dna

Linus Paulig

Tähän asti on oletettu, että mitokondrio-DNA periytyisi ainoastaan äideiltä. Tuore tutkimus kuitenkin järkyttää tätä perimän tutkimuksen peruspilaria: Poikkeavaa mtDNA:ta saattaa olla jopa joka viidennellätuhannella.

Kaikissa soluissamme on kahta eri perimää, tuman DNA:ta ja mitokondrioiden mtDNA:ta. Meidän kunkin "rakennuspiirustukset" löytyvät tuman DNA:sta, mutta mtDNA vaikuttaa solujen toimintaan ja sitä kautta yksilön terveyteen, kasvuun ja kehitykseen.

Mitokondrio-DNA on erityisen mielenkiintoista, sillä sen avulla tutkitaan usein puhdasta äitilinjan perimää. Jokaisen miehen, naisen ja lapsen mtDNA on nimittäin peräisin vain ja ainoastaan tämän äidin munasolusta.

Hedelmöityksen hetkellä munasoluun toki pääsee miehenkin mtDNA:ta siittiön mukana. Suuri osa siittiön mitokondrioista on kuitenkin tässä vaiheessa jo loppuun palanut, johtuen siitä huimasta spurtista jonka tuo pieni häntäheikki on joutunut tekemään. Ja jos joku siittiön mitokondrio sattuisi vielä tuossa vaiheessa olemaan voimissaan, se tuhotaan, kiitos munasolun suojamekanismien. Näin tapahtuu lähes kaikilla nisäkkäillä.

Tai näin on siis uskottu tähän asti. Tuore tutkimus kuitenkin haastaa näitä käsityksiä. Osa mitokondrioista näet onkin silloin tällöin peräisin isältä.

Vasta julkaistu tutkimus kertoo kolmesta suvusta, joissa periytyy outo ominaisuus. Se mahdollistaa mitokondrio-DNA:n periytymisen kummaltakin vanhemmalta - myös isältä. Kahta erilaista mtDNA:ta löytyi kaikkiaan 17 tutkitusta sukujen jäsenistä. Suurimmillaan "odottamatonta" perimää oli yksilön mitokondrio-DNA:sta 76 prosenttia, pienimmillään 24 %. Piirre on sekä periytyvä että todennäköisesti dominoiva.

Tutkijat varmistivat löytönsä teettämällä mtDNA-sekvenssoinnin useaan kertaan eri tutkimuslaitoksissa ja eri tavoilla tehtynä. Tutkimus julkaistiin 26.11. PNAS-julkaisusarjan verkkosivuilla.

"Löytö on todella mullistava. Se voi avata täysin uuden tutkimusalan ja muuttaa sitä miten katsomme [tiettyjen] sairauksien syitä", hehkuttaa Stanfordin yliopiston mitokondriobiologi Xinnan Wang NOVAlle. Wang ei ole tutkimusryhmässä mukana.

Kyse ei suinkaan ole ensimmäisestä kerrasta kun todisteita isä-mtDNA:n periytymisestä on saatu. Vuonna 2002 New England Journal of Medicinessä julkaistiin tapauskertomus miehestä, jonka lihaksisto ei toiminut kunnolla. Syyksi todettiin muutos juuri isältä periytyneessä mtDNA:ssa. Vastaavia vihjeitä saatiin vuonna 2013 Human Molecular Genetics -sarjassa julkaistussa erittäin tarkassa 20 potilaan mtDNA-kartoituksessa, kun kaikilta tutkituilta löytyi jonkin verran kahta erilaista mitokondrioperimää. Ihmisen ohella ainakin hiirillä, sammakoilla, sardelleilla, banaanikärpäsillä ja siiroilla on todettu jonkin verran koiraiden mtDNA-"vuotoa" jälkeläisille.

Hiiren soluissa mitokondriot on väritetty vihreällä ja tuma sinisellä (D. Burnette, J. Lippincott-Schwartz/NICHD)

Tutkijoiden päätelmä on, että vaikka mitokondriot toki tulevatkin tyypillisesti äideiltä, niitä tulee joskus myös isiltä. Tällaiset tapaukset ovat kuitenkin - ainakin alustavasti - vielä varsin harvinaisia ja epätavallisia. Vielä ei tiedetä, kuinka yleistä isän mtDNA:n periytyminen on, mutta tutkijat arvioivat, että joka viidennellätuhannella voisi olla (merkittäviä määriä) isältä peräisin oleva mitokondrioainesta.

Helsingin yliopiston akatemiaprofessori Anu Wartiovaara ei MTV:n haastattelussa kuitenkaan usko aivan näin suureen lukuun: "Yksi viiteentuhanteen kuulostaa korkealta määrältä, sillä mitokondrio-perimää on tutkittu vuosikymmeniä ilman että isä-periytymistä olisi havaittu. Nykytiedon valossa isältä periytyvä mitokondrio-DNA on äärimmäisen harvinainen tapahtuma."

Oli tapahtuma miten yleinen tai harvinainen tahansa, löytö auttanee kehittämään hoitokeinoja mtDNA:n kopioitumisessa oleviin ongelmiin ja niistä johtuviin sairauksiin. Mitokondriohoitoihin erikoistuneen Wartiovaaran mukaan uusi tutkimus voi avata tutkijoille mahdollisuuksia löytää mekanismeja, jotka joko tarkoituksella tuhoavat tai suojaavat hedelmöityksessä isän mitokondrio-DNA:ta, kertoo MTV. Jos äidin mitokondrioissa on perustavaa laatua olevia ongelmia, ne voidaan ehkä tulevaisuudessa korvata isän vastaavilla. Ongelmana vain on, että siittiöiden mtDNA on usein hyvin altis mutaatioille, mikä helposti haittaa niiden elinkelpoisuutta.

Ensin tutkijoiden vain täytyy saada selville kuinka mtDNA ylipäätään voi periytyä myös isältä. Alustava oletus on, että siittiöiden mitokondriot pystyvät säilymään vain, jos munasolun tuman DNA:ssa on tapahtunut muutos. Tämän mutaation vaikutuksesta munasolu ei enää tunnista ja tuhoa siittiön mukana tulleita vieraita mitokondrioita. Vihiä tähän antaa ominaisuuden periytymistapa, se kun näyttäisi olevan vallitseva eikä väistyvä (eli dominoiva eikä resessiivinen). Tuman DNA:sta löytyy geenien vastinparit kummaltakin vanhemmalta. Jos nuo vastinparit ovat erilaiset, niistä toinen voi olla dominoiva. Tällöin sen esilletuloon riittää, että se on peritty ainoastaan toiselta vanhemmalta. Ja juuri näin tapahtuu miehen mtDNA:n tuhoutumattomuuden kanssa. Jos kyse olisi resessiivisestä ominaisuudesta, sen pitäisi tulla sekä äidiltä että isältä.

Löytö ei siis tarkoita etteikö sukujuuria selvitettäessä mtDNA yhä kertoisi yhdestä tietystä esivanhempien linjasta. Se ei vain välttämättä ole joka kerta yleistettävissä täysin puhtaaseen äitilinjaan. Joskus kyse saattaakin olla vaikkapa äidin-äidin-äidin-äidin-isän-äidin-äidin linjasta, tai 4999 äidinäidistä, joiden joukossa on yksi isä.

Mitokondrio-DNA koostuu hieman yli 16500 emäsparista. Niistä muodostuu 37 erilaista geeniä, jotka koodaavat lähinnä juuri mitokondrion liittyviä toimintoja. Solun tuman DNA:ssa emäspareja on huomattavasti enemmän, yli kolme miljardia. Niistä muodostuu noin 21000 erilaista geeniä.

Mitokondriot ovat solujen voimaloina toimivia soluelimiä. Niissä varastoidaan kemiallista energiaa, tyypillisesti adenosiinitrifosfaattiin eli ATP:hen, myöhemmin käytettäväksi. Yleisesti hyväksytyn hypoteesin mukaan mitokondriot ovat kehittyneet alkukantaisista esitumallisia eliöistä, joita joutui jossain evoluution vaiheessa suurempien ja monimutkaisempien aitotumallisten solujen sisään. Tuhoutumisen sijaan ne alkoivatkin elää symbioottisesti: "alivuokralainen" sai emosolusta suojaa tarjoten sille samalla hapetus- ja energiantuotantopalvelujaan. Huomattavasti marginaalisemman idean mukaan mtDNA voi myös olla irronnut tuman DNA:sta niihin aikoihin kun aitotumallisten kehityslinja alkoi erota esitumallisista.

Suomessa asiasta kertoi ensimmäisenä MTV Uutiset.

Lähteet: Wu: "Not Your Mom’s Genes: Mitochondrial DNA Can Come from Dad" (PBS NOVA 2018), Luo ja kumpp.: "Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans" (PNAS 2018, maksumuurin takana), Schwartz ja Vissing: "Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA" (NEJM 2002), Payne ja kumpp.: "Universal heteroplasmy of human mitochondrial DNA" (HMG 2013), Ladoukakis ja kumpp.: "Evolution and inheritance of animal mitochondrial DNA: rules and exceptions" (JBR-T 2017), MTV:n uutinen

Otsikkokuvassa nisäkkään keuhkosolun mitokondrioita elektronimikroskooppikuvassa. Koristelusta huolimatta ne eivät liity tutkimukseen.

Tagit

Mainoksen mukaan jokaista käyttöä varten on mobiilisovellus. Ihan pelkkä softa ei vielä riitä DNA:n analysointiin, mutta nyt sen vaatima laitteistokin on niin pieni, että se voi toimia kännyn lisävarusteena. Ja tämä on vasta alkua.

Ruotsalais-kalifornialainen tutkijaryhmä on valmistanut DNA-analysaattorin, joka voi toimia matkapuhelimen kanssa ja joka on niin pieni, että sitä voi äkkiseltään ajatellen pitää varsin massiivisena suojana puhelimelle.

Laitteessa on kaksi laseria, valkoisen valon LED-valo ja suodattimia sekä optiikkaa yhdessä pienen valoa analysoivan ilmaisimen kanssa, ja se pystyy toimimaan tarkkana molekyylimikroskooppina ja tonkimaan geeniperimää selville.

Täyttä geenikartoitusta tällä laitteella ei voi tehdä, mutta se pystyy näyttämään onko solunäytteen kromosomissa merkkejä tuberkuloosista tai syövästä. Niin sanotussa sytogeneettisessa tutkimuksessa katsotaan kromosomien määrää ja rakennetta, ja tämä voidaan tehdä mikroskoopilla. Jos kromosomissa on katkoksia tai muutoksia, voi tämä olla merkki sairaudesta.

Laitteen tietokoneena toimii matkapuhelin. Unohdamme aika usein, että nykyiset älypuhelimet ovat hyvin tehokkaita tietokoneita ja ne ovat järeämpiä laskimia kuin supertietokoneet olivat vielä jokin aikaa sitten.

Normaalisti tämä DNA-tutkimus pitää tehdä laboratoriossa, mutta nyt – jos ja kun tämä noin 500 euroa maksava laite saadaan massatuotantoon – voidaan geenitesti tehdä melkeinpä missä vain ja milloin vain. Perinteiset tällaiset laitteet maksavat sata kertaa enemmän.

Yllä olevat kuvat näyttävät mitä laite pitää sisällään: se on "normaali" DNA-mikroskooppi, mutta vain kompakti, kenttäkelpoinen ja edullinen.

Kuten laboratorioissa olevissa laitteissa, kiinnitetään näytteen soluja mikroskooppilaseille ja kromosomit värjätään, jotta ne näkyvät paremmin. Mikroskoopin ottamat kuvat siirretään matkapuhelimeen, missä oleva ohjelmisto analysoi niitä.

Tarkempia tietoja laitteesta ja sen toimintaperiaatteesta on tuoreessa Nature Communications -julkaisussa ilmestyneessä artikkelissa (mistä yllä oleva kuvakin on).

Kun DNA-analysointitekniikka menee tästä vielä eteenpäin ja geeniperimän kartoitus voisi tapahtua nopeammin ja hyvinkin pienissä laitteissa, voitaisiin esimerkiksi avaimet korvata tällaisilla laitteilla. Tulevaisuuskuvissa esimerkiksi oveen voisi vain sylkäistä, jolloin se tutkisi kuka on tulossa sisään ja avautuisi vain kun se havaitsisi valtuutettujen henkilöiden DNA:ta näytteessä.

Myös poliisille tällaiset laitteet olisivat käteviä – kuten myös erilaisille parempaa valvontaa ja vaikoilua havitteleville tahoille.

Tagit

Uusi tutkimus pistää kirahvit ja ehkä niiden suojelunkin uuteen uskoon. Eläinten huomattiin jakautuneen neljään lajiin jo kauan sitten.

Geneettinen tutkimus vihjaa kirahvien jakautuneen neljään lajiin. Löytö julkaistiin Current Biology -tiedelehdessä.

Tutkimuksessa perehdyttiin DNA-pätkien jakautumiseen 105 kirahvilla sekä 190 eläimen mitokondrio-DNA:han, joka periytyy vain emolta. Aineisto saatiin ihonäytteistä.

Tutkimuksessa mukana ollut Axel Janke vertaa kirahvilajien välisiä eroja vastaavaksi kuin ruskea- ja jääkarhuilla. Karhulajit tosin eriytyivät lajeiksi varsin äskettäin, vain 150 000 vuotta sitten. Kirahvit taas kasvoivat erilleen jo 1 - 2 miljoonaa vuotta sitten. Kirahvien ulkomuodossa ei kuitenkaan ole tapahtunut yhtä suuria muutoksia kuin karhuilla - oletettavasti koska niillä uusien lajien elinympäristö ei merkittävästi poikennut "alkuperäisestä".

Lajeilla ei ole vielä virallisia suomenkielisiä nimiä. Vapaat suomennokset tutkijoiden ehdotuksista ovat kuitenkin etelänkirahvi, masaikirahvi, verkkokirahvi sekä pohjoisenkirahvi. Alla suurpiirteinen kartta niiden esiintymisalueista.

Etelänkirahvin (pun), verkkokirahvin (harm), masaikirahvin (sin) sekä pohjoisenkirahvin (vihr) levinneisyysalueet. Alalajit eri sävyillä.

Löydetyt kirahvilajit eivät pääse juurikaan lisääntymään keskenään maantieteellisten etäisyyksien ja esteiden vuoksi. Asia on tiedetty aiemminkin, ja eläimet onkin jaettu värityksensä perusteella eri alueilla eläviin alalajeihin. Nyt kuitenkin todistettiin, että lajiutuminen on jo pitkällä.

Kirahvien lukumäärä on laskenut viimeisten vuosikymmenten aikana lähes puoleen, lähinnä elinympäristön katoamisen ja metsästyksen vuoksi. Yhteensä eläimiä elää vapaana alle 80 000 yksilöä, mutta sekä pohjoisen- että verkkokirahvien määrät ovat jo alle 10 000.

Jokainen kirahvilaji ansaitsee periaatteessa suojelun. Nyt eläintarhoissa voidaankin ehkä paremmin tunnistaa yksilöt, joiden pariutumista voidaan suosia. Myös eläinten siirtoja voidaan suunnitella tarkemmin.

Käytännön suojelumuutokset voivat kuitenkin osoittautua vaikeiksi. Koska läheiset kirahvilajit voivat tehdä keskenään jälkeläisiä, pelkkä lajien suojelu voi huonontaa hybridien asemaa. Samasta syystä afrikannorsuja käsitellään usein yhä yhtenä lajina, vaikka jo vuosia sitten huomattiin, että kyse onkin kahdesta. Suuret savanninorsut ja harvinaisemmat pienet metsänorsut erosivat omiksi lajeikseen jo 2 - 7 miljoonaa vuotta sitten. Ja biisoneitakin suojellaan, vaikka merkittävä osa eläimistä onkin "saastunut" kesyn naudan perimällä.

Jos kaikkia kirahveja halutaan suojella, ongelmaksi voivat nousta liian tiukat suojelun kriteerit ja hybridien asema varantuu. Tärkeämpää voi olla koko lajikompleksin ja niiden elinympäristön suojelu.

Aiheesta kertoi Nature uutisissaan. Suomessa aiheesta kertoi ensimmäisenä Tiedetuubi.

Otsikkokuva: Nigel Swales / Flickr

Tagit

Tuore tutkimustulos kertoo kaikkien kaskelottien periytyvän yhdestä ainoasta naaraasta.

Kaskelotti on tiettävästi suurin planeetallamme ikinä eläneistä pedoista. Suurimpien yksilöiden pituus on yli 20 metriä ja massa 40 tonnin luokkaa.

Vastikään julkaistu kansainvälinen tutkimus on osoittanut, että kaikki nykyään elävät kaskelotit periytyvät yhdestä ainoasta naaraasta. Lajin perimän on jo pitkään tiedetty olevan hyvin kapea, mutta nyt tehty löytö ylitti kaikki oletukset.

Tutkimuksessa perehdyttiin yli 1500 valasyksilön perimään. Aineistoa on kattavasti kaikkialta lajin esiintymisalueelta. Koko kannan määräksi arvioidaan satoja tuhansia.

Kaikkien kaskelottien esiäiti, jonka tutkijat ovat ristineet Evaksi, eli alle 80000 vuotta sitten, viimeisen jääkauden aikaan. Evan perimä levisi yhdessä rysäyksessä lähes räjähdysmäisesti. Arvio perustuu mitokondrio-DNA:ssa (mt-DNA) tapahtuneisiin pieniin ja hitaisiin muutoksiin.

Nyt tehty havainto on erityisen mystinen, koska kaskelotti on niin sanottu kosmopoliittilaji, eli niitä esiintyy ympäri maailman kaikkia meriä (kartta alla). Evan perimän on siis täytynyt olla paljon muiden naaraiden perimää edullisempi ja erittäin nopea leviämään, jotta sen on onnistunut saavuttaa ja vallata koko populaatio.

Juttu jatkuu kartan jälkeen.

Syitä Evan linjan menestykselle voi vain arvailla. Mielikuva yhden ainoan naaraan selviytymisestä jostain katastrofista tai epidemiasta on houkutteleva, mutta rankkaa yksinkertaistusta. Todennäköisemmin kyse on lisääntymismenestykseen vaikuttaneesta huimasta kilpailuedusta. Kenties kyse oli sosiaalisesta käyttäytymisestä, ravinnonhankinnasta, tai jostain aivan muusta.

Erityisen kinkkinen ongelma on nykyisten kaskelottipopulaatioiden eristyneisyyden vuoksi. Naapuriryhmät eivät välttämättä juurikaan vuorovaikuta keskenään. Kaskelottinaaraat ovat lisälsi uroksia paikallisempia, mikä vähentää mitokondrioiden vaihtoa. Paikalliset populaatiot erottuvat hyvin niille ominaisten mt-DNAssa tapahtuneiden pienten mutaatioiden perusteella.

Tilanne on kuitenkin voinut olla erilainen aiemmin, ennen kaupallisen valaanpyynnin alkamista. Tuolloin kaskelotti oli paljon nykyistä yleisempi ja ehkä geenivaihto oli tehokkaampaa. Maailmanlaajuisesti eläimiä arvioidaan olleen noin 1,1 miljoonaa.

Vaikka nykyinen kanta on arvioiden mukaan satoja tuhansia, laji lasketaan vaarantuneeksi. Pahimpia uhkia kaskeloteille ovat juuri toisistaan eristäytyneet populaatiot, silpoutuminen laivojen potkureissa ja sotkeutuminen kalastusverkkoihin, sekä lisääntynyt melu merissä.

Kaskelottien lisääntymistahti on hidasta. Naaraat tulevat sukukypsiksi 9 vuoden iässä, ja ovat lisääntymislykyisiä noin 30 vuoden ajan. Tuona aikana ne synnyttävät poikasen 4–20 vuoden välein. Geneettisestä pullonkaulasta on siis kulunut enintään 2500–6000 sukupolvea.

Kaskelotti kuuluu delfiinien ja miekkavalaiden tavoin hammasvalaisiin. Sen pääasiallista ruokaa ovat suuret mustekalat.

Mitokondrio-DNA on oiva keino emolinjan tutkimuksessa, sillä se periytyy poikaselle aina yksinomaan emolta. Urosten siittiöiden mitokondriot kulutetaan loppuun hedelmöitysprosessissa – ja vaikka niistä sattuisikin selviämään jotain, ne tuhoutuvat myöhemmässä solunkehityksessä.

Löydöstä kertoi Suomessa ensimmäisenä Tiedetuubi.

Jutun pohjalla on käytetty Molecular Ecology -tiedelehdessä julkaistua tutkimusartikkelia (maksumuurin takana). Aiheesta kertoo myös Oregon State Universityn tiedote.

Otsikkokuva: Gabriel Barathieu / Wikimedia Commons
Kartta: Kurzon/ Wikimedia Commons

Tagit

Tuore ruotsalais-suomalainen tutkimus kertoo, että ihmisen geneettisen koodin ‘kielioppi’ on monimutkaisempi kuin minkään puhutun kielen.

Nyt 9. marraskuuta Nature-tiedelehdessä julkaistut tulokset selittävät, miksi ihmisen genomin tulkitseminen on niin vaikeaa.

Ihmisen genomin muodostavien kirjainten A, C, G ja T järjestys paljastui vuonna 2000, kun genomin sekvensointi valmistui. Kirjainten järjestyksen tietäminen ei kuitenkaan riittänyt siihen, että genomitietoa olisi voitu hyödyntää saman tien lääketieteessä. Kuten ihmiskielissä, on geenikielessäkin myös ymmärrettävä, mitä kirjainjonot tarkoittavat. Genomin kielessäkin on ’sanat’ ja ’kielioppi’ – tästä on väläys alla olevassa kuvassa.

Proteiinit kielioppina

Kaikissa ihmiskehon soluissa on lähes identtinen genomi, mutta erityyppiset solut ilmentävät eri geenejä. Kullakin geenillä on kontrollialue, joka sisältää ohjeet siitä, milloin ja missä geeniä ilmennetään.

Tätä säätelykoodia lukevat transkriptiotekijöiksi kutsutut proteiinit, jotka sitoutuvat tiettyihin ’DNA-sanoihin’ ja joko nostavat tai laskevat kohdegeenin ilmentymistä.

Professori Jussi Taipaleen (otsikkokuvassa toinen oikealta) Karoliinisessa instituutissa Ruotsissa vetämä tutkijatyhmä on tunnistanut jo aikaisemmin useimmat yksittäisten transkriptiotekijöiden tunnistamat DNA-sanat. Puhuttujen kielten tapaan DNA-sanojakin voidaan liittää yhdyssanoiksi, joiden lukemiseen tarvitaan useita transkriptiotekijöitä.

Lukemiseen käytettävää mekanismia ei kuitenkaan ole aikaisemmin tutkittu. Niinpä Taipaleen ryhmä kartoitti nyt systemaattisesti transkriptiotekijöiden parien sitoutumista DNA-yhdyssanoihin.

Kartoitus paljastaa, että geneettinen koodi on paljon monimutkaisempi kuin mikään ihmisen käyttämä kieli. Kahta sanaa ei yhdistetä vain poistamalla välilyönti, vaan yhdyssanaan liitetyt sanat muuttuvat muodostaen suuren joukon täysin uusia sanoja.

"Tutkimuksemme tunnisti monia tällaisia sanoja, ja lisää ymmärrystä siitä kuinka geenejä säädellään normaalissa yksilönkehityksessä ja syövässä", sanoo ryhmässä mukana oleva tohtoriopiskelija Arttu Jolma (kuvassa toinen vasemmalta).

Mukana tutkimuksessa tiiviisti olleen Helsingin yliopistossa toimivan Suomen Akatemian Syöpägenetiikan huippuyksikön (missä Taipale on myös mukana) tutkijat osallistuivat tutkimuksen laskennalliseen osaan, jossa vertailtiin uusien DNA-yhdyssanojen esiintymistä ihmisen ja muiden lajien genomeissa. Tavoitteena on hyödyntää tietoa ihmisten geneettisen syöpäalttiuden ymmärtämisessä, koska mutaatio tärkeässä DNA-sanassa voi aktivoida syövälle hyödyllisen tai hiljentää syövältä suojaavan geenin.

Huippuyksikön tutkijat ovat jo aikaisemmin selittäneet, kuinka yhden kirjaimen ero yli kolmen sadan tuhannen merkin päässä syövälle tärkeästä MYC-geenistä sijaitsevassa DNA-sanassa vaikuttaa paksusuolisyövän riskiin. Yhdyssanojen ymmärtäminen mahdollistaa entistä useampien erojen tulkintaa.

Otsikkokuvassa on Jussi Taipaleen tutkimusryhmä Karoliinisessa instituutissa. Kuvassa ovat Taipaleen (toinen oikealta) ja Arttu Jolman (toinen vasemmalta) lisäksi vasemmalla Jekaterina Morgunova ja oikealla Yimeng Yin, Kuva: Ulf Sirborn / Karolinska Institutet

Julkaisu: DNA-dependent formation of transcription factor pairs alters their binding specificity. Jolma A, Yin Y, Nitta KR, Dave K, Popov A, Taipale M, Enge M, Kivioja T, Morgunova E and Taipale J., Nature 9 November 2015, dos: 10.1038/nature15518.

Teksti perustuu Helsingin yliopiston ja Karoliinisen instituutin tiedotteisiin.

Tagit

geeni

genomi

dna

Karoliininen instituutti

helsingin yliopisto

Suomen Akatemia

suomalainen tutkimus

Luonnontieteiden Nobel-palkintojen viimeinen, kemian palkinto, menee tänä vuonna osittain takaisin Ruotsiin, sillä yksi kolmesta palkinnonsaajasta on ruotsalainen – vaikkakin vaikuttaa Brittein saarilla. Tomas Lindahl saa palkinnon yhdessä amerikkalaisen Paul Modrichin ja amerikkalaistuneen turkkilaisen Aziz Sancarin kanssa .

Kolmikko on kartoittanut molekyylitasolla sen, kuinka sovut korjaavat vaurioitunutta DNA-kaksoiskierrettään ja siten auttaa geenejämme vastustamaan haitallisia mutaatioita ja muita vaurioita.

Löytö paitsi on auttanut ymmärtämään paremmin solun toimintaa, niin sen avulla on myös keksitty uudenlaisia hoitoja mm. syöpäsairauksiin.

Solujemme geenit vaurioituvat koko ajan

Etenkin geenimuuntelusta puhuttaessa tuntuu usein siltä, että monet olettavat geenien pysyvät luontaisesti koko ajan samanlaisina. Näin ei ole, vaan koko ajan soluissamme ja niiden perintötekijöissä tapahtuu muutoksia.

Luonnossa oleva luontainen säteily, ultraviolettivalo, elintarvikkeissa ja hengitysilmassa olevat karsinogeenit ja monet muut seikat saavat aikaan sen, että soluissamme tapahtuu koko ajan vaurioitumista. Geenitietoa sisältävä DNA on myös sinällään epävakaa ja haluaa purkautua itsestään.

Kun DNA kopioi itseään solujen jakautuessa, tapahtuu tässäkin virheitä.

Kun nämä kaikki lasketaan yhteen, tapahtuu meissä kaikissa tuhansia mutaatioita ja miljoonia kopiointivirheitä joka päivä.

Tästä ei kuitenkaan aiheudu meille normaalisti mitään haittaa, koska soluissa olevat turvasysteemit huolehtivat koodin korjaamisesta. Mutta joskus tämä ei onnistu, ja tuloksena saattaa olla esimerkiksi syöpä.

Juuri näitä molekyylitason korjausprosesseja ja niiden toimintaa käytännössä ovat tämän vuoden nobelistit selvitelleet.

Tie tämän prosessin ymmärtämiseen alkoi 1970-luvulla, jolloin vielä kuviteltiin DNA:n olevat hyvin vakaa ja pysyvä. Tomas Lindahl osoitti kuitenkin tuolloin, että DNA hajoaa oikeasti niin nopeasti, että ilman jonkinlaista korjaus- ja huoltoprosessia ei elämä maapallolla olisi edes mahdollista.

Aziz Sancar puolestaan keskittyi tutkimaan sitä, miten ihon solut suojaavat itseään ultraviolettivaloa ja sen aiheuttamia vaurioita vastaan. Ihmiset, joilla tämä prosessi ei toimi kunnolla, ovat hyvin herkkiä saamaan ihosyövän pienestäkin altistumisesta Auringon valolle, ja Sancar onnistui selvittämään kuinka solujen nukleotidit (DNA:n rakenneyksiköt) korjaavat itsestään vaurioita.

Seuraavaksi Paul Modrich keskittyi DNA:n kopioitumisessa tapahtuvien virheiden automaattiseen korjaamiseen. Hänen löytämänsä mekanismi auttaa geeniä vähentämään virheitä solunjakautumisen aikana tuhatkertaisesti. Samalla tutkimus paljasti esimerkiksi sen, että periytyvässä paksusuolen syövässä kyse on pitkälti tämän korjausmekanismin toimintahäiriöstä.

Tämä osaltaan osoittaa hyvin, miten lääketieteellinen perustutkimus tuottaa erittäin hyödyllisiä käytännön sovelluksia.

Tagit

Uuden menetelmän avulla DNA:sta voidaan laskostaa lähes mielivaltaisia kolmiulotteisia rakenteita vähän samaan tapaan kuin origameja voidaan taitella. Tuoreessa Nature-lehdessä julkistettua, Tukholman Karoliinisessa instituutissa Björn Högbergin tutkimusryhmässä kehitettyä menetelmää voidaan verrata nanomittakaavan 3D-tulostukseen.

Mukana tutkimuksessa on myös Aalto-yliopisto, missä tietotekniikan laitoksella on tehty menetelmään sen tarvitseva algoritmi. Laskennallisen suunnittelumenetelmän lähtökohtana on tavoitellun kolmiulotteisen rakenteen hilamalli, jollaisia käytetään mm. tietokonegrafiikassa ja teollisessa suunnittelussa. Menetelmän avulla voidaan syötteenä annettu malli kuvata DNA-jonoiksi, jotka ns. DNA-origamitekniikkaa käyttäen yhdistyvät suolaliuoksessa halutuksi rakenteeksi.

Karoliinisessa instituutissa tehdyt, erivahvuisissa suolaliuoksissa toteutetut kokeet vahvistavat, että suunnitellut DNA-kierteet hybridisoituivat haluttuihin muotoihin, jopa kehon luonnollista matalaa suolapitoisuutta vastaavissa liuoksissa.

”Kehittämämme suunnittelumenetelmän etuna on, että saatoimme tehdä prosessista täysin automaattisen ja näin toteuttaa monimutkaisiakin rakenteita. Aiemmat lähestymistavat kolmiulotteisten DNA-rakenteiden muodostamiseen ovat perustuneet käsityöhön ja toteutetut rakenteet ovat olleet hyvin yksinkertaisia. Uskonkin, että kehittyneillä tietoteknisillä menetelmillä tulee olemaan suuri merkitys DNA-nanoteknologian kehitykseen, kun pyritään laboratoriokokeiden mittakaavasta kohti mullistavia sovelluksia”, sanoo professori Pekka Orponen Aalto-yliopistosta.

Uusi menetelmä mahdollistaa lähes mielivaltaisten kolmiulotteisten DNA-rakenteiden syntetisoinnin. Tekniikalle on välitöntä käyttöä solubiologian perustutkimuksessa ja pidemmälle katsoen esimerkiksi täsmälääkkeiden ja elimistön tai ympäristön tilan seurantaan käytettävien bioilmaisinmolekyylien kehittämisessä.

”Biologista käyttöä varten tarvitsemme rakenteita, jotka laskostuvat ja säilyttävät muotonsa laboratorioympäristön lisäksi myös fysiologisissa suolaliuoksissa. Uusi synteesi- ja suunnittelumenetelmä käyttää myös DNA-materiaalia huomattavasti tehokkaammin kuin aiemmat lähestymistavat ja tekee näin mahdolliseksi entistä mutkikkaampien rakenteiden syntetisoinnin”, sanoo tutkimuksen johtaja Björn Högberg Karoliinisesta instituutista.

Menetelmää käyttäen tuotetut rakenteet ovat halkaisijaltaan 20-100 nanometrin (millimetrin miljoonasosan) kokoluokkaa, kun ihmishius on halkaisijaltaan noin 50,000 nanometriä. Uuden tekniikan avulla tutkijat rakensivat muun muassa nanokokoisen pallon, sauvan, spiraalin, pullon ja DNA-tulostetun version istuvaa jänistä esittävästä Stanford Bunny -mallista, joka on 3D-mallintamisessa paljon käytetty testirakenne.

Tietotekniikan laitos hyödynsi laskennassa Aalto-yliopiston Perustieteiden korkeakoulun Triton-laskentaklusterin tietokonekapasiteettia.

Alla on Högberg-tutkimusryhmän tekevä visualisaatio aiheesta.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston lähettämään tiedotteeseen. Kuva: Erik Benson.

Tagit

dna

3D-tulostus

aalto-yliopisto

Karoliininen instituutti

Maalaus: Leifr Eiriksson löytää Pohjois-Amerikan. (Christian Krohg, 1893)

"Kolumbus löysi Amerikan", opetetaan yhä kouluissa. Niin hän löysikin - länsieurooppalaisille valloittajille. Mutta ei ihmiskunnalle.

Ensinnäkin, alueella eleli valmiiksi ihmisiä. Tunnemme heidät intiaaneina.

Toiseksi, viikingit olivat käyneet siellä jo lähes 500 vuotta aiemmin. Tästä on sekä arkeologisia että geneettisiä todisteita.

Mitokondrio-DNA:ta vertaillut tutkimus on osoittanut, että ainakin 11 nykyisin elävällä islantilaisella (neljästä eri sukulinjasta) on sama kantaäiti. Hän oli amerikkalainen intiaani ajalta ennen Kolumbusta.

Kun eurooppalaiset löysivät Amerikan

Islantilaisten historiallisissa kertomuksissa eli saagoissa Amerikan löytö kuvataan varsin tarkasti. Ikävä kyllä eri saagojen väliltä löytyy jonkin verran ristiriitoja. Yleiskuva on kuitenkin selkeä.

Ensimmäinen Pohjois-Amerikan nähnyt eurooppalainen lieni norjalainen kauppias Bjarni Herjólfsson.

Bjarnin kerrotaan matkanneen laivallaan Norjasta Islantiin isänsä luo. Perillä hänelle selvisi, että isä oli muuttanut Grönlantiin paremman elämän toivossa. Bjarni lähti oitis perään, mutta eksyi myrskyn vuoksi kurssista. Tämä tapahtui luultavasti joskus vuosien 985 ja 990 välillä.

Pitkän harhailun jälkeen Bjarni miehistöineen näki viimein lännessä maata. Seutu oli kuitenkin täysin toisenlaista kuin millaiseksi Grönlannin rannikko oli kuvailtu. Jäätiköiden sijasta täällä oli metsäisiä maita, vuoria ja matalia kukkuloita. Bjarni käänsi laivansa takaisin koilliseen eikä laskeutunut maihin - uusien alueiden tutkiminen kun ei häntä kiinnostanut. Lopulta hän saapui Grönlantiin ja kertoi näkemästään. Tarinat oudoista läntisistä maista alkoivat kiertää viikinkien keskuudessa.

Leifr Eiríksson oli muutamia vuosia myöhemmin myös matkaamassa Norjasta kohti Grönlantia. Bjarnin lailla hänkin eksyi kurssista, ja saapui oudoille metsäisille rannoille. Hän muisti Bjarnin kertomukset. Käännyttyään kohti Grönlantia hän pelasti matkalta kaksi haaksirikkoutunutta. Nämä lienivätkin ensimmäisiä tiedettyjä eurooppalaisia Pohjois-Amerikassa - tosin tahtomattaan. Leifr toi Grönlantiin näytille mukanaan outojen puiden oksia. Ne toimivat todisteina niistä uusista maista, joista oli tähän mennessä kerrottu vain tarinoita.

Pian, noin vuonna 1000, Leifr osti Bjarnin laivan ja lähti tämän matkakuvauksen ja omien kokemustensa perusteella takaisin kohti länttä. Hän kulki ainakin Baffininsaaren ja Labradorin kautta Vinlandiin. Vietettyään talven siellä hän palasi Grönlantiin, mukanaan lasteittain viinirypäleitä ja puutavaraa. Paluumatkalla hän pelasti lisää haaksirikkoutuneita, ja sai tästä lisänimen "Onnekas". Ilmeisesti useampikin viikinkiretkue oli eksynyt liian pitkälle Grönlantia kohti matkatessaan.

Vinland on usein tulkittu nykyiseksi Newfoundlandin saareksi Labradorin edustalla. Sen pohjoispäästä löytyy ainoa tunnettu viikinkien asutuspaikka Pohjois-Amerikasta, nykynimeltään L'Anse aux Meadows. Kukaan ei kuitenkaan tiedä, kuinka kauas etelään Amerikan rannikkoa viikingit seilasivat. Vinland voi myös tarkoittaa mantereen Uutta Englantia.

Seuraavien muutamien kymmenien vuosien kuluessa viikingit koettivat asuttaa Vinlandia, ehkä muutamien satojen ihmisten voimin. Intiaanit kuitenkin ajoivat uudisasukkaat tiehensä tehokkaasti. Asutushalu lopahti tykkänään.

Kaupankäynti alkuperäisväestön kanssa kuitenkin ilmeisesti jatkui. Samoin puutavaran hankkiminen läntisistä metsistä. Muutamat arkeologiset löydöt ja historialliset tekstit vihjaavat, että viikingit saattoivat jatkaa kauppamatkojaan Viinimaahan jopa 100-400 vuoden ajan.

Esiäidin tarina

Mitokondrio-DNA:n perusteella voidaan määrittää vain äidin sukulinja. Isältä tulevien siittiöiden mitokondriot palavat loppuun kisatessaan munasolun hedelmöittämisestä. Miehen mitokondriot eivät siis periydy.

Mitokondrioiden perimässä tapahtuvat mutaatiot ovat varsin pysyviä. Äidillä tapahtunut satunnainen mtDNA-mutaatio siis periytyy sekä pojille että tytöille, mutta vain tytöt jatkavat sen levittämistä. Tutkimalla ihmisryhmän mtDNA:n eri muotojen levinneisyyttä voidaan siis rakentaa selkeä äitilinjan sukupuu.

Perimätutkimuksissa on havaittu, että Aasiassa tapahtui mtDNA:n mutaatio noin 60000 vuotta sitten. Sen kaikki jälkeläiset asuvat joko Siperiassa tai Amerikassa. Ja lisäksi ainakin 11 ihmistä Islannissa.

Sukututkimuksen perusteella tätä erikoista mtDNA:ta kantavilla islantilaisilla ei ole ollut yhteistä esiäitiä ainakaan 1700-luvun jälkeen. Todennäköisin ajankohta on paljon kauempana, noin 1000-luvulla.

Vaikka asia ei olekaan täysin varma, sitä pidetään varsin todennäköisenä. Viikingit Vinlandista toivat mukanaan useita intiaaninaisia vaimoiksi tai orjiksi. Ainakin yksi tuoduista naisista sai lapsia viikinkimiehen kanssa, ja ainakin yksi näistä lapsista oli tyttö. Tälle tytölle syntyi ainakin yksi tyttö, ja tälle... sukulinja jatkuu yhä.

Johtuiko intiaanien vihamielisyys uudisasukkaita kohtaan siis naistenryöstöistä? Sitä emme varmaan saa koskaan tietää.

Suuntaa-antava kartta ihmisten liikkeistä ja äitilinjan polveutumisesta mtDNAn perusteella.

Ketkä sitten löysivät "Uuden mantereen" ensimmäisenä?

Viikingit kävivät Amerikassa 500 vuotta ennen länsimaisia löytöretkiä. Myös muiden kansojen on ehdotettu ehtineen sinne meritse ennen Kolumbusta. Näille väitteille ei kuitenkaan ole löytynyt tieteellistä tukea. Kiinalaisten, arabien tai polynesialaisten Ameriikan reissuja ennen 1500-lukua ei ole tiedossa.

Pohjois-Amerikka on ollut asuttuna varmasti jo ainakin 10000, todennäköisesti ainakin 13500 vuotta. Tuolloin Pohjois- ja Keski-Amerikassa liikkui metsästäjä-keräilijöitä, jotka edustivat ns. Clovis-kulttuuria.

Clovisin ihmisten alkuperästä ei ole varmaa tietoa. Perinteisen selitysmallin mukaan heidän esi-isänsä vaelsivat Aasiasta Beringin maasillan kautta Alaskaan jääkauden maksimin tienoilla. Merenpinta oli nimittäin laskenut samalla kun jäätiköt kasvoivat. Muuttoliike alkoi ainakin 14000 vuotta sitten. Jään vetäydyttyä kansat jatkoivat eteenpäin uusille alueille.

Toisen teorian mukaan ainakin osa Amerikan asuttajista tuli Atlantin yli. Perusteena on käytetty kiisteltyä geneettistä yhteyttä muutamien nykyisten intiaaniheimojen ja baskien välillä, sekä näiden tarve-esineiden samankaltaisuutta Pyreneitten niemimaan vastaavien kanssa.

Mikäli jotkut intiaanien esi-isät tulivat Euroopasta, he taittoivat matkansa jäätä pitkin. Voi kuitenkin olla, ettei minkäänlaista pintayhteyttä Atlantin yli sittenkään ollut, ja geneettinen yhteys onkin myöhempää perua.

Myös palljon vanhempia jälkiä Uuden mantereen ihmisasutuksesta löytyy. Etelä-Amerikan länsirannikolla on muutamia paikkoja, joissa on asuttu ainakin 1000 vuotta ennen Clovisia. Hurjimmat (mutta myös tieteellisesti hatarimmat) väitteet sijoittavat ne yli 30000 vuoden ikäisiksi.

Japanin rannikolta pääsi meriteitse Etelä-Amerikkaan helposti. Jopa pienillä veneillä olisi voinut suhteellisen turvallisesti hyppiä Kuriileilta Kamtsatkan kautta Aleuteille, ohittaa Kanadan rannikon jäätiköt, ja seilata aina Peruun ja Chileen asti. Idean todistaminen on kuitenkin vaikeaa: silloiset rannat ovat nykyään satakunta metriä merenpinnan alla.

Oli vanhimman muuttoaallon ikä ja reitti mikä tahansa, näiden kulttuurien jatkumisesta ei juuri ole merkkejä. Kyse oli todennäköisesti epäonnistuneesta kolonisaatiosta. Suurin osa Amerikan alkuperäiskansoista tuli Aasiasta Beringin sillan yli.

Tagit