geeni

Tutkimuksessa perehdyttiin noin 2000 lohen perimään. Kalat on pyydetty noin 40 vuoden aikana ja ovat peräisin kahdesta erillisestä populaatiosta: Toisen kotivedet ovat Tenojoen keskivaiheilla Utsjoen keskustasta 10-20 kilometriä ylä- ja alavirtaan, toisen taas kaukana yläjuoksulla Inarijoessa.

Mielenkiintoista on, että valintapaine on nuorentanut lähinnä vain Tenojoen koiraslohia. Saman populaation naaraissa ikämuutos on ollut minimaalista: 1970-luvulla keskivertonaaras nousi kutemaan kolmen merivuoden jälkeen, nyt "vain" 2,7 vuoden jälkeen. Syytä sukupuolten väliselle erolle (tai edes ikärakenteen muutokselle) ei vielä tiedetä, mutta joitain spekulaatioita voidaan kuitenkin esittää.

On vielä epäselvää, mitkä valintapaineet nuorentavat juuri koiraita ja miksi. Syy voisi olla Tenon kalastuksessa, joka poistaa populaatiosta erityisesti suuria ja vanhoja yksilöitä. Ne kun tuppaavat olemaan yleensä koiraita, mutta toisaalta ne voivat hyvinkin olla uudelleen kutijoita. Syy voi kuitenkin olla myös muualla, kuten vaellusalueissa, ruuassa, tai vaikkapa sukupuolten välisissä käyttäytymiseroissa. On myös selvää, että suuresta koosta on hyötyä naaraalle, kun taas nuoruus voi olla edullisempaa koiraalle.

Vanhojen naaraiden suuri koko lienee niille niin suuri lisääntymisvaltti, että nuorena lisääntymisen mahdollisesti tuomat edut jäävät rytäkässä toiseksi. Suuret lohinaaraat ovat vahvempia, niillä on merkittävästi enemmän mätiä, ja siksi ne saavat paljon enemmän jälkeläisiä kuin nuoremmat kanssasisarensa.

Koiraslohille taas on etua nuorempana aikuistumisesta, sillä jokainen merellä vietetty vuosi lisää riskiä kuolla ennen suvunjatkamista. Uhkatekijöitä ovat esimerkiksi kalastus ja ympäristömuutokset. Näin kutuvesille palaaminen vuotta tai paria aiemmin kuin hitaammin kypsyvät kilpailijat onkin selvä valtti. Kutumenestykseen ei koiraan koolla taas liene juuri väliä. Osa koiraista tulee sukukypsiksi hyvin varhain jo joessa, ja välttyvät näin merten vaaroilta.

Inarijoessa eli Tenojoen toisessa latvahaarassa kutevissa lohissa ei ikärakenteen muutosta havaittu ollenkaan. Sikäläiset lohet ovat jo 40 vuoden ajan olleet merkittävästi nuorempia kuin Tenon keskivaiheilla - koiraat lähtevät sieltä merille lähes poikkeuksetta vain vuodeksi, naaraat vaihtelevasti vuodeksi tai pariksi. Syy voi olla siinä, että Inari on jokena Tenoa merkittävästi pienempi, eikä kaloja pienentävä geenimuoto anna siellä enää kilpailuetua. Tai kenties Inarijoen lohet vaeltavat eri merialueilla kuin Tenon lohet. Tai jotain aivan muuta. Tutkimus aiheesta jatkuu.

Tenojoki sivuhaaroineen on osoittautunut maailman monimuotoisimmaksi lohijoeksi. Alueella esiintyy noin 30 perinnöllisesti erilaistunutta lohikantaa, joista nyt tutkittiin kahta. Osa kannoista on elinvoimaisia, kun taas toiset, kuten juuri Inarijoen populaatio ovat taantuneita ja tärkeiden elvytystoimien alaisia.

Tutkimus perustuu lohien suomuista kerättyyn DNA-aineistoon. Tenojoesta ja sen sivujoista kalastettujen lohien tietoja on kerätty tutkimustarkoituksiin lähes 40 vuoden ajan. Luonnonvarakeskuksen varastoissa onkin suomunäytteitä jo noin 150 000 kalasta.

Lohen ikä korreloi hyvin koon kanssa: Mitä useampia vuosia kala vaeltaa merellä ennen palaamista kotijokeen kutemaan, sitä suurempi se on. Jokainen merillä vietetty vuosi jotakuinkin tuplaa kalan pituuden. Meri-iän katsotaankin määräävän noin 80 prosenttia lohen koosta.

Päivitys 16.11.2018: Lisätty diagrammikuva, kappale valintapaineesta, sekä lisätietoa koiraiden strategioista.

Lähteet: Czorlich ja kumpp. Rapid sex-specific evolution of age at maturity is shaped by genetic architecture in Atlantic salmon (Nature Ecology & Evolution 2018), Erkinaro ja kumpp. Life history variation across four decades in a diverse population complex of Atlantic salmon in a large subarctic river (CJFAS 2018), Luonnonvarakeskuksen Tenojoen lohi -sivut, Helsingin yliopiston tiedote, Luonnonvarakeskuksen tiedote, Primmer: Detecting rapid evolution in salmon: the importance of citizen science and evolving study designs (Nature E&E blog 2018), keskustelu Craig Primmerin kanssa.

Otsikkokuva: Ilkka Jukarainen / Flickr

Pe­rin­nöl­li­syys­tut­ki­mus­ta ajaa tek­nii­koi­den ke­hit­ty­mi­nen ja ute­lias mie­li

Perimän tutkimuksen menetelmät ovat kehittyneet huikeasti viimeisen vuosikymmenen aikana, kun koko perimän tutkimus eli sekvensointi yhdellä kertaa on tullut mahdolliseksi. Lisäksi ala on siitä kiitollinen, että samoja menetelmiä voi käyttää useiden hyvin erityyppisten ominaisuuksien tutkimukseen.

"Näin tässä mahdollisuuden soveltaa tutkimusmenetelmiä myös poikkitieteellisiin aiheisiin", Järvelä sanoo.

Aivosairauksien tutkimus johtikin Järvelän tutkimaan terveitä aivoja ja musikaalisuuden geeniperustaa.

"Kyseessä oli tietyllä tavalla riskitutkimus, mutta tulokset ovat osoittautuneet mielenkiintoisemmiksi kuin osasin odottaa."

Sitä ennen hän ehti kuitenkin tehdä läpimurron laktoosi-intoleranssin genetiikassa.

Myös siihen liittyy tarina.

"Tapasin erikoistumiskoulutukseni aikana Lastenklinikalla 16-vuotiaan pojan, jolla oli synnynnäinen laktaasinpuutos. Hän halusi tietää, millä todennäköisyydellä se olisi myös hänen tulevilla lapsillaan."

Kyseessä on suomalaisen tautiperinnön sairaus, jossa vauvan elimistö ei pysty käsittelemään äidinmaitoa. Kehittyvissä maissa voimakasta ripulia aiheuttava tauti olisi vauvoille kohtalokas. Suomessa näille vauvoille on tarjolla erityisiä, hintavia äidinmaidonkorvikkeita.

Järvelä kiinnostui aiheesta laajemmin, sillä lievempi aikuistyyppinen hypolaktasia, jota yleisesti kutsutaan laktoosi-intoleranssiksi, esiintyy Suomessa miljoonalla ihmisellä ja jopa puolella koko maailman väestöstä. Hän totesi laktoosi-intoleranssin geneettisen taustan ensimmäisenä maailmassa pornaislaisista suvuista.

Toisin kuin synnynnäinen laktaasinpuutos, peittyvästi periytyvä laktoosi-intoleranssi on todellisuudessa aivan normaali ominaisuus. Sen sijaan laktoosin sietoon liittyy dominantti geenimutaatio, joka on auttanut ihmisiä selviämään haastavissa ravitsemusolosuhteissa.

Laktoosi-intoleranssi on todellisuudessa aivan normaali ominaisuus. Sen sijaan laktoosin sietoon liittyy dominantti geenimutaatio.

"Evoluution kannalta laktoosin sieto on ollut eloonjäämistekijä, Järvelä toteaa. Tutkimusryhmän kehittämää laktoosi-intoleranssin geenitestiä tehdään Suomessa yhä 10 000 kappaletta vuodessa."

Mutta palataan vielä aivoihin. Niiden normaalistakin kehityksestä tiedetään yhä vain murto-osa.

Musiik­ki on ai­na­kin puo­lik­si ge­neet­tis­tä

"Minua kiinnostaa, miten lapsen aivot voivat kehittyä niin hienosti ja toisaalta, miksi kaikki menee pieleen yhden pistemutaation takia. Siinä on valtava kontrasti", Järvelä sanoo.

Hänen musikaalisuuden geeniperustaa tutkiva projektinsa jatkuu yhä. Tähän mennessä on selvinnyt, että ainakin puolet musikaalisuudesta on selitettävissä geeneillä ja loput ympäristötekijöillä.

"On kiinnostavaa tutkia, mitkä tekijät ajavat ihmisiä tiettyjen asioiden pariin."

Musikaalisuuden perinnöllisyys liittyy muun muassa kuuloon ja korvan karvasolujen toimintaan. Niitä tarvitaan äänen taajuuksien havaitsemiseen sisäkorvan simpukassa, josta havainto kulkee aivokuorelle ja aivojen kuulokeskukseen. Lisäksi halu harjoitella musiikkia on jopa 70-prosenttisesti geneettistä.

Järvelän tutkimuksessa havaittiin myös, että musiikin kuuntelu vaikuttaa geenien ilmentymiseen. Kyseessä ovat samat geenit, jotka aikaisempien tutkimusten mukaan liittyvät laululintujen laulamiseen. Tällä hetkellä tutkitaan tarkemmin geenien säätelyä musiikin kuuntelussa sekä Tapiolan Sinfonietan ammattimuusikoiden soittamisessa mikro-RNA-näytteistä.

Vuo­den do­sent­ti pää­see pi­pe­toi­mal­la flow-ti­laan

Järvelä iloitsee, että Helsingin yliopiston Vuoden dosentti -tunnustus saatiin tänä vuonna lääketieteelliseen tiedekuntaan.

"Itse en ole koskaan tavoitellut läpimurtoa vaan tutkimusta ajaa uusien asioiden löytäminen. Laktoosi-intoleranssin geneettinen tausta luokitellaan läpimurroksi ja sillä on iso merkitys. Lähtökohtana sillekin tutkimukselle oli kuitenkin, että asia oli mielenkiintoinen ja tärkeä tietää."

Hän haluaa pitää tutkimuksensa tiukasti kiinni käytännössä ja tartuttaa samaa löytämisen intoa myös opiskelijoihinsa.

"Pipetointi vie minut flow-tilaan. Tiedän, että siitä tulee tulosta ja tyytyväinen mieli, enkä malttaisi lähteä kotiin."

*

Juttu on lähes suoraan lainattuna Helsingin yliopiston tiedote, jonka on kirjoittanut Elisa Lautala. Otsikkokuva on myös hänen.

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.

Opiskelijahankkeessa kokoon palasista harsittu keinotekoinen hiivakromosomi on 272 871 emäsparia pitkä, eli se on "vain" 2,5 % koko noin 12 miljoonaa paria sisältävästä hiivan kromosomista.

"Tämä on varsin kunnioitusta herättävä osoitus aitotumallisen solun kromosomin uudelleen suunnittelusta, ei vain keinotekoisen DNA:n rakentamisesta", sanoo Farren Isaacs, Naturen haastattelema Yalen yliopiston geneetikko, joka ei ollut mukana tässä hankkeessa. "Voi selvästi nähdä, että tässä haetaan menetelmiä kokonaan uudelle ajalle biologiassa. Siinä perintötekijöitä voidaan suunnitella kokonaan uudelleen.

Tänään Science-lehdessä julkaistun tutkimuksen tutkijaryhmä aikookin jatkaa nyt työtään ja rakentaa koko S. cerevisiaen genomin viiden vuoden kuluessa.

Geenin kasaaminen alkoi New Yorkin yliopistossa hiivan geenin kanssa työtä pitkään tehneen Jef Boeken hankkeena. Hän halusi tehdä genomin siten, että siihen voitaisiin tehdä olennaisia muutoksia – ei vain leikata palasiksi ja koota uudelleen samassa järjestyksessä. Boeken tarkoituksena oli karsia DNA:sta pois joitain perintötekijöitä, jotta niiden tärkeys ja toiminta voitaisiin saada selville.

"En epäillyt lainkaan, etteikö geenin kokoaminen palasista onnistuisi", toteaa Boeke, ja jatkaa: "Olennaisempaa olikin se, että teemme jotain uutta. Voimme esimerkiksi laittaa jotain uutta mukaan genomiin".

"Kuten huomaat, olemme tästä erittäin innostuneita", kertovat lähes yhteen ääneen Turun yliopiston professori Olli Carpén ja dosentti Heli Salminen-Mankonen. Turun yliopisto sekä Varsinais-Suomen, Satakunnan ja Vaasan sairaanhoitopiirit ovat Auria Biopankin taustalla olevat tahot.

Biopankin näytevarasto koostuu aluksi lähes sadan vuoden ajalta Turussa, Porissa ja Vaasassa potilailta otetuista kudosnäytteistä. Viimeisen 20 vuoden ajalta tiedot ovat valmiiksi elektronisessa muodossa: 400 000 näytettä 200 000 potilaalta. Arkiston kudosnäytteet on valettu parafiiniblokkeihin, joissa esimerkiksi näytteiden DNA säilyy vähintään vuosisadan.

Uuden biopankkilain myötä tätä kansallisaarretta on syksystä alkaen mahdollista hyödyntää lääketieteellisessä tutkimuksessa ilman raskasta byrokratiaa.

"Biopankki pystyy tarjoamaan ison määrän näytteitä yhdistettynä merkitykselliseen tietoon potilaiden taudin kulusta", toteaa patologian professori Carpén.

Tutkija pystyy löytämään biopankista hetkessä vaikkapa tietyn tyyppiset syöpänäytteet. Hän saattaa esimerkiksi analysoida näytteiden DNA-mutaatiot ja lisätä tutkimuksensa tulokset pankkiin.

"Biopankin tietokanta tulee vahvistumaan jatkuvasti. Ideana on, että esimerkiksi näytteiden tutkimuksista tehty raakadata tuodaan biopankkiin, mikä tekee pankin tarjoaman tiedon koko ajan arvokkaammaksi", jatkaa Salminen-Mankonen.

Biopankki saattaa nostaa Suomen houkuttelevaksi tutkimuskohteeksi

Suuria näytearkistoja on muuallakin maailmassa, mutta nyt perustettu biopankki on kuitenkin täysin ainutlaatuinen ympäristö. Carpén luettelee siihen lukuisia syitä. "Ensinnäkin Suomessa on vahva julkinen terveydenhuolto, jossa kaikki toimivat samassa ympäristössä. Joissain maissa esimerkiksi diagnostiikka ja potilashoito tehdään eri yrityksissä, jolloin tämän kaltainen biopankki ei ole mahdollinen. Toiseksi monissa maissa ei ole sosiaaliturvatunnusta, jolloin tietojen kokoaminen yhteen on vaikeaa."

Kolmanneksi Carpén mainitsee lainsäädännön.

"Monissa maissa laki tekee näytteiden tietojen yhdistämisen ja hyödyntämisen erittäin hankalaksi tai mahdottomaksi. Neljänneksi, monissa maissa ihmiset eivät ole yhtä valveutuneita biopankkitoiminnan hyödyllisyydestä eivätkä halua luovuttaa näytteitä tutkimuskäyttöön."

"Viimeisimmän Eurobarometrin mukaan 98 % suomalaisista on valmiita antamaan kudosnäytteitään tutkimuskäyttöön biopankin kautta", lisää Salminen-Mankonen.

Biopankki voi nostaa Suomen kiinnostavaksi maaksi lääketieteen tutkimuksessa. Pankin toivotaan houkuttelevan suuria lääketieteen toimijoita Suomeen tekemään kokeita uusimmilla lääkkeillä.

"Tässä on mahdollisuudet saada paikallisesti ja valtakunnallisesti merkittävää uutta liiketoimintaa ja tutkimusaktiviteettia", selittää Carpén. "Ja mikä tärkeintä, sen myötä hyötyvät sairaanhoitopiiriemme potilaat."

Biopankista on erityisesti hyötyä uusien diagnostisten menetelmien kehittelyssä.

Näytteet säilytetään pankissa anonyymisti

Kudosnäytteiden lukumäärä biopankissa tulee kasvamaan jatkuvasti. Uuden lain myötä potilailta tullaan kysymään lupa kudosnäytteiden tutkimuskäyttöön biopankin kautta.

Biopankissa potilaiden henkilötiedot pysyvät turvassa, sillä näytteet ovat pankissa anonyymisti. Tutkijat eivät tiedä keneltä mikäkin näyte on otettu. Vain poikkeustilanteissa biopankin johtaja voi purkaa henkilötietojen salauksen.

"Jos vaikkapa tiettyyn sairauteen on saatavilla uusi lääke, johtaja voi purkaa salauksen", jatkaa Carpén edelleen. "Näin saadaan tietää ketkä potilaat saattaisivat hyötyä lääkkeestä. Biopankki voi siis toimia joidenkin potilaiden henkivakuutuksena."

Lain mukaan ihmisillä on myös oikeus tietää, mihin tutkimuksiin heidän näytteitään on käytetty. Henkilön pyynnöstä biopankin johtaja voi henkilötietosalauksen avaamalla kertoa ne tutkimukset, joissa tietyn henkilön kudosnäyte on ollut mukana. Yksilöityä tutkimustietoa näytteestä ei kuitenkaan ole mahdollista antaa.

Teksti perustuu Turun yliopiston tiedotteeseen.