Kirjahylly

Biologia on valtava aihe. Maa-planeetalla on huikea joukko elämänmuotoja. Tiedämme jo 286 000 kukkakasvilajin, 500 000 sienilajin ja 750 000 hyönteislajin olemassaolosta. Lisäksi monia muita lajeja löydetään edelleen. Viisikymmentä vuotta sitten biologian tiede jakautui erillisiin tieteenaloihin, joista kukin analysoi elämää eri tasolla. Oli morfologiaa, fysiologiaa, biokemiaa, taksonomiaa, ekologiaa, genetiikkaa ja niin edelleen, jotka kaikki työskentelivät pitkälti erillisissä akateemisissa osastoissa. Genetiikan keksinnöt ovat kuitenkin tarjonneet joitakin tärkeimpiä yhdistäviä teemoja koko biologialle, niin että nyt käsitteelliset säikeet yhdistävät tieteenaloja.

Tärkein temaattinen säie, jonka genetiikka on tarjonnut, on kirjaimellisesti säie, geneettinenmolekyyli DNA. Tiedämme nyt, että DNA on kaikkien elämän prosessien ja rakenteiden perustana oleva informaatioperusta. DNA-molekyylillä on rakenne, joka vastaa kahdesta elämän keskeisestä ominaisuudesta, lisääntymisestä ja muodon syntymisestä. Tässä kirjassa opimme, että DNA on kaksoiskierteinen rakenne, jonka luontainen rakenne on sellainen, että se voidaan monistaa kahdeksi identtiseksi kopioksi. DNA:n replikaatio on perusta kaikelle lisääntymiselle, solujen ja organismien lisääntymiselle. DNA monistuu ennen solunjakautumista, minkä ansiosta kromosomit jakautuvat kromatideiksi, joista lopulta tulee tytärkromosomeja, jotka siirtyvät tytärsoluihin. Tämä monistumis- ja kromatidien muodostumisprosessi on olennaisilta osiltaan samanlainen sekä suvuttomien että sukupuolittuneiden solujen jakautumisessa, ja se on esitetty kuvassa 1-8. (Huomaa kuitenkin, että näillä kahdella solunjakautumistyypillä on monia eroja, joita käsittelemme myöhemmissä luvuissa). Näin ollen näemme, että DNA:n replikaatio on ominaisuus, joka mahdollistaa solujen ja organismien jäljennösten valmistamisen ja säilymisen ajan kuluessa (kuva 1-9). DNA:ta voidaan siis pitää lankana, joka yhdistää meidät kaikkiin evolutiivisiin esi-isiimme. Lisäksi DNA synnyttää muodon, koska DNA-molekyylin rakennuspalikoiden lineaariseen järjestykseen on kirjoitettu koodi, joka sisältää ohjeet organismin rakentamiseksi; tätä voidaan pitää informaationa eli ”informaationa, joka on välttämätön muodon antamiseksi”. Lajin ainutlaatuiset ominaisuudet, olivatpa ne sitten rakenteita tai prosesseja, ovatDNA:n vaikutuksen alaisia. Näin ollen morfologien tutkimien rakenteiden, fysiologien tutkimien reaktioiden, evoluutiotieteilijöiden tutkimien homologioiden ja niin edelleen taustalla on DNA-molekyylin yhdistävä lanka.

Kuva 1-8

Kun uusia soluja syntyy, DNA:n replikaatio mahdollistaa sen, että kromosomista tulee kromosomipari, joista lopulta tulee tytärkromosomeja ja jotka siirtyvät uusiin soluihin.

Kuva 1-9

DNA:n replikaatio on perusta elämän säilymiselle läpi ajan.

DNA toimii käytännössä samalla tavalla kaikissa eliöissä. Tämä itsessään tarjoaa toisen yhdistävän teeman, mutta lisäksi se merkitsee sitä, että sitä, mitä opimme yhdessä organismissa, voidaan usein soveltaa periaatteessa myös muihin. Tästä syystä genetiikassa on käytetty laajalti malliorganismeja, joista monet esiintyvät tämän kirjan sivuilla. Itse asiassa ihmisgenetiikassa viime vuosikymmeninä saavutetut edistysaskeleet ovat olleet mahdollisia suurelta osin sen ansiosta, että edistysaskeleet on saavutettu niinkin vaatimattomilla malliorganismeilla kuin bakteereilla ja sienillä.

Genetiikka on myös tarjonnut eräitä terävimpiä analyyttisiä lähestymistapoja, joita nykyään käytetään biologisten tieteenalojen kaikilla osa-alueilla. Tärkein niistä on geneettisen paloittelun tekniikka. Tässä kokeellisessa lähestymistavassa mikä tahansa rakenne tai prosessi voidaan purkaa osiin tai ”leikellä” tarkastelemalla, miten mutantit geenit vaikuttavat siihen. Tutkimalla epänormaaliutta voimme päätellä normaalitapauksen. Esimerkiksi tutkittaessa aikuisten organismien kehittymistä hedelmöittyneestä munasolusta, jokainen mutanttigeeni, joka tuottaa kehityspoikkeavuuden, tunnistaa normaalin kehitysprosessin osan. Halvaantuneiden mutanttien sukkulamatokantojen geneettinen analysointi on johtanut normaaliliikettä säätelevien geenien ymmärtämiseen. Kokonaiskuva tietystä prosessista voidaan koota suhteuttamalla kaikki nämä geneettisesti kontrolloidut osat toisiinsa.

Olemme nähneet, että molekulaarinen geenitekniikka on avannut uusia näkymiä soveltavassa biotekniikassa, mutta samat tekniikat ovat yhtä hyödyllisiä myös perustutkimuksessa.Tutkijat ovat manipuloineet hiivan geenejä tuottaakseen täysin keinotekoisia, toimivia kromosomeja, jotka voivat kuljettaa valtavia määriä ylimääräistä dna:ta erityisiin kokeellisiin tarkoituksiin. Viime aikoina on tehty jopa keinotekoisia ihmiskromosomeja, joita voidaan lisätä nisäkässoluihin, niin ihmis- kuin muihinkin soluihin. Kyky eristää geeni koeputkessa, muuttaa sen rakennetta tietyillä tavoilla ja asettaa se sitten uudelleen elimistöön on tarjonnut terävimmän skalpellin geneettiseen paloitteluun.

Toinen menestyksekäs tekniikka on erityisten geenien käyttäminen merkkiaineina.Aivan kuten eläimiä tai kasveja merkitään kirkkaanvärisillä merkinnöillä jossakin biologisessa tutkimuksessa, geenitutkijat käyttävät geenejä tietyissä helposti havaittavissa olevissa muodoissaan rakenteiden – kromosomien, solujen tai yksilöiden – jäljittämiseen. Tätä tekniikkaa on sovellettu kaikilla biologisilla tieteenaloilla, rikostekniikasta solubiologiaan, evoluutioon ja ekologiaan. Esimerkiksi ihmisen sairauksien geenejä eristetään nykyään sen perusteella, että ne ovat kromosomissa lähellä toisiinsa liittymättömiä markkerisekvenssejä (positionaalisen kloonauksen tekniikka). Koska geenejä voidaan siirtää organismista toiseen, geneetikot ovat korvanneet paikalliset geenit ”reportterigeeneillä”, joiden toiminta on helpompi havaita ja tutkia kokeellisesti. (Reportaasigeeni on eräänlainen merkkigeeni, joka merkitsee pikemminkin toimintaa kuin rakennetta.) Tulikärpäsistä saatua luciferaasigeeniä on käytetty tällä tavoin; geeni voidaan lisätä eläinten tai kasvien kromosomeihin siten, että se saa solut hehkumaan niissä kehitysvaiheissa, joissa alkuperäinen geeni kyseisessä paikassa oli aktiivinen. Myös meduusoista peräisin olevaa vihreää fluoresoivaa proteiinia tuottavaa geeniä käytetään reportterina. Tämän geenin omaavat mikrobit hehkuvat vihreinä UV-säteilyn vaikutuksesta (kuva 1-10). Kaiken kaikkiaan geenitekniikka on mullistanut biologiset tieteet, eikä kenelläkään biologilla ole nykyään varaa olla tietämätön tästä tehokkaasta analyysivälineestä.

Kuva 1-10

Transgeeniset hiiret, joiden kromosomiin on lisätty vihreän fluoresoivan proteiinin meduusageeni. (KYODO News International/AP.)

Lisäksi ehkä suurin biologinen menestystarina kaikista on sen selvittäminen, miten geenit tarkalleen ottaen tekevät työtään eli miten informaatio muodostuu. Se on kiehtova tarina, joka on kehittynyt hämmästyttävän nopeasti. Nykyään geneettisen informaation koodaus ja kulku soluissa ovat nykyaikaisen biologisen ajattelun perusteita ja lähtökohtia, joista kokeelliset tutkimukset lähtevät liikkeelle. On syytä tiivistää pääkohdat siitä, miten geneettinen informaatio kulkee tai vastaavasti miten geenit toimivat – tätä on kutsuttu biologian uudeksi paradigmaksi.Kuvassa 1-11 on esitetty kaaviomaisesti geenien toiminnan keskeiset piirteet eukaryootin yleisessä solussa. Eukaryootit ovat eliöitä, joiden soluilla on kalvoon sidottu tuma. Eläimet, kasvit ja sienet ovat kaikki eukaryootteja. Ytimen sisällä on joukko kromosomeja, ja tuman ulkopuolella on monimutkainen joukko kalvorakenteita, kuten endoplasminen retikulum ja Golgin laitteisto, sekä organelleja, kuten mitokondriot ja kloroplastit.

Kuva 1-11

Yksinkertaistettu kuva geenitoiminnasta eukaryoottisessa solussa. Geneettisen informaation perusvirta on DNA:sta RNA:sta proteiiniin. Kuvassa on esitetty neljä geenityyppiä. Geeni 1 vastaa ulkoisiin säätelysignaaleihin ja valmistaa vientiä varten proteiinia; geeni 2 vastaa (lisää…)

Eukaryoottisen ytimen sisällä jotkin proteiineja koodaavat geenit syntetisoivat proteiinituotettaan enemmän tai vähemmän jatkuvasti, mutta toiset on kytkettävä päälle ja pois päältä solun tai organismin tarpeiden mukaan. Signaali geenin aktivoimiseksi voi tulla solun ulkopuolelta, esimerkiksi steroidihormonin kaltaisesta aineesta. Tai signaali voi tulla solun sisältä, esimerkiksi erityisestä säätelygeenistä, jonka tehtävänä on kytkeä muut geenit päälle ja pois.Säätelyaineet sitoutuvat geenin erityiseen alueeseen ja käynnistävät geenin DNA:n transkriptien synteesin. Eukaryoottigeenin proteiineja koodaavalla alueella on välissä osia, joita ei ole tarkoitus kääntää proteiiniksi. Näitä geenin ei-koodaavia alueita kutsutaan introneiksi; ne leikataan pois alkuperäisestä transkriptistä. Jäljelle jääväRNA-sekvenssi muodostaa sanansaattaja-RNA:n. MRNA-molekyylit kulkeutuvat tuman huokosten läpi sytoplasmaan, jossa sytoplasman organellit, joita kutsutaanribosomeiksi, sitoutuvat mRNA:han ja kääntävät mRNA-sekvenssin sisältämän informaation proteiiniksi. mRNA kulkee ribosomien läpi, jotka katalysoivat polypeptidin, aminohappojen muodostaman aminohappoketjun, joka muodostaa proteiinin ensisijaisen rakenteen, kokoamista. Kukin aminohappo tuodaan ribosomille spesifisen siirto-RNA-molekyylin (tRNA) avulla, joka kiinnittyy mRNA:n tiettyyn koodaavaan yksikköön. TRNA:t syntetisoidaan erityisistä tRNA-geeneistä. Yhtään tRNA:ta ei koskaan käännetä proteiiniksi, vaan ne kierrättävät jatkuvasti ja toimittavat tietyn aminohapon ribosomille. Itse ribosomi koostuu monimutkaisesta joukosta proteiineja sekä useista eri RNA-lajeista, joita kutsutaan ribosomaaliseksi RNA:ksi (rRNA). RRNA:n geenit sijaitsevat erityisellä kromosomialueella, jota kutsutaan nimellä thenucleolar organizer. Kuten tRNA:ta, rRNA:ta ei koskaan käännetä valkuaisaineeksi.

MESSAGE

Valkuaisaineita koodaavat geenit toimivat kahden tiedonsiirtovaiheen kautta:

Jokainen proteiineja koodaava geeni koodaa erillistä proteiinia, jolla on erityisiä tehtäviä jokosolun sisällä (esimerkiksi neliönmuotoinen proteiini kuvassa 1-11) tai vietäväksi muualle elimistöön (ympyränmuotoinenproteiini). Vientiin tarkoitettujen proteiinien (erittyvien proteiinien) synteesi tapahtuu ribosomeissa, jotka sijaitsevat karkean endoplasmisen verkkokalvon pinnalla, joka on suurten litteiden vesikkelien järjestelmä. Valmiit aminohappoketjut kulkeutuvat endoplasmisen retikulumin luumeniin, jossa ne taittuvat spontaanisti ja saavat proteiinimuodon. Proteiinit voivat muuttua tässä vaiheessa, mutta lopulta ne kulkeutuvat Golgin laitteen kammioihin ja edelleen erittäviin verisuoniin, jotka sulautuvat solukalvoon ja vapauttavat sisältönsä ulos.

Proteiinit, joiden on tarkoitus toimia sytosolissa, ja suurin osa mitokondrioissa ja kloroplasteissa toimivista proteiineista syntetisoidaan sytosolissa ribosomeilla, jotka eivät ole sidottuja kalvoihin. Esimerkiksi glykolyysin entsyymeinä toimivat proteiinit kulkevat tätä reittiä. Proteiinisynteesi tapahtuu samalla mekanismilla käyttäen samantyyppisiä tRNA:ita. Valmis proteiini irtoaa ribosomista ja taittuu oikeaan muotoonsa sytosolissa. Organelleihin tarkoitetut proteiinit on erityisesti merkitty, jotta ne voidaan kohdistaa organelliin. Lisäksi mitokondrioilla ja kloroplastilla on omat pienet pyöreät DNA-molekyylinsä. Mitokondrioiden tai kloroplastien DNA:ssa olevien geenien koodaamien proteiinien synteesi tapahtuu ribosomeissa itse organellien sisällä. Näin ollen mitokondrioiden ja kloroplastien proteiinit ovat kahta eri alkuperää, joko tumaan koodattuja ja organelliin tuotuja tai organelliin koodattuja ja organellin sisällä syntetisoituja.

Prokaryootit ovat bakteerien kaltaisia organismeja, joiden solut ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia; näissä soluissa ei ole tumaan tai muihin kalvoihin sidottuja rakenteita. Prokaryoottien proteiinisynteesi muistuttaa yleensä eukaryoottien proteiinisynteesiä, jossa käytetään mRNA:ta, tRNA:ta ja ribosomeja, mutta siinä on joitakin tärkeitä eroja. Esimerkiksi prokaryooteilla ei ole introneja.