Evodevo on biologian kolmas mullistus. Hampaat ja kallot johdattavat tutkijoita yhä syvemmälle alkionkehitykseen ja lajien syntyyn.

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa 8/14.

Kuin pitsiä, akatemiaprofessori Jukka Jernvall sanoo ja liu’uttaa sormeaan norpan alaleuan hammaskaarta pitkin.

— Yksinkertainen mutta kaunis.

Näin kuuluu Suomen ja ehkä maailmankin mahtavimman hampaan evoluution tutkijan arvio.

— Hylkeet eivät juuri pureskele, niiden ala- ja yläleuan hampaat tuskin koskevat toisiinsa, Jernvall lonksauttaa tutkimuskallon leukaperiä.

— Hampaat ovat olemassa lähinnä saaliiseen tarttumista varten.

Hampaiston pikku virheet eivät siksi haittaa hylkeenelämää niin pahasti, että luonto karsisi poikkeamat tiukalla seulalla. Hylkeiden leuoista löytyykin harvinaisen suuri kirjo perinnöllisiä muunnelmia.

— Niistä näkee, millaisia muotoja yksilönkehityksessä saattaa syntyä, mikä kaikki variaatio on ylipäänsä mahdollista.

Tämän kehitysbiologisen potentiaalin tutkiminen on vuosituhannen alun biologian suuri aihe. Eliölajien perimän läpiluvusta on tulossa rutiinia, ja biotieteilijät tähyilevät yhä innokkaammin geenien taakse. Mikä muu kehitystä ohjaa kuin itse geeneihin koodatut rakennusohjeet? Kuinka keho hienosäätää geenien toimintaa? Miten ympäristöpaineet vaikuttavat geenien aktiivisuuteen?

EVOLUUTION RAJAT | Jukka Jernvall on ottanut yhden näistä evoluution avoimista avainkysymyksistä urakakseen. Hän toivoo selvyyttä niihin yksilönkehityksen lainalaisuuksiin, jotka rajaavat evoluution suuntaa. Luonto nimittäin pääsee valitsemaan tai suosimaan eläimiä vain tietyissä raameissa. Tarjolla on ainoastaan sellaisia yksilöitä, joiden rakentaminen käy päinsä.

Jernvallin ryhmä on tällä työllään luonut perustaa oppialalle, josta puhutaan biologian kolmantena vallankumouksena. Ensimmäinen kumous olivat Charles Darwiniin henkilöityneet ajatukset luonnonvalinnasta, seuraava käänne oli ymmärtää DNA-molekyylissä piilevä koodi ja nyt biologiaa mullistaa tutkimussuunta, jolle on annettu lempinimi evodevo.

Evodevo-termi on suomeksi hankala, koska siinä yhteennivoutuneet sanat evolution ja development olisi molemmat luonteva kääntää kehitykseksi. Evodevo olisi siis kehityksen kehityksen tutkimista. Virallisissa yhteyksissä puhutaan usein evolutiivisesta kehitysbiologiasta.

Evodevossa alkionkehityksen ja lajien synnyn mekanismeja tutkitaan limittäin. Kaksi aikaskaalaa peilautuu toisiinsa. Samalla tutkijan työkalujen valikoima kasvaa: käyttöön saadaan niin museoihin kootut fossiilit kuin molekyylibiologian laboratorioiden hohdokkaimmat kojeet.

NORPPAJONO | Jernvallin opettajissa ja vanhemmissa kollegoissa on molempien välineiden käyttäjiä: paleontologeja fossiilikaivauksillaan ja kehitysbiologeja kantasoluviljelmien ääressä. Jernvallin väitöstä ohjasivat evoluutiopaleontologian professori Mikael Fortelius ja hammaslääketieteestä kehitysbiologiaan loikannut akateemikko Irma Thesleff.

Ihmisten lisäksi Jernvallia auttavat jyrsijät. Hänen ryhmänsä tiedejulkaisujen vakiotähti on hiiri. Elokuinen Nature-artikkeli kertoo, kuinka tutkijat toistivat hiiren hampaan evoluution laboratoriossa käyttäen apunaan nystermänkasvattajaproteiinia nimeltä ektodysplasiini.

Hiiritöiden rinnalla etenee hyljetutkimus.

— Päätimme isolla joukolla selvittää saimaannorpan, Suomen ainoan endeemisen nisäkkään genomin. Suuri urakka on kohta siinä pisteessä, että varsinainen hauskuus eli vertailutyö alkaa. Yksi 10 000 vuotta vanha nurmolainen norppa odottaa jo vuoroaan, samoin Itämeren ja Laatokan norpat.

10 000 vuotta on hyljetutkijoille maaginen lukema. Niin kauan oma norppamme, alkujaan merieläin, on sinnitellyt järvessä.

LEMPIKALLO | Eksoottisin tutkimista odottava otus on 85 vuotta sitten syntynyt tukholmalaishylje, jonka kallon Jernvall on lukinnut kirjahyllynsä alakaappiin. Tutkija eksyi aarteen jäljille uransa alkuvuosina eläintieteellisen laitoksen kellariarkistossa. Käsiin osui tapauskertomus, jonka oli vuonna 1929 kirjoittanut Ruotsin luonnonhisto-riallisen museon tutkija Einar Lönnberg.

Lönnberg kuvailee, kuinka Skansenin eläintarhan hyljealtaassa oli tapahtunut ihmeitä. Itämerennorppanaaraan ja kahden halliuroksen joukkoon oli yllättäen syntynyt kuutti.

— Kuutti on todellinen keskiarvo. Hampaatkin ovat norpan pitsihampaiden ja hallin torahampaiden tyylikäs välimuoto, Jernvall ihailee.

— Hallille ja norpalle syntyvä poikanen on kuin ihminen ja simpanssi olisivat risteytyneet.

Kuutti tosin syntyi kuolleena — joko geeniensä takia tai siksi, että olosuhteet altaassa olivat kehnot.

Kuutin kalloa voi ihailla yliopiston Biotekniikan instituutin käytävälle kiinnitetyistä valokuvista, mutta syvempääkin tietoa on luvassa. Kiitos genomilaboratoriota Viikissä johtavan Petri Auvisen taituroinnin, kummajaisesta saatiin eristetyksi perimänäyte.

KARHUTESTI | Jernvallin ryhmän hahmottelemilla kehityksen malleilla ja kehitysbiologisilla säännöillä on toistaiseksi ollut loistava ennustusvoima. Niitä on testattu jyrsijöiden lisäksi muun muassa karhuista tehdyillä mittauksilla. Jernvallilla on mielessään varsin täsmällisiä oletuksia myös siitä, mitä saimaannorpan genomi tutkijoille pian paljastaa.

— Paleontologian jälkiviisaus on hienoa, fossiileihin voi luottaa. Hammas on loistava väline evoluution tutkijalle: fossiili jo puhjetessaan.

Hampaan muoto ja koko nimittäin määräytyvät alkionkehityksen aikana, minkä jälkeen särmät, pinnat, nystermät ja kokosuhteet eivät muutu. Ympäristörasitteet näkyvät korkeintaan kulumina.

— Lihaksista ja aivoista sanotaan, että use it or lose it. Hampaiden tarina on yksinkertaisesti use it and lose it. Hampaan kruunua ei voi bodata, se ei ole muovautuva. Tämä yksinkertaistaa tutkimista, Jernvall tuumii.

Olettamukset siitä, kuinka tarkkaan eläinten kehon rakenteet ovat virittyneet ympäristöolosuhteiden myötäisiksi, ovat hiukan kolhiintuneet. Jotkut käyttötarkoituksen ohjaamaksi oletetut piirteet — vaikkapa tietyn karhunhampaan harjanteen mataluus suhteessa toisiin — saavatkin selityksensä yksilönkehityksen sisäisestä logiikasta: siitä, että luonnossa asiat järjestyvät pikemminkin yksinkertaisesti kuin mutkikkaasti.

— Luonto on opportunisti ja evoluutio laiska. Laiska, Jernvall toteaa useaan otteeseen.

KUONAA VAI EI | Evoluution laiskuus on yksi evodevon kulmakivistä. Samalla kun evoluutio on loihtinut ympärillemme toinen toistaan mielikuvituksellisempia lajeja, se on pystynyt tai joutunut suojelemaan osaa eliökunnan yhteisestä perinnöstä — perimästä — uskomattoman hartaasti.

Evodevoa käsittelevän Loputtomat kauniit muodot -kirjan tekijän, yhdysvaltalaisprofessori Sean B. Carrollin mukaan yksi alan lähtösy-säyksistä oli, kun Baselin yliopistolla 1980-luvulla työskennelleet Bill McGinnis ja Mike Levine löysivät eri lajien geeneistä hämmentäviä yhtäläisyyksiä. Vaikka samankaltaisuutta on esimerkiksi perhosten, hauen, katkojen, kengurun ja ihmisen väliltä vaikea arvata, yksilönkehitystä ohjaavat niin kutsutut isäntägeenit ovat silti niillä kaikilla yllättävän identtiset.

Kun paljastui, että näiden luonnon tarkasti vaalimien isäntägeenien tehtävä on tuottaa DNA:n ”katvejaksoihin” kiinnittyviä säätelyproteiineja, koko käsitys evoluutiosta tuntui huojahtavan. Säätelijäproteiinien on pakko olla aavistettua tärkeämpiä, ja varsinaisia geenejä ympäröivä perimäaines, jota oli alkuun pidetty vain historian kuonana, sai aivan uuden hohteen.

Biologipiireissä virisi villi ajatus, että elämän kirjoa eivät ehkä selitäkään eliöissä tapahtuvat suuret kehitysnykäykset — kuten uusien geenien synty, vanhojen geenien mutaatiot ja geenijoukkojen monistuminen — vaan säätelymuutokset.

SÄÄTELIJÄT | Osa geenienvälisistä perimän jaksoista, ”roska-DNAsta”, on siis osoittautunut kehityksen kannalta hyvin merkittäväksi. Jotkut arvioivat, että kuonaa onkin vain kaksi prosenttia geenejä ympäröivästä perimästä, toisten mielestä 20 prosenttia. Jernvall kohauttaa olkiaan ja ehdottaa keskustelua matemaatikkojen kanssa.

Kumpulan matemaatikotkin nimittäin painiskelevat perimän katvealueisiin liittyvien kysymysten kanssa ja vielä erittäin menestyksekkäästi. Heidän kehittelemänsä algoritmi seuloo tehokkaasti geenien välisestä DNA:sta esiin merkittäviä jaksoja kuten ”telakoita” isäntägeenien tehtailemille säätelijöille.

Geenien liepeiltä löytyvien säätelyalueiden, geenikytkinten, avulla kunkin geenin aktiivisuutta voi kiihdyttää, vaimentaa tai kokonaan sammuttaa.  Kun eri kudoksia ja kehon rakenteita alkionkehityksen aikana valmistetaan, pois- ja päälle-kytkennöillä on ratkaiseva merkitys.

Yksilön varhaiskehityksen aikainen geenisäätely on moniportaista, hienovireistä ja hetkeen sidottua. Säätöoperaatioiden avulla luonto tuottaa eri lajien populaatioihin myös variaatiota ja siten sysii evoluutiota eteenpäin.

— Jos sopeutumisen kannalta tärkeän muutoksen saa aikaan säätelymuutoksilla, miksi muutettaisiin geenejä? Geenin tuottamalla proteiinillahan on lähes aina kehossa paljon eri tehtäviä. Säätelymuutos on usein helpompi tie, Jernvall vertaa.

Norpan hampaiden kummallisuuksillekin etsitään selityksiä sekä geenimutaatioista että geenien säätelyalueiden muutoksista. Matemaatikot Esko Ukkonen ja Teemu Kivioja auttavat Jernvallin ryhmätoveria, Outi Hallikasta, etsimään ”hammasgeenien” liepeillä piileviä säätelyalueita.

PERIMMÄINEN | Säätelyn rooli kehityksen ohjaajana ei kuitenkaan ole likimainkaan selvä, Jernvall painottaa. Kymmenien laboratorioiden biologit miettivät tälläkin hetkellä, mikä lopulta on evoluution ja kehityksen selittämisen perimmäinen taso.

— Mille yksinkertaisuuden asteelle selittämisessä voidaan päästä? Puhutaanko säätelyn muutoksista, geenien muutoksista, muutoksista useiden geenien muodostaman verkoston toiminnassa? Emme tiedä.

Mutta se ihmistä kuitenkin aina kiehtoo: perimmäiselle selittämisen tasolle pääseminen.

Mutkikkaiden eliöiden koko kehitysprosessin ymmärtämisestä ei oikeastaan vielä edes haaveilla. Työmaa on nöyrästi pilkottu kapeisiin sarkoihin, joista Helsingin yliopisto on hampaiden lisäksi ottanut omakseen muun muassa kilpikonnan kuoret sekä tietyt käärmeiden ja liskojen ominaisuudet. Maailmalla ehkä vauhdikkaimmin etenee raajojen kehityksen tutkimus.

— Aivan epäsuomalaisesti täytyy kuitenkin sanoa, että me hammastutkimuksinemme olemme edelläkävijöitä.

Perinne on Helsingissä vahva. Jernvall kiittää väitöstyönohjaajiensa lisäksi heidän edeltäjiään, Lauri Saxénia ja Björn Kurténia.

— Mikään ei synny tyhjästä.

Jukka Jernvall painottaa muutenkin evodevon vuosisataisia juuria. Vaikka ala nyt pyrähtelee eteenpäin algoritmien ja geeniteknologian ajamana, moni keskeinen idea syntyi konstailemattoman aivo- ja käsityön maailmassa.

Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa ja rakastu tieteeseen.

Lue lisää evodevosta painetusta Yliopisto-lehdestä.