Osa ihmisen hankkimista ominaisuuksista näyttää siirtyvän lapsille. Paneeko epigenetiikka evoluutio-opit uusiksi?

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa 3/2013.

Kymmenen vuotta sitten laborato­rioista leyhähteli voitonriemua käytäviin ja biokeskusten auloihin. Huhtikuussa 2003 Yhdysvaltojen Marylandissa pidettiin suuri lehdistökonferenssi. Kippis ja onnea! Koodi on kasassa! Ihmisen rakennusohje eli DNA:n kirjainjono oli vihdoin luettu läpi. Tutkijat laskeskelivat toimittajien pyynnöstä, montako kymmentä puhelinluettelollista a-, c-, g- ja t-kirjainten rimpsua täytyisi printata, jos voittoisan urakan tulokset haluttaisiin konkretisoida. Enää ryhti laboratoriotakkien alla ei ole yhtä ylväs. Ei genomiprojektin tuloksissa edelleenkään mitään hävettävää ole, päinvastoin, mutta ihmisen resepti on osoittautunut aavistettua monikerroksisemmaksi.

SÄÄTELIJÄ JUMITTUU | Sittemmin tutkijat eri puolilla maailmaa ovat panneet merkille, että DNA-rihman emäsosaset — a niin kuin adeniini, c niin kuin sytosiini, g niin kuin guaniini ja t niin kuin tymiini — eivät aina olekaan ketjussa puhtaina. Sama pätee proteiineihin, joiden avulla DNA pakkautuu solun tumaan. Molempiin saattaa sitoutua merkittäviä hippuja, joiden tutkijat sanovat olevan geneettisen koodin ”päällä”, latinaksi ja kreikaksi ”epi”. Nämä ”päältäjät” ovat säätelijöitä, jotka milloin vahvistavat, milloin hiljentävät geenien toimintaa eli kehon tarvitsemien kymmenientuhansien eri proteiinien tuotantoa.

Jos aivan tarkkoja ollaan, hämmästystä eivät ole synnyttäneet päältäjät sinällään. Osa niistä on tutkijoiden arkituttuja. Yllätys on se, miten voimallisia ja kauaskantoisia muutoksia päältäjät saavat aikaan. Jokaisessa meistä.

Hurjimmillaan joku geenimme juuttuu minimi- tai maksimiteholle niin, että säätely vaikuttaa vielä seuraavienkin sukupolvien kohtaloihin. Vauva voi siis saada synnyinlahjaksi vaikkapa täydelle teholle viritetyn rasvanvarastointigeenin tai tupakkamyrkkyjä hävittävän geenin.

Näin voi käydä siitäkin huolimatta, että kropassa on järjestelmä, jonka tehtävänä on nollata kaikki säätely siittiöistä ja munasolusta jo ennen hedelmöittymishetkeä. Valtaosa genomia siivotaan vielä uudelleen alkionkehityksen alkumetreillä.

PUNAINEN JA VIHREÄ | Lukuisissa laborato­rioissa viime vuosina karttuneet havainnot panevat perinnöllisyyskäsityksiä uusiksi varsin railakkaasti. Uusiksi taitavat mennä myös biolo­giankirjat, peruskoulua myöten. Kyse on nimittäin evoluutio-oppien aivan keskeisestä luvusta, siitä koulukirjan aukeamasta, jolla vertaillaan Jean-Baptiste Lamarckia ja Charles Darwinia. Luonnontieteilijät esitellään toistensa vastakohtina, Lamarckin nimi punaisessa, hylättyjen ajatusten sarakkeessa ja Darwinin nimi vihreässä, oikeiden oivallusten sarakkeessa.

Vihreän sarakkeen muita avainsanoja ovat sattuman synnyttämä monimuotoisuus sekä luonnonvalinta, joka vähitellen karsii lajien ja lajimuunnosten kirjavasta joukosta kehnot. Suvunjatkamisessa onnistuvat parhaiten ne, jotka ovat ympäristöönsä sopivimpia. The fittest survive! Mutta miksi Lamarck on sysätty punaiseen sarakkeeseen nolojen väärinkäsitysten sekaan?

Kirahvi ja akasia | Peruutetaan hetkeksi 1800-luvun ensimmäisiin vuosiin ja Afrikkaan. Akasian varjossa, kirahvien keskellä Lamarckilla olisi ollut täydellinen paikka esitellä ajatuksensa evoluutiosta — ellei hän tosiasiassa olisi puurtanut Pariisin luonnontieteellisessä museossa, nilviäistutkimusten kimpussa. Teoriansa kuuluisimmaksi käyneessä juonteessa Lamarck nimittäin kuvailee, kuinka lehvistöä kohti sinnikkäästi kurottelevan kirahviäidin vasaa odottaa hiukan edellistä sukupolvea helpompi elämä. Pitempikaulaisen kirahvin elämä.

Lamarck vertaili oman aikansa eliöitä fossiileihin ja oivalsi lajien muuttuvan vähittäin. Se oli tuona historianhetkenä rohkea ajatus. Hänen teoksensa Philosophie Zoologique julkaistiin Darwinin synnyinvuonna 1809. Evoluutio oli Lamarckille eliöiden matkaa kohti täydellisyyttä, mutta suurten kehityslinjojen ja edistyksen rinnalla hän havaitsi sattumanvaraisempia muutoksen kiemuroita. Hän järkeili, että lajit muuntuvat myös ympäristöolojen mukaan, kuten akasioiden ja kirahvien tapauksessa.

Lamarckin ansio on äärettömän suuri, koska hän ensimmäisenä johti huomion siihen, että kaikki elollisessa samoin kuin elottomassakin maailmassa tapahtuvat muutokset johtuvat luonnon laeista eivätkä yliluonnollisista ilmiöistä, suitsuttaa itse Darwin Lajien synty -kirjassaan. Lamarck antoi sanalle biologia sen modernin merkityksen. Kuitenkin hänen karmea erehdyksensä oli kuvitella, että yksilö siirtää maailman koettelemuksissa hankkimansa hyödylliset ominaisuudet jälkeläisilleen: että hankinnaisominaisuudet muka periytyvät. Tai näin Lamarckille ainakin biologiankirjan punaisessa sarakkeessa irvaillaan. On irvailtu jo vuosikymmenet.

KÄSKYJEN RUUHKA | Nyt yllä ei kuitenkaan loista Afrikan aurinko. On lumimyryinen päivä pohjoisilla leveyksillä ja aikaa vierähtänyt kaksi vuosisataa. Tiedeuutisia kuunnellessa hiipii mieleen, että Lamarckin tuomio on kovin ankara.

On korkea aika lausua uusi sana. Epigenetiikka. Siitä perinnöllisyystieteen käsillä olevassa murroksessa on kyse. Epigeneetikkojen alaa ovat geenien toiminnan vahvistajat ja vaimentajat, mutta eivät mitkä tahansa vahvistajat ja vaimentajat.

Kuka hyvänsä biotieteilijä on voinut jo iät ja ajat kipaista naapuritalon bioteknologiayritykseen ostamaan purtilollisen nestettä, jolla hän on hetkellisesti ohjaillut valitsemiensa geenien toimintaa soluviljelmissään. Nesteellä voi vaikuttaa siihen, kuinka geeneihin kirjoitettuja ohjeita luetaan syntyville soluille. Jokin ohjeen kohta voidaan vaikkapa hypätä yli. Epigeneetikko puolestaan keskittyy rajuotteisempaan säätelyyn, sellaiseen, joka saa alkunsa DNA:n emäksen tai DNA:n pakkaajan kemiallisen rakenteen muutoksesta.

Helsingin yliopiston genetiikantutkija Miina Ollikainen kertoo, että epigeneettisen säätelyn muutoksen voi käynnistää elinympäristö — vaikkapa hengitysilman epäpuhtaudet — tai hienoinen muutos solua ympäröivässä kudoksessa. Myös iän karttuminen voi muuttaa säätelyä. Täyttä esimerkkien luetteloa hän ei pysty antamaan, sillä se olisi käytännössä ääretön.

— Tuttipullojen ja muiden muoviastioiden pehmentiminä käytetyistä ftalaateistahan oli jonkinlainen kohukin, Ollikainen kuitenkin lisää.

— Ftalaattien myrkyllisyys on nimenomaan sitä, että ne vaikuttavat epigeneettiseen säätelyyn. Geenien säätelyvilskeestä vain pikkuruinen osa on niitä epigeneettisiä muutoksia, jotka kulkeutuvat vanhemmilta vauvalle. Juuri nuo prosessit ansaitsevat kuitenkin erityisen huomion. Ne ovat tuntemattomuudessaan kiehtovia ja samalla tärkeä kansanterveydellinen kysymys.

— Meidän pitää laajentaa nykykäsitystä periytymisestä niin, että sukupolvien yli siirtyvät ympäristövaikutukset aletaan ottaa huomioon, Ollikainen tiivistää.

MITÄ VAARI SÖI | Epigeneettisten muutosten aiheuttajista toistaiseksi pengotuin on ruoka. Usein viitatussa, kymmenisen vuotta sitten julkaistussa artikkelissaan ruotsalaiset lääketieteilijät Gunnar Kaati, Lars Bygren ja Sören Edvinsson osoittavat, että ravinnonpuutteesta nuorena kärsineiden miesten lastenlapset kuolevat muita harvemmin sydän- ja verisuonisairauksiin. Heidän lapsenlapsillaan on myös vähemmän tyypin 2 diabetesta kuin yltäkylläisesti syöneiden miesten perillisillä. Olet sitä, mitä isovanhempasi söivät, kuuluukin yksi epigeneetikkojen lentävistä lauseista.

Myös Helsingin yliopiston epigenetiikan professori Minna Nyström selvittelee hiirikokeissaan ruokakysymyksiä. Hänen ryhmänsä tutkii, miten länsimainen ruokavalio vaikuttaa suoliston limakalvon solujen geenisäätelyyn ja sitä kautta syöpien syntyyn.

— Ravinto viipyy paksusuolessa verrattain kauan ja pääsee siellä rauhassa vaikuttamaan geenien toimintaan, Nyström sanoo. Niin ikään Miina Ollikaisen tuoreimmat työt liippaavat läheltä ruokaa. Hänen ryhmänsä tutkii identtisiä kaksosia, joista toinen on normaali- ja toinen ylipainoinen. Kun tutkittavilla on sama perimä, ikä ja sukupuoli ja kun lapsuusajan olot ja jopa nykyinen elinympäristö eroavat vain vähän, saadaan vakioitua monta epigenomiin mahdollisesti vaikuttavaa tekijää. Jäljelle jäävien erojen joukosta siivilöidään esiin lihavuuteen liittyviä epigeneettisiä merkkejä.

— Olemme halunneet tunnistaa niitä muutoksia, jotka toimivat hälytyksenä lihavuuden mukanaan tuomista aineenvaihduntahäiriöistä, Ollikainen kertoo tutkimuksistaan, jotka hän on tehnyt apulaisprofessori Kirsi Pietiläisen kanssa. Ehkä heidän löytämiään varhaisia vaaranmerkkejä voidaan tulevaisuudessa käyttää riskitapausten tunnistamisessa. Se auttaisi motivoimaan potilaita muuttamaan elintapojaan.

— Osa epigeneeettisistä muutoksista on löytynyt tunnettujen lihavuusgeenien kohdalta, mutta mukana on myös muutama yllätysgeeni.

Jos eri laboratorioiden ravintotutkimuksia selailee rinnakkain, hahmottuu myös yleisemmän tason löytöjä. Niissä korostuu sikiön epigenomin herkkyys ympäristölle. Äidin teot, olot ja vointi näyttävät piirtyvän vahvasti vauvaan. Jopa moni vanhuuden sairaus ohjelmoituu epigenomiin jo kohdussa.

TARRAAJAT JA LASKOKSET | Jos laskeudutaan ihmiskohtaloista molekyylien mittakaavaan ja teknisiin kysymyksiin, epigenetiikan suuri puhuttaja on pieni hiilestä ja vedystä rakentuva molekyylin osanen, niin kutsuttu metyyliryhmä. Se valikoi DNA-ketjusta kohdan, jossa emäkset c ja g — sytosiini ja guaniini — ovat perätysten, ja tarraa kiinni. Tapahtuu kemiallinen rakennemuutos, metylaatio, joka saattaa vaimentaa geenin. Nämä termostaatit ovat yksilönkehityksen kannalta ratkaisevan tärkeitä. Kun kellumme kohdussa ja solumme alkavat erilaistua, metylaatio on keskeinen keino muovata soluja eri kudoksiin sopiviksi.

Paha kyllä, metyyliryhmiä tapaa myös väärästä paikasta väärään aikaan. Monessa lääketieteen laboratoriossa tutkitaankin niiden roolia sai­rauksien juoksupoikina. Jos metylaatio esimerkiksi vaientaa holtitonta solunjakautumista ehkäisevän geenin, se tulee avanneeksi tietä syövälle.

Metylaatiomuutokset voivat siis olla kirjaimellisesti elämän ja kuoleman kysymys. Siitä huolimatta Minna Nyström uumoilee, että metylaatioiden asema epigeneetikkojen mielenkiinnon kohteena alkaa saada kilpailijoita.

— Epigeneettisen säätelyn muihin mekanismeihin verrattuna metylaatioita on toistaiseksi ollut helpoin tutkia, mutta menetelmät kehittyvät.

Professorilla on veikkauksensa myös siitä, minkä mekanismin tutkimus on lähdössä nousuun. Hänen arvauksensa osuu säätelyyn, jonka keskeinen peluri on nimeltään histoni. Se on hännäkäs proteiini, jonka avulla DNA sulloutuu solun tumaan. DNA-rihman pakkaamisen yksityiskohdat vaikuttavat siihen, kuinka syntyvä paketti kommunikoi ympäristönsä kanssa. Jos histonien häntiin on sitoutuneena tiettyjä ylimääräisiä osasia, laskoksista tulee löyhät ja paketin sisällä oleva geeni pääsee toimimaan kovilla kierroksilla.

— Minunkin ryhmäni pitäisi hiirten dieettitutkimuksessa edetä seuraavaksi histonimuutoksiin, Nyström suunnittelee.

LAMARCK PANNASTA | Länsimainen dieetti ja vaikkapa ftalaatit ovat koettelemuksina kovin eri maata kuin Afrikan kirahveja haastavat aka­siapuut. Mutta voisiko ne silti rinnastaa Lamarckin kuvailemiin ympäristötekijöihin? Keräämmekö pizzeriasta ja konditoriasta perintöä, joka näkyy jälkeläisissä? Muuttuuko karppaajan ruokavalio kehon piirteiksi, joita seuraavakin polvi joutuu kantamaan? Helsingin yliopiston biologian filosofian tutkija Tomi Kokkonen ei vaikuta varauksettoman vakuuttuneelta.

— Evoluutio on edelleen juuri sellaista valikoitumista, josta Darwin puhui, hän sanoo.

— Ehkä epigenetiikan näkymiä voisi kuvata niin, että opimme liittämään evoluutiobiologian ja yksilönkehitystä koskevan tiedon — kehitysbiologian — entistä paremmin yhteen. Siinä korostuvat ihmisen muovautuvuus eli se, että samasta genotyypistä voi syntyä ilmiasultaan erilaisia yksilöitä, eri fenotyyppejä.

Myös Minna Nyström ja Miina Ollikainen ovat kieli keskellä suuta, kun heiltä kysyy epigeneettisen periytymisen yksityiskohdista. Ollikainen sanoo odottavansa lisää tutkimusdataa. Usean sukupolven ketjuja on tutkittu vasta vähän.

— On joitakin hiiritutkimuksia, joissa isän puolelta saadut ominaisuudet näkyvät neljässäkin polvessa. Periytymisen mekanismi ei kuitenkaan ole selvillä. Itse metylaatio näyttäisi häviävän, mutta sen synnyttämä piirre silti siirtyy. Tutkijat painottavat, ettei ole olemassa vakuuttavaa näyttöä epigeneettisten merkkien suorasta periytymisestä sukusolujen kautta jälkeläisille.

— Useat tapaukset, joissa puhutaan epigeneettisestä periytymisestä, voivat mielestäni selittyä huomaamatta jääneellä genomin muutoksella, Minna Nyström sanoo.

— Tämä huomaamatta jäänyt muutos vaikuttaisi epigeneettiseen säätelyyn samalla lailla sukupolvesta toiseen. Nyströmin mukaan genomi ja epigenomi ovat erottamattomat. Metylaatio saa jatkuvasti aikaan spontaaneita virheitä DNA:han, ja perimän virheet voivat muuttaa epigeneettisiä säätelijöitä. Molemmat biotieteilijät ovat joka tapauksessa ponnekkaasti sitä mieltä, että epigenettisen säätelyn valtava voima ravistelee biologian ja lääketieteen maailmankuvaa vielä moneen otteeseen.

Jos taas ajatellaan ihmisten tavallista elämää ja valintoja, ei periytymisen teknisillä yksityiskohdilla ehkä edes ole niin suurta merkitystä. Tärkeämpää on pitää mielessä, että vanhempien ja jossain määrin isovanhempienkin elintavat ja kokemukset vaikuttavat seuraavaan polveen.

Ainakaan Lamarckin kunnian kannalta periytymisen teknisillä yksityiskohdilla ei taida olla merkitystä. Hän eli elämänsä autuaan tietämättömänä geeneistä ja vielä etäämmällä epigenetiikasta. Niinpä genetiikan ja epigenetiikan välinen rajankäynti on lamarckismin arvioinnin kannalta yhdentekevää. Hänen siteeratuin ajatuksensa eli oppi hankinnaisominaisuuksien periytymisestä on joka tapauksessa ansainnut päästä pannasta.

EVOLUUTION OIKOTIE | Lamarckin kunnianpalautus ei tarkoita, että hänen teoriansa kannattaisi ostaa nahkoineen karvoineen. Siinä on yhä ongelmansa. Kirahvitarinassa piilee höperö päämäärähakuisuuden ajatus ja yhtä outo visio kaukaisuudessa siintävästä täydellisyyden tilasta. Tosiasiassa kirahvin biokemiasta ei löydy mitään tulevaisuuteen vilkuilevaa ja sen fiksusti huomioon ottavaa kehittymisen mekanismia. Tomi Kokkonen huomauttaa, että siltä osin epigenetiikka ja luonnonvalinta ovat samaa sarjaa.

— Kumpikaan ei vie kohti ”parempaa”, hän sanoo.

— Edes funktionaaliset muutokset eivät välttämättä ole funktionaalisia enää seuraavissa polvissa. Huonolla tuurilla mikä tahansa ominaisuus voi hetkessä muuttua taakaksi.

— Jos esimerkiksi ympäristön ankaruus vaihtelee sukupolvia kestävinä jaksoina, voisi olla eduksi, että ankarat olot laukaisisivat aggressiivisuuden ja tehokkaan energianvarastoinnin tapaisia epigeneettisesti periytyviä ominaisuuksia. Myöhemmin ne voisivat hävitä. Geenitoimintaa säätelemällä voi siis pärjätä sellaisissa ongelma- tai murrostilanteissa, jotka ovat liian nopeita ratkaistavaksi geenimutaatioiden avulla. Epigenetiikkaa onkin nimitetty evoluution oikotieksi. Minna Nyström puolestaan viittaa kasveihin, joiden epigeneettinen säätely on hänen mukaansa paljon hienostuneempaa kuin ihmisten.

— En ole kasviasiantuntija, mutta sen verran osaan sanoa, että niiden pärjäämisestä iso kiitos kuuluu juuri nopealle epigeneettiselle säätelylle.

— Kasvit ovat siis meitä edellä, mutta perusmekanismeiltaan niiden säätely on yllättävänkin samanlaista kuin nisäkkäissä, metylaatioista ja histonimuokkauksesta alkaen, Nyström vertaa.

JUHLAT ODOTTAVAT | Ainakin puoli vuosisataa olemme ehtineet ajatella, että ympäristö ja geenit ratkaisevat ihmisen ilmiasun. Nyt luetteloa on pakko jatkaa: meitä muovaavat ympäristö, genomi ja epigenomi. Epigenetiikka on niin vinhaan kasvava ja naapuritieteisiinkin työntyvä tiedon ala, että kaikilla sen vaikutuspiiriin joutuvilla eivät tahdo asiat pysyä järjestyksessä. Minna Nyström huomauttaa, että samalla ympäristön, genomin ja epigenomin käsitteet saattavat sotkeutua. Epigenetiikka on linkki ympäristöstä perimään. Epigenetiikka ja ympäristön vaikutus eivät siis ole sama asia.

— Ympäristö vaikuttaa meihin usein epigenetiikan kautta, eli jättää epigenomiin merkin, mutta ei aina. Ympäristöllä riittää keinoja. Esimerkiksi monet myrkyt aiheuttavat muutoksia suoraan geeneihin. Tomi Kokkonen muistuttaa periytymisen olevan vieläkin monikerroksisempaa: geneettinen koodi ja epigenetiikka ovat tapoja muiden joukossa. Ihmisten maailmassa vähintään yhtä keskeistä on se, millaisen sosiaalisen ja kulttuurisen perinnön lapsi saa.

— Lisäisin listalle myös ympäristönmuok­kauksen eli sen, miten eliöt vaikuttavat omaan tai naapurilajien ekologiseen lokeroon. Ympäristö muuttaa lajeja ja lajit ympäristöä — syklissä.

Kerroksisen periytymisen ajatus on lohdullinen. Vaikka ote epigenetiikasta on hapuileva eikä epigeneetikkojen voitonjuhlia vietetä vielä vuosikymmeniin, se on jo käynyt selväksi, että geenien hirmuvalta on murrettu. Ne eivät ole koko totuus. Epigenomi on genomia armollisempi, näyttääpä tilanne juuri nyt kuinka rujolta hyvänsä. Epigenetiikan ilmiöt ovat joustavia. Muutokset voivat kumoutua ja perintökuorma keventyä. Ainakin teoriassa, Nyström huomauttaa:

— Vielä on mahdollista miettiä, jatkammeko merten sotkemista öljyyn ja valitsemmeko ruokaamme kovia eläinrasvoja.

Taustatietoa artikkeliin antoi myös eläinlääke­tieteellisen tiedekunnan anatomian ja kehitys­biologian yliopistonlehtori Mikael Niku.

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