TIETEESSÄ TAPAHTUU

Transkriptio

1 TIETEESSÄ TAPAHTUU Yliopistolaitoksen juhlavuosi Gregor Mendel Epigenetiikka haastaa käsityksiämme Sattuma ja strategiset valinnat Sattuma ja maailmanpolitiikka Sitaatti-indeksit kvasimarkkinoilla

2 TIETEESSÄ TAPAHTUU TIETEESSÄ TAPAHTUU -lehti kokoaa yhteen eri tieteenalat. Se on foorumi ajankohtaisille ja yleistajuisille tiedeartikkeleille sekä keskustelulle tieteestä ja tiedepolitiikasta. Päätoimittaja: Ilari Hetemäki Toimitussihteeri: Tiina Kaarela Ulkoasu: Heikki Kalliomaa Snellmaninkatu 13, Helsinki Puh. (09) Fax (09) Sähköposti: tieteessatapahtuu@tsv.fi Toimitusneuvosto: professori (emeritus) Leif C. Andersson, päätoimittaja Ilari Hetemäki, professori Timo Honkela, tiedetoimittaja Markus Hotakainen, pääsihteeri Reetta Kettunen, professori Tuija Laine, professori Markku Löytönen (pj.), tutkijatohtori Nelli Piattoeva ja toiminnanjohtaja Lea Ryynänen-Karjalainen. Tilaukset ja osoitteenmuutokset: Puh. (09) Sähköposti: tilaukset@tsv.fi Julkaisija: Tieteellisten seurain valtuuskunta Painos kpl Ilmestyy 6 kertaa vuodessa 33. vuosikerta Lehdestä ilmestyy myös verkkoversio: Vanhat numerot luettavissa verkossa numerosta 7/1996 alkaen. Seuraava numero ilmestyy huhti-toukokuun vaihteessa. Julkaisemme siinä tapahtumatietoja, jotka on lähetetty viimeistään osoitteeseen: toimitussihteeri@tieteessatapahtuu.fi ILMOITUKSET 1/1 takakansi 550 (4-v.) Takakannen sisäsivu 480 (4-v.) Sisäsivut (4-v.) 540 1/1 (mv) 480 1/2 sivu (mv) 280 Myynti: puh tai ilmoitukset@tieteessatapahtuu.fi ISSN (painettu) ISSN (verkkolehti) Vammalan kirjapaino, Sastamala 2015 PÄÄKIRJOITUS Yliopistolaitoksen juhlavuonna katseet tulevaisuudessa Thomas Wilhelmsson 1 Gregor Mendelin työn juuret ja hedelmät: 150 vuotta perinnöllisyyden peruslakien keksimisestä Petter Portin 3 Epigenetiikka haastaa käsityksiämme periytymisestä ja evoluutiosta Hanna Häkkinen, Antti Miettinen, Anne-Mari Mikkonen, Tinja Pitkämäki, Salla Sovelius ja Susanne Varjola 13 Viktoriaaninen aika oli viestinnän ja informaation epookki Markus Mykkänen 20 KATSAUKSIA Sattuma ja strategiset valinnat Ari Sihvola 25 Sattumaa ja maailmanpolitiikkaa Erkki Tuomioja 28 Sitaatti-indeksit ja tieteellisten artikkeleiden kvasimarkkinat Jukka Gronow 31 Tosiasia vai tulkinta? Juha Rikama 35 LYHYESTI Ilari Hetemäki 39 TUTKIMUSTA SUOMESSA Geenien merkitys kansantauteihin aukeaa Jukka Lehtinen 42 KESKUSTELUA Miksi vain Venäjää tutkitaan? Markku Sippola 45 Harmaan talouden harmaasta tutkimuksesta Matti Virén 48 Oululaisessa tieteessä tapahtuu Joel Kivirauma ja Markku Jahnukainen 51 KIRJALLISUUS Suomalaisen maun sosiaalinen eriytyminen Kimmo Korhonen 53 Opintie yläluokkaan tulkintaa luokkaretkeilyn ja eliittien historiasta Ville Okkonen 54 Naisten akateemista uraa edistämässä H. K. Riikonen 56 Toivon ja hyödyn utopioita Itämerellä Pekka Hongisto 58 Sienten elämästä on paljon kerrottavaa Mattias Tolvanen 60 Kielimiehet kirjakielen asialla Anneli Kauppinen 63 Nuolenpääkirjoituksesta informaatiotulvaan Juha Järvelä 66 Suurteos sotasukupolven elämäntaistelusta Teemu Keskisarja 67 Inspiraatio Anna-Riitta Tunturi 68 Paikallisen demokratiamme kehittämiselle eurooppalaisia esikuvia tarjoava tietopaketti Aimo Ryynänen 70

3 Parasta suomalaista tietokirjallisuutta PÄÄKIRJOITUS Yliopistolaitoksen juhlavuonna katseet tulevaisuudessa Thomas Wilhelmsson Helsingin yliopisto täyttää kuluvana vuonna 375 vuotta. Yliopiston juhlavuosi on samalla Suomen yliopistolaitoksen yhteinen merkkivuosi. Kuluneiden 375 vuoden aikana Suomeen on rakennettu kattava yliopistolaitos, joka on ratkaisevasti myötävaikuttanut suomalaisen yhteiskunnan muotoutumiseen ja kehittymiseen. Nassim Kun sittemmin Nicholas Taleb: Keisarilliseksi Aleksanterin Yliopistoksi Antihaurasja Helsingin yliopistoksi muuttunut Asioita, jotka hyötyvät Kuninkaallinen Turun Akatemia perustettiin, epäjärjestyksestä. tavoitteet olivat korkealla. Yliopiston avajaisissa dekaani Mikael Wexionius lausui tunnetussa Ovh. 50 Ovh. 50 loppurukouksessaan: Salli sinä, oi ikuinen Jumala, että tätä Turkulaista Akatemiaa ylistettäisiin koko maailmassa kuin Kreikkalaisten Ateenalaista; että se Teologisissa opinnoissa olisi Wittenbergin, Helmstedtin ja Rostockin veroinen. Ettei se Lainopin opinnoissa jäisi Marburgin, Altdorfin, Leipzigin tai Jenan jälkeen. Että se Lääketieteellisessä tiedekunnassa vastaisi Padovaa, Freiburgia, Strasbourgia ja Pariisia. Että se Filosofian puhtaudessa kilpailisi kaikkien näiden ja muiden mainitsematta jääneiden kanssa. (Klinge ym., Kuninkaallinen Turun Akatemia , Otava 1987, s. 91). Vaikka Wexioniuksen sanavalintoja saatetaankin tulkita vain omalle ajalleen tyypillisen mahtipontisuuden ilmentyminä, ne ovat nykypäivän näkökulmasta mielenkiintoisia. Ensinnäkin lainaus osoittaa, ettei yliopistojen välinen laatukilpailu ole uusi asia. Jo vuonna 1640, kauan ennen kansainvälisten yliopistovertailujen syntyä, osattiin David nimetä Mamet: opinahjoja, jotka olivat erityisen Teatteri. nimekkäitä ja joiden laatua pidettiin korkeana. Ovh. 25 Juuri näihin uusi yliopisto halusi vertautua. välisesti ainutlaatuinen, ratkaisuhakuinen tiedekilpailu Helsinki Challenge Jared Diamond: ( Maailma James Owen Weatherall: Wall Streetin fysiikka. eiliseen saakka. Mitä helsinki.fi/). Ennustamattoman voimme oppia perinteisistä ennustamisen lyhyt Viidestä historia. teemasta yhteiskunnista. Tulevaisuuden oppiminen on erityinen, sillä Ovh. sen 50 käsittely on samal- Mikä tärkeämpää, Wexioniuksen asettamat Ovh. 40 tavoitteet on aikoja sitten saavutettu. Kansainvälisiä yliopistovertailuja ryhdyttiin tekemään ta. Oppilaitoksena yliopiston on mukauduttava la yliopiston oman roolin ja aseman pohtimis luvun alussa. Viimeistään ne todistivat, siihen, miten ihminen tulevaisuudessa oppii. että Helsingin yliopisto on huomattavasti edellä useimpia Wexioniuksen mainitsemia yliopistoja. Helsingin yliopistosta on tullut juuri sellainen kansainvälinen maailmanluokan yliopisto, jollaista hän toivoi. Kilpailu on tänään paljon kovempaa kuin 375 vuotta sitten. Kun yliopiston perustamisen aikoihin maailmassa oli todennäköisesti selvästi alle sata yliopistoa, nyt niitä on laskutavasta riippuen Daniel 000. Kahneman: Helsingin yliopisto Ajattelu on edelleen sadan parhaan nopeasti joukossa. ja hitaasti. Myös koko Ovh. 50 Suomen yliopistolaitos on noussut kansainväli- Daron Acemoglu ja James A. Robinson: Miksi maat kaatuvat Vallan, vaurauden ja sesti arvioiden kovalle tasolle. varattomuuden synty. Helsingin yliopisto ei kuitenkaan juhlavuotenaan aio keskittyä kunniakkaan historian tarkasteluun. Tähtäin on tulevaisuudessa ja yhteiskunnassa. Miten Helsingin yliopisto ja Suomen yliopistolaitos kokonaisuudessaan voivat palvella sekä yhteiskuntaamme että ihmiskuntaa tulevien vuosien aikana? Kuinka toimimme parhaiten yhteiskunnassa, kun lähestymme 400-vuotisjuhlallisuuksia? Mitä pitää tehdä, jotta Helsingin yliopisto silloinkin kuuluu maailman parhaiden yliopistojen joukkoon? Tänä vuonna Helsingin yliopisto esittelee tieteellistä ja koulutuksellista antiaan viiden teeman avulla: Globaali Helsinki, Terveys ja hyvinvointi, Ympäristönmuutos, Muuttuvat maailmankuvat ja Tulevaisuuden oppiminen. Näiden teemojen kautta on rakennettu myös kansain- Hyvin varustetuista kirjakaupoista Hyvän yliopiston tai suoraan tulee opetuksen kustantajalta saralla toimia edelläkävijänä eikä jarrumiehenä. TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015 1

4 Tämän pitäisi olla itsestäänselvyys, mutta se ei ole. Kansainvälinen yliopistopolitiikkaa käsittelevä kirjallisuus on täynnä analyysejä, joiden mukaan yliopistot ovat seuraavan digitaalisen vallankumouksen uhreja: If universities fail to rethink their strategic situations and business models, they may well fall to the coming educational tsunami. (Gary King & Maya Sen, The Troubled Future of Colleges and Universities, PS January 2013). In fifty years, if not much sooner, half of the roughly 4,500 colleges and universities now operating in the United States will have ceased to exist. it will end a system of higher education that, for all of its history, has been steeped in a culture of exclusivity The college classroom is about to go virtual. (Nathan Harden, The End of the University as We Know It, The American Interest, December 2012). Samansuuntaisia kielteisiä ennusteita on lausuttu myös kotimaisessa keskustelussa. Yhdysvaltalaisten huippuyliopistojen MOOCit (Massive Open Online Courses) eli avoimet verkkokurssit veisivät pohjan kotimaiselta yliopistolaitokselta. Suomen yliopistolaitos on 375 vuotisen historiansa aikana joutunut sopeutumaan monenlaisiin teknologisiin, pedagogisiin, yhteiskunnallisiin ja poliittisiin muutoksiin. Digitaalinenkaan vallankumous ei pysty tuhoamaan tai marginalisoimaan luovaa ja joustavaa yliopistolaitosta. Vaikka yliopistot eivät kaadu, ne muuttuvat ja vieläpä syvällisellä tavalla. Tiedämme melko varmasti, että yliopistot ehkä jo kymmenen vuoden kuluttua ovat radikaalisti erilaisia kuin tänään, mutta emme tiedä miten. Viimeistään tablettisukupolven astuminen koulutielle haastaa syvällisesti koulutuksen ja oppimisen perinteisiä muotoja. Jos on oppinut googlettamaan jo ennen kuin on osannut kunnolla lukea, tiedon siirtämiseen perustuva pedagogiikka ei houkuttele. Nopeasti muuttuvassa yhteiskunnassa tietäminen sinänsä ei ole ratkaisevaa, vaan kyky löytää, työstää ja luoda uutta tietoa laajasti. Uudelle sukupolvelle ajan ja paikan käsitteillä on eri merkitys, ja ne ovat vähemmän tärkeitä kuin aiemmille sukupolville. Tietoa on aina saatavilla lähes kaikesta ja missä vain. Yliopistojen on kyettävä osoittamaan, että opiskelija saa lisäarvoa sitoutumisesta fyysisessä maailmassa toimivaan yliopistoon, jotta yliopistoon kannattaa tulla. Täyttääkseen odotukset tulevaisuuden yliopiston tulee aktiivisesti käyttää hyväkseen virtuaalisesti saatavilla olevia koulutuksellisia sisältöjä ja olla avoin kaikkialle maailmaan. Sen tulee vahvistaa kykyä löytää, työstää ja luoda uutta tietoa sekä tuoda monitieteisyyden ja eri tieteenalojen edustajien välinen syvenevä yhteistyö tärkeäksi osaksi jokapäiväistä toimintaa. Yliopiston pitää ottaa todesta humboldtilainen visio opetuksen ja tutkimuksen yhteydestä. Siten yliopisto huolehtii siitä, että koulutuksellisten ja tieteellisten sukupolvien väliset kohtaamiset ovat arkipäivää kaikilla tasoilla. Yliopiston on myös hyvä brändätä itseään elinikäisten ystävä- ja kollegaverkostojen tarjoajana ja vahvistajana. Muutoinkin sen tulee luoda läheiset yhteydet ympäröivään yhteiskuntaan ja kantaa sosiaalista vastuuta laajasti ymmärrettynä. Yliopistolta odotetaan uudenlaista joustavuutta, jotta ihmisten yhä häilyvämmästä suhteesta aikaan ja paikkaan tulee voimavara eikä riski. Digitalisaatio synnyttää runsaasti haasteita opetukselle. Jokainen Tieteessä tapahtuu -lehden lukija tietää, että tutkimuksen puolella haasteet ovat yhtä ajankohtaiset. Avoin tiede ja Big data ovat usein kuultuja iskusanoja. Nekin myötävaikuttavat siihen, että yliopistolaitos on varsin erilainen, kun Helsingin yliopisto juhlii aikanaan 400-vuotispäiväänsä. Menneisyyttä kannattaa juhlia, mutta tärkeämpää on pohtia tulevaisuutta. Kuluvana juhlavuotena Helsingin yliopistossa tehdään molempia. Kirjoittaja on Helsingin yliopiston kansleri. 2 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

5 Gregor Mendelin työn juuret ja hedelmät: 150 vuotta perinnöllisyyden peruslakien keksimisestä Petter Portin Perinnöllisyystieteen isä, Sleesian saksalainen augustinolaismunkki Johan Gregor Mendel ( ), esitti silloisen Itävalta-Unkarin Brünnin (nykyisin Brno Tšekin tasavallassa) luonnontieteellisen yhdistyksen helmikuun ja maaliskuun 8:nnen päivän kokouksissa vuonna 1865 tuloksensa tarhaherneellä (Pisum sativum) tekemistään risteytyskokeista. Tulokset julkaistiin saman yhdistyksen julkaisusarjassa seuraavana vuonna (Mendel 1866). Kuten tunnettua, nämä tulokset, joihin sisältyvät perinnöllisyystieteen peruslait, jäivät vaille vaikutusta 35 vuoden ajaksi, kunnes niiden merkitys oivallettiin vuonna Tällöin kolme kasvitieteilijää julkaisi samanlaisia tuloksia tarhaherneellä ja muilla kasveilla tekemistään kokeista, minkä jälkeen perinnöllisyystiede alkoi voimakkaasti kehittyä ja on nyttemmin muodostunut yhdeksi aikamme johtavaksi tieteenalaksi, jonka vaikutukset ulottuvat kaikkiin yliopistollisiin tiedekuntiin ja yhteiskunnan kaikille aloille. Kasvitieteilijät, jotka toivat Mendelin tutkimukset kaikkien biologien tietoon vuonna 1900, olivat saksalainen Carl Correns ( ), hollantilainen Hugo de Vries ( ) ja itävaltalainen Erich von Tschermak ( ) ja he kaikki viittasivat Mendelin vuoden 1866 julkaisuun, de Vries kuitenkin vain alaviitteessä (Correns 1900a; De Vries 1900; Tschermak 1900). He myös antoivat Mendelille kunnian löydettyjen lainalaisuuksien löytämisestä, de Vries kuitenkin jälleen vasta Corrensin huomautettua häntä tästä (Correns 1900a). Puheena olevat lainalaisuudet, joita Corrensin ehdotuksesta alettiin kutsua Mendelin periytymislaeiksi tai -säännöiksi (Correns 1900a) muodostavat perinnöllisyystieteen eli genetiikan perustan. On paljon keskusteltu siitä, miten itsenäisesti nämä kolme tutkijaa, Correns, De Vries ja von Tschermak, löysivät perinnöllisyyslait ja miten hyvin he tunsivat etukäteen Mendelin työn; onhan tässä yhteydessä usein puhuttu Mendelin lakien uudelleen löytämisestä (ks. esim. Corcos & Monaghan 1990, 1993). Correns ei tiennyt Mendelin kokeista ennen kuin ryhtyi tekemään omia kokeitaan. Mutta hän oli lukenut Mendelin artikkelin ennen kuin kirjoitti omansa, ja hänhän mainitsee Mendelin nimeltä jo työnsä otsikossa (Correns 1900a). De Vries puolestaan tutustui Mendelin työhön jo 1890-luvun lopulla ja jopa muokkasi omassa julkaisussaan käyttämäänsä terminologiaa yhdenmukaiseksi tämän kanssa. Correns ja De Vries siis selvästi myös ymmärsivät täysin, mistä oli kysymys (Correns 1900b; Corcos & Monaghan 1985, 1987a, 1987b, 1987c). Tschermak sen sijaan kenties ei ymmärtänyt mendelismiä lainkaan, ja hänen ansionsa perinnöllisyyslakien itsenäisenä löytäjänä on asetettu kyseenalaiseksi (Monaghan & Corcos 1986, 1987b). Meillä vähemmän tunnettua on, että yhdysvaltalaiset tutkijat pitävät maanmiestään William J. Spillmania ( ) neljäntenä perinnöllisyyslakien löytäjänä Mendelin jälkeen (Johnson 1948). Hän julkaisi periytymisen mekanismia koskevat, vehnällä tekemiensä risteytyskokeiden tulokset vuonna 1902 (Spillman 1902). Spillman on tämän lisäksi erityisesti ansioitunut maatalousekonomian perustajana sekä perinnöllisyystieteen soveltajana kasvinjalostuksessa. Mihin Mendelin onnistuminen perustui, ja miksi hänet unohdettiin? Koska periytymisen problematiikka on kiehtonut ihmisiä aina, ja kokeita sen selvittämiseksi tekivät mm luvun lopussa saksalainen kasvitieteilijä Josef G. Kölreuter ( ) ja 1800-luvun alussa niin ikään saksalaiset, bota- TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015 3

6 nisti Karl F. von Gärtner ( ) ja lakimies ja botanisti Max E. Wichura ( ), ranskalainen kasvitieteilijä Henri Lecoq ( ) sekä englantilainen botanisti William Herbert ( ), voidaan kysyä yhtäältä, miksi vasta Mendel onnistui ongelman ratkaisemisessa, ja toisaalta, miksi Mendelin tulokset jäivät vaille todellista merkitystä miespolven ajaksi. Mendel (kuva 1) viittaa näihin kaikkiin, ja heistä ainakin Gärtnerillä oli huomattava vaikutus Mendeliin, koska hän mainitsee Gärtnerin 19 kertaa vuoden 1866 julkaisussa. Mendelin edeltäjistä kuitenkin Kölreuter oli merkittävin. Hänen moniosainen työnsä (Kölreuter ) oli aikanaan uusia uria aukova (Corcos & Monaghan 1993). Tärkein syy siihen, että Mendel onnistui selvittämään perinnöllisyyden peruslait, oli se että Mendel oivalsi pelkistää periytymisen ongelman lajin sisäistä, vaihtoehtoista muuntelua koskevaksi. Aikaisemmat tutkijat olivat tehneet lajien välisiä risteytyksiä ja täten siis tutkineet liukuvaa muuntelua. Tällöin ominaisuuksien jakautuma jälkeläispolvissa muodostuu syistä, jotka Mendel selitti, niin kirjavaksi ja monimutkaiseksi, ettei mistään yleisistä, yksinkertaisista säännöistä voida päästä perille (Portin 2000). Toinen syy Mendelin onnistumiseen oli se, että hän käsitteli aineistonsa matemaattisesti ja päätyi täsmällisiin ominaisuuksien jakautumissuhteisiin toisessa jälkeläispolvessa. Tämä oli tuohon aikaan täysin uutta biologiassa. Tilastomatemaattisia menetelmiä ei tuolloin vielä ollut, eikä Mendel siis voinut testata tilast ollisesti, pitivätkö hänen olettamuksensa perintötekijöiden jakautumisesta ja uudelleen kombinaatiosta paikkansa. Sen sijaan hän teki olettamustensa testaamiseksi erityisiä testiristeytyksiä. Näissä samoin kuin tavallisissa risteytyksissä hän havaitsi jälkeläisten jakautumisessa niin lähellä teoreettisia odotusarvoja olevat lukusuhteet, ettei mitään epäilyksen sijaa jäänyt (Portin 2000). Miksi sitten Mendelin tulokset ja ajatukset jäivät ilman todellista vaikutusta sukupolven ajaksi? Syitä on varmasti monia. Yksi syy on se, että Mendel julkaisi pienessä paikallisen yhdistyksen julkaisusarjassa, joka tosin levisi hyvin myös Helsinkiin. Niinpä tämä ei voi olla kovin painava syy, sillä ilmestyypä tutkimus missä hyvänsä, se huomataan jos sen merkitys ymmärretään. Tosiasiassa Mendeliä siteerattiinkin vuosien välisenä aikana kaikkiaan noin 20 kertaa, joista 11 koski herneitä (Monaghan & Corcos 1987a; Olby & Gautrey 1968). Siteeraukset käsittelivät kuitenkin risteyttämistä eikä lainkaan perinnöllisyyttä. Vain venäläinen Ivan Fedorovits Schmalhausen ( ) näyttää olleen ainoa, joka oli edes jotenkin jyvällä ja kommentoi pätevästi Mendelin työtä pro gradu -tutkielmassaan vuonna 1874 (Monaghan & Corcos 1987a). Sittemmin Mendelin tutkimus on käännetty ainakin kymmenelle eri kielelle myös suomeksi (Portin 1982). Mendel lähetti julkaisunsa tuon ajan merkittävimmälle kasvitieteilijälle, sveitsiläiselle Karl von Nägelille ( ). Tämä ei ymmärtänyt Mendelin työn käänteentekevyyttä, vaan kehotti häntä tekemään risteytyskokeita keltanoilla (Hierarcium), koska tämä kompleksinen kasvisuku kiinnosti kaikkia sen ajan botanisteja. Tähän Mendel ryhtyikin, mutta varmaan hänen pettymyksekseen tulokset eivät vastanneet herneillä saatuja (Mendel 1870). Syy tähän paljastui vasta paljon myöhemmin, kun keltanoiden todettiin lisääntyvän apomiktisesti ilman hedelmöitystä. Saattaa olla, että herne- ja keltanotöiden yhteensopimattomuus, jota Mendel ei siis itsekään pystynyt selittämään, oli yhtenä aiheena siihen, että hänen työnsä jäi vaille todellista merkitystä kokonaisen tutkijapolven ajaksi. Sitkeästi elävä huhupuhe, jonka jatkamiseen valitettavasti olen itsekin syyllistynyt (Portin 2000) ja jonka mukaan Mendel olisi lähettänyt julkaisunsa myös Darwinille, eikä tämäkään olisi työn merkitystä ymmärtänyt, ei pidä lainkaan paikkaansa. Darwin-spesialistien käsitys on, että hän ei ollut edes saanut kopiota Mendelin julkaisusta, eikä kukaan näytä tietävän, mistä mainittu kuulopuhe on saanut alkunsa ( shaw.ca/mcfetridge/darwin.html). Toinen syy siihen, että Mendel jäi vaille oi keaa ymmärtämistä, oli ehkä se, että biologisen maailman mielenkiinto oli tuolloin keskittynyt evoluutioteoriaan Charles Darwinin julkaistua vuon- 4 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

7 na 1859 kirjansa lajien synnystä (Darwin 1859; Moore 2001). Brünnin luonnonhistoriallisen yhdistyksen sihteeri, professori Gustav von Niessl ( ) vastustikin laatimissaan yhdistyksen vuosikertomuksissa kahdesti, nimittäin vuosina 1902 ja 1905 ilmaisua uudelleen löytäminen. Hän kirjoitti: Mendelin suorittamien pitkäaikaisten kokeiden tärkeät tulokset... eivät siihen aikaan olleet mitenkään tuntemattomia tai kätkössä....hänen työnsä tunnettiin hyvin, mutta siihen aikaan vallinneiden muiden näkemysten vuoksi se pantiin sivuun....mendel ei odottanut mitään parempaa, mutta kuulin hänen lausuvan puutarhassaan Hierarcium- ja Circium-viljelmien keskellä profeetalliset sanat aikani on tuleva. Niesslin lausunnon vahvistaa Määrin puutarhanviljely-yhdistyksen julkaisun muistokirjoitus vuonna 1884: Hänen kokeensa kasvihybrideillä ovat tosiasiassa aloittaneet uuden aikakauden, eikä se, mitä hän on tehnyt, koskaan tule unohtumaan. (Gustafsson 1969). Kolmas syy siihen, että Mendelin työtä ei ymmärretty, oli se, että monet biologit luultavasti katsoivat, ettei periytymisen mekanismia voitaisi ratkaista tuntematta perinnöllisen aineksen vaikutustapaa ja tästähän Mendel ei mitään kirjoittanut. Neljäs ja tärkein syy ymmärtämättömyyteen oli se, että Mendel kerta kaikkiaan oli aikaansa edellä. Hänen keksimänsä perintötekijät, joita nyt kutsumme geeneiksi, jäivät täysin abstraktisiksi. Mendelin käyttämän kirjainsymboleihin perustuvan esitystavan ja tilastomatemaattisen otteen on täytynyt olla 1800-luvun biologeille täysin outoa. Vaikka hänen matematiikkansa ei ole lainkaan vaikeaa, piti moni aikalaisista Mendelin metodia varmaan biologiaan kokonaan soveltumattomana (Portin 2000; Moore 2001). Kuitenkin juuri Mendelin tavoin on meneteltävä luotaessa periytymisteoriaa. Vuonna 1900 tunnettiin jo kromosomit, joista saatiin konkreettinen aineellinen perusta perintötekijöille ja perinnöllisyystiede alkoikin kehittyä ripeästi. Tähän mennessä biologit olivat myös jo oppineet soveltamaan matematiikkaa tutkimuksissaan. Perinnöllisyystieteen synty autonomisena tieteenalana Mendelin mukaan yksilön perintötekijät esiintyvät pareina, jotka muodostuvat isän ja emon puolelta peritystä tekijästä. Mendelin periytymissääntöjä, joita hän ei itse varsinaisesti formuloinut, on kaksi: Mendelin ensimmäinen sääntö eli segregaatiosääntö tai lohkeamissääntö ja Mendelin toinen sääntö eli vapaan kombinaation sääntö. Segregaatiosäännön mukaan isän ja emon puoleiset perintötekijät lohkeavat hybridin muodostaessa sukupuolisoluja puhtaina erilleen ja siirtyvät sellaisina hybridin sukupuolisoluihin. Toisin sanoen isän ja emon puoleiset perintötekijät eivät sekoitu keskenään. Hybridin jokaiseen sukupuolisoluun tulee siis yksi kappale, joko isän tai emon puoleinen, kutakin perintötekijää. Vapaan kombinaation sääntö puolestaan sanoo, että lohkeamisen tapahtuessa kukin perintötekijäpari käyttäytyy toisista pareista riippumattomasti. Tämä tarkoittaa sitä, että hybridin muodostaessa sukupuolisoluja, perintötekijät menevät niihin yhtä hyvin niinä kombinaatioina kuin tulivatkin sekä uusina kombinaatioina. Vanhoja ja uusia kombinaatioita muodostuu siis hybridin sukupuolisoluihin yhtä paljon. Ajatus perintötekijöiden lohkeamisesta puhtaina erilleen toisistaan poikkeaa ratkaisevasti aikaisemmasta niin sanotusta sekoittumisteoriasta, jonka mukaan perinnöllinen materiaali olisi nestemäistä ja isän ja emon puoleinen aines sekoittuisivat hybridissä. Sekoittumisteoria on peräisin Hippokrateelta (n. 460 n. 377 eaa.) ja Aristoteleelta ( eaa.) antiikin Kreikasta. He itse asiassa ajattelivat, että perintöaines on verta, mikä ajattelutapa ilmenee kielessämme edelleen sellaisissa ilmaisuissa kuin veren perintö, lämminverinen, aatelisveri ja hurriveri tai se on minulla verissä. Aristoteleen mukaan siemenneste on aivoissa kiehunutta verta ja se antaa muodon sikiölle, joka alkaa kehittyä verestä, joka muutoin olisi poistunut kohdusta kuukautisvuotona (Nordenskiöld 1927; Zirkle 1951; Portin 1967). Sekoittumisteoria säilyi vallitsevana ajattelutapana Klaudius Galenoksen (n ) auk- TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015 5

8 toriteetin turvin hyvin pitkään, niin että vielä nykyaikaisen evoluutioteorian luoja Charles Darwinkin ( ) ajatteli sen mukaisesti (Darwin 1868). Teoria on kuitenkin kohtalokas evoluutioteorialle, koska sen mukaan perinnöllisen muuntelun määrä pienenee aina puoleen joka sukupolvessa, ja lopulta muuntelu häviää kokonaan. Erityisen kohtalokas sekoittumisteoria on Darwinin valintaopin kannalta; jos nimittäin jokin perinnöllinen piirre pyrkisi valinnan ansiosta runsastumaan, se kuitenkin saman tien vähenisi perintöaineksen sekoittumisen johdosta. Kun Darwinin aikalaiskriitikko, englantilainen insinööritaidon professori Fleming Jenkin ( ), huomautti hänelle tästä pulmasta, Darwin oli pakotettu ajattelemaan, että jokaisessa sukupolvessa syntyy täysin uutta muuntelua yhtä paljon kuin sitä sekoittumisen takia häviää. Mendelin luoma periytymisteoria, teoria erillisistä kappalemaisista perintötekijöistä, jotka eivät sekoitu toisiinsa, on nimeltään korpuskulaarinen periytymisteoria (lat. corpusculum = hiukkanen, pieni kappale). Vaikka Mendel puhuikin tässä yhteydessä elementeistä, on selvää, että hän ajatteli perinnöllisen materiaalin koostuvan itsenäisistä ja jakamattomista, siis atomaarisista tekijöistä tai faktoreista, joita nykyisin kutsutaan geeneiksi. Tämä käy ilmi ennen kaikkea siitä, että hän kautta koko julkaisunsa käyttää perintötekijöistä abstrakteja kirjainsymboleja muuten tapa, joka on edelleen käytössä. Korpuskulaarinen periytymisteoria, oppi atomaarisista perintötekijöistä, pohjautuu sekin antiikin Kreikasta peräisin olevaan yleiseen atomioppiin. Sen kehitti filosofi Demokritos (n. 460 n. 377 eaa.) yhdessä toisen filosofin, Leukippoksen (400-luku eaa.) kanssa. Opin mukaan kaikki aine koostuu katoamattomista, jakamattomista ja ikuisesti muuttumattomista hiukkasista, joita Demokritos kutsui nimellä atomos, jakamaton. Evoluutioteorian kannalta korpuskulaarinen periytymisteoria on tärkeä. Päinvastoin kuin sekoittumisteorian mukaisessa perinnöllisyydessä, korpuskulaarisessa periytymisessä geneettisen muuntelun määrä säilyy samana sukupolvesta toiseen, ellei mikään muu voima Kuva 1. Gregor Mendel ( ) 40-vuotiaana. Muotokuva tunnetaan nimellä Komea Mendel. kuin sattumanvarainen pariutuminen vaikuta (kuva 2). Tämä on Hardyn ja Weinbergin tasapainolain nimellä tunnettu säännönmukaisuus, jonka englantilainen matemaatikko Godfrey H. Hardy ( ) ja saksalainen lääkäri Wilhelm Weinberg ( ) löysivät toisistaan riippumatta vuonna 1908, ja joka muodostaa populaatiogenetiikan perustan (Hardy 1908; Weinberg 1908). Periytymissääntöjen jäsentyminen osaksi biologiaa merkitsi perinnöllisyystieteen itsenäistymistä autonomisena tieteenä. Jo ennen vuotta 1900 oli pitkältä ajalta kertynyt paljon yksittäistä fakta-aineistoa perinnöllisyydestä, mutta sitä ei ollut koskaan aikaisemmin järjestetty yhtenäiseksi ja johdonmukaiseksi systeemiksi. Nyt Mendelin säännöt tarjosivat periaatteen, jonka pohjalta systematisointi saattoi onnistua ja voitiin suunnitella kokeita teorian testaamiseksi. Perinnöllisyystieteen kehitystä Mendelin jälkeen voidaan pitää malliesimerkkinä tieteen johdonmukaisesta kehityksestä, joka kulkee ongelmasta sen ratkaisuun, siitä seuraavaan ongelmaan ja sen ratkaisuun ja niin edelleen. 6 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

9 Genetiikka on vuorovaikutuksessa kaikkien muiden biologisten tieteiden ja biokemian kanssa sekä sillä on biotieteiden joukossa suunnilleen sama asema kuin teoreettisella fysiikalla eksaktien luonnontieteiden joukossa. Perinnöllisyyden aineellisen perustan selvittäminen Hyvä esimerkki genetiikan johdonmukaisesta kehittymisestä on perinnöllisyyden aineellisen perustan löytyminen. Ensin vuosina syntyi periytymisen kromosomiteoria, jonka mukaan geenit sijaitsevat solun tuman kromosomeissa aivan spesifisissä paikoissa ja joka teoria varmennettiin 1900-luvun alkukymmeninä. Kromosomiteorian kanssa osaksi rinnakkain syntyi myös periytymisen DNA-teoria, jonka mukaan geenit ovat kemialliselta luonteeltaan deoksiribonukleiinihappoa eli DNA:ta. Tämän teorian eräänlaisena huipentumana voidaan pitää DNA:n rakenteen selvittämistä vuonna Olen aikaisemmin kirjoittanut tässä lehdessä sekä kromosomiteorian että DNA-teorian kehityksestä (Portin 2004; 2013), joten tässä keskityn näiden teorioiden tarkasteluun mendelismin kannalta. Periytymisen kromosomiteoria Samana vuonna 1866 jolloin Mendel julkaisi käänteentekevän tutkimuksensa, ilmestyi myös saksalaisen biologin, lääkärin ja filosofin Ernst Haeckelin ( ) suurteos Generelle Morphologie. Siinä hän esitti johtopäätöksen, jonka mukaan tuma on se solun osa, joka vastaa periytymisestä (Haeckel 1866). Vuosina , jolloin Mendelin työ oli käytännöllisesti katsoen unohduksissa, soluoppi kehittyi suuresti. Useiden, lähinnä eurooppalaisten, tutkijoiden työn tuloksena löydettiin kromosomit ja niiden käyttäytyminen tumanjakautumisten, mitoosin ja meioosin aikana kuvattiin samoin kuin niiden merkitys hedelmöityksessä (Sturtevant 1951). Kromosomien havaittiin esiintyvän pareina ja niiden lukumäärän oivallettiin olevan lajikohtainen ominaisuus. Niiden merkitys periytymisessä alkoi hahmottua. Vuonna 1900, jolloin Mendelin tutkimus pääsi unohduksista päivänvaloon, ilmestyi amerikkalaisen eläintieteilijän ja geneetikon Edmund B. Wilsonin ( ) kuuluisan oppikirjan The Cell toinen laitos, joka osoitti, että tiedot mitoosista ja hedelmöityksestä olivat niin kehittyneitä, että niihin voitiin perustaa genetiikan soluopillinen tulkinta. Sen sijaan tärkeä tietämys meioosista eli sukupuolisolujen kypsymisjakautumisesta oli vielä puutteellista (Sturtevant 1951). Tämä aukko soluoppia koskevissa tiedoissa alkoi pian täyttyä kun yhdysvaltalaiset T. H. Montgomery Jr. ja William A. Cannon osoittivat emon ja isän puoleisten kromosomien liittyvän yhteen meioosin kuluessa ja muodostavan nykyisin bivalenteiksi kutsuttuja rakenteita (Montgomery 1901; Cannon 1902). Periytymisen kromosomiteorian loivat tämän jälkeen vuosina saksalainen biologi Theodor H. Boveri ( ) ja yhdysvaltalainen geneetikko ja lääkäri Walter S. Sutton ( ) (Boveri 1902, 1903, 1904; Sutton 1902, 1903). Boveri (1902) havaitsi, että Paracentrotus lividus -nimisen merisiilin eri kromosomit ovat laadultaan erilaisia, ja että yksilönkehityksen kannalta olennaista on tietty kromosomien valikoima eikä pelkkä lukumäärä. Lisäksi hän onnistui osoittamaan Ascaris megalocephala -nimisellä suolinkaisella, että kromosomeilla on jatkuvuus, toisin sanoen ne säilyvät samanlaisina solusukupolvesta toiseen (Boveri 1903). Nämä Boverin havaitsemat kromosomien ominaisuudet, jotka hän kokosi yhteen vuonna 1904 ilmestyneessä teoksessaan (Boveri 1904), ovat perinnöllisen materiaalin välttämättömiä ominaisuuksia. Sutton (1902, 1903) puolestaan osoitti tutkimuksissaan, jotka koskivat Brachystola magna -nimisen heinäsirkan spermatogeneesiä, että kromosomien käyttäytyminen meioosin aikana selittää jäännöksettömästi Mendelin säännöt, segregaatiosäännön ja vapaan kombinaation säännön. Ensimmäinen tutkija, joka osoitti tietyn periytyvän ominaisuuden ja tietyn kromosomin yhteyden, oli yhdysvaltalainen biologi Clarence E. McClung ( ), joka ehdotti, että X-kromosomi liittyy sukupuolen määräyty- TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015 7

10 miseen (McClung 1901, 1902). Voimakkaan tuen kromosomiteoria sai, kun yhdysvaltalainen eläintieteilijä, geneetikko ja sytologi Eleanor Carothers ( ) osoitti varmuudella eräällä heinäsirkkalajilla kromosomien vapaan kombinoitumisen meioosissa (Carothers 1913). Periytymisen kromosomiteorian todisti lopullisesti oikeaksi yhdysvaltalainen geneetikko ja embryologi Thomas Hunt Morgan ( ) työryhmineen 1910-luvun kuluessa (Morgan 1919, 1926; Morgan ym. 1915). Hän otti perinnöllisyystieteen tutkimuskohteeksi banaanikärpäsen (Drosophila melanogaster), ja hänen kanssaan Columbia yliopiston kuuluisassa kärpäshuoneessa (fly room) New Yorkissa työskentelivät Calvin Blackman Bridges ( ), Theodosius Dobzhansky ( ), Hermann Joseph Muller ( ), Theophilus S. Painter ( ) ja Alfred Henry Sturtevant ( ). Aluksi Morgan itse selitti banaanikärpäsen valkoisen silmänvärin sukupuoleen kytkeytyneen periytymisen olettamalla, että vastaava geeni sijaitsee X-kromosomissa (Morgan 1910, 1911). Pian sen jälkeen Sturtevant laati ensimmäisen relatiivisen geenikartan, joka esittää geenien geneettiset kytkentäetäisyydet kromosomissa. Hän pystyi kartoittamaan kuusi banaanikärpäsen X-kromosomissa sijaitsevaa geeniä lineaariseen järjestykseen (Sturtevant 1913). Relatiivisen geenikartan lineaarisuus oli voimakas todiste joskin epäsuora kromosomiteorian puolesta, koska myös kromosomin varsinainen fysikaalinen rakenne on lineaarinen. Ensimmäinen suora todiste saatiin kun Bridges osoitti, että tiettyä banaanikärpäsen X-kromosomin geenien poikkeuksellista käyttäytymistä meioosissa, nimittäin niiden nondisjunktiota, vastasi X-kromosomien nondisjunktio (Bridges 1914, 1916). Nondisjunktio on poikkeus Mendelin segregaatiosäännöstä. Bridgesin työ itse asiassa todisti kromosomiteorian oikeaksi; näin siis poikkeus vahvistaa säännön. Lisää suoria todisteita periytymisen kromosomiteorian puolesta saatiin kun Morganin oppilaat pystyivät osoittamaan monien banaanikärpäsen geenien tarkat sijainnit kromosomeissa. Tulosten KORPUSKULAARINEN PERIYTYMISTEORIA Kuva 2. Periytymisen sekoittumisteorian ja korpuskulaarisen teorian mallit. Sekoittumisteorian mukaisesti muuntelu puolittuisi jokaisessa sukupolvessa. Korpuskulaarisen teorian mukaan taas muuntelun määrä säilyy samana sukupolvesta toiseen. yhteenveto esitettiin kahdessa laajassa kirjassa (Morgan 1926; Morgan ym. 1915), joissa osoitettiin, että kromosomiteoria selittää Mendelin säännöt jäännöksettömästi. Periytymisen DNA-teoria DNA:n kemiallisena aineena sinänsä löysi sveitsiläinen biokemisti Friedrich Miescher ( ) vuonna 1869, siis samoihin aikoihin kuin Mendel julkaisi perinnöllisyyssääntönsä. Ensiksi DNA, jota Miescher vielä kutsui nukleiiniksi, löytyi ihmisen valkosolujen tumista (Miescher 1871) ja sitten aikaisempaa puhtaampana Reinin lohen maidista (Miescher 1874). Kirjeessään sedälleen vuonna 1892 Miescher esitti jopa ajatuksen, että DNA voisi liittyä perinnöllisyyteen (Judson 1996, s. 12). Vähän Miescherin havaintojen jälkeen, vuosina , saksalainen biokemisti Albrecht 8 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

11 Kossel ( ) havaitsi, että nukleiini siis DNA on osa kromatiinia, materiaalia, josta kromosomit muodostuvat. Lisäksi hän havaitsi, että nukleiinin ohella kromosomit koostuvat erilaisista proteiineista (Olby 1994; Portugal & Cohen 1977). Ensimmäiset viitteet siitä, että kromosomien DNA-komponentti pikemmin kuin proteiinikomponentti muodosti geneettisen materiaalin, saatiin useilla eri eliöillä tehdyistä mutaatiotutkimuksista. Niissä havaittiin, että ultraviolettisäteily aiheuttaa eniten mutaatioita aallonpituudella, joka vastaa DNA:n absorptiomaksimia (Portin 2013). Varsinaiset todisteet periytymisen DNA-teorian puolesta saatiin bakteerien transformaatioilmiöstä, jonka englantilainen bakteriologi Frederick Griffith ( ) löysi pneumokokkibakteereilla vuonna 1928 (Griffith 1928). Transformaatiossa tietyn bakteerikannan solut muuttuvat perinnöllisesti tietyn toisen kannan solujen kaltaisiksi. Tekijää, joka tämän aiheuttaa, Griffith kutsui transformoivaksi tekijäksi (engl. transforming principle). Kun ensin oli pystytty eri tutkijoiden toimesta osoittamaan, että soluton uute voi aiheuttaa transformaation, onnistuivat yhdysvaltalaiset tutkijat Oswald T. Averyn ( ) johdolla vuonna 1944 eristämään soluttomasta uutteesta Griffithin transformoivan tekijän, aineen joka riitti aiheuttamaan transformaation. Tämä aine oli DNA (Avery ym. 1944), ja havainnon täytyi merkitä sitä, että geenit ovat DNA:ta. Averyn ryhmän havainto ei kuitenkaan vielä vakuuttanut koko tiedeyhteisöä, vaan monet uskoivat ryhmän preparaatissa olleen proteiineja epäpuhtautena, ja he ajattelivat vain proteiineilla voivan olla sellainen spesifisyys, joka geneettiseltä materiaalilta edellytetään. Vasta vuonna 1952 yhdysvaltalaisten geneetikkojen Alfred D. Hersheyn ( ) ja Martha Chasen ( ) tekemät kokeet vakuuttivat koko tiedeyhteisön siitä, että geenit ovat DNA:ta. He osoittivat T2-viruksella, että tämän bakteriofagin lisääntymisestä vastaa sen DNA- eikä proteiinikomponentti (Hershey & Chase 1952). Erittäin tärkeitä periytymisen DNA-teorian kehityksen kannalta olivat itävaltalaisen biokemistin Erwin Chargaffin ( ) ja hänen työryhmänsä tutkimukset ja 1950-luvun taitteessa. He pystyivät osoittamaan DNA:n spesifisyyden ja sen, että DNA:n emäsosien pitoisuudet olivat erilaiset eri lajeissa, mutta samat saman lajin eri kudoksissa (Chargaff 1950, 1951; Chargaff ym. 1949). Kaikkein tärkein löytö oli nyttemmin Chargaffin säännöksi kutsuttu lainalaisuus, joka koskee DNA:n emäsosien runsaussuhteita ja pätee kaikissa lajeissa (Chargaff ym. 1949). Säännön mukaan DNA:ssa on aina yhtäältä yhtä monta prosenttia adeniinia (A) ja tymiiniä (T) ja toisaalta yhtä monta prosenttia sytosiinia (C) ja guaniinia (G). Vihdoin vuonna 1953 amerikkalainen geneetikko James D. Watson (s. 1928) ja englantilainen molekyylibiologi ja fyysikko Francis H. C. Crick ( ) ratkaisivat DNA:n rakenteen (Watson & Crick 1953a) ja selittivät rakenteen geneettiset implikaatiot (Watson & Crick 1953b). Heidän kuuluisa kaksoiskierremallinsa perustuu yhtäältä Chargaffin biokemiallisiin tutkimuksiin ja toisaalta englantilaisten biofyysikkojen Maurice H. F. Wilkinsin ( ) työryhmineen sekä Rosalind E. Franklinin ( ) ja Raymond G. Goslingin (s. 1926) tekemiin röntgenkristallografisiin töihin (Wilkins ym. 1953; Franklin & Gosling 1953). Watsonin ja Crickin malli selittää geneettiseltä materiaalilta vaadittavat ominaisuudet. Ensinnäkin malli selittää niin sanotun emäsparisäännön avulla geneettisen materiaalin kyvyn kahdentua ja samalla emäsparisääntö selittää Chargaffin säännön. Toiseksi malli selittää geneettisen materiaalin spesifisyyden, siis geenien laadun. Kolmanneksi malli selittää geneettisen materiaalin kyvyn sisältää informaatiota. Ja vielä neljänneksi malli selittää geenien kyvyn muuttua eli kokea mutaatioita. Näin olivat Gregor Mendelin vuonna 1865 postuloimat faktorit, perintötekijät, joita hän kutsui elementeiksi ja jotka silloin jäivät abstrakteiksi, saaneet lopullisen aineellisen vahvistuksen. Lisäksi tästä keksinnöstä alkoi molekyyligenetiikan voimakas ja yhä jatkuva kehitys. TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015 9

12 Mendelin työn uusimmat hedelmät Mendelin vuonna 1865 löytämien perinnöllisyyslakien merkityksen oivaltamisesta vuonna 1900 alkanut genetiikan voimakas ja johdonmukainen kehitys jatkuu edelleen. Yhtenä sen tähänastisena kulminaationa voidaan pitää ihmisen perimän eli genomin koko molekylaarisen rakenteen julkaisemista ensinnä luonnoksena helmikuussa 2001 (International Human Genome Sequencing Consortium 2001; Venter ym. 2001) ja lopullisessa muodossaan lokakuun 24. päivänä 2004 (International Human Genome Sequencing Consortium 2004). Tämän jälkeen on johdonmukaisesti ryhdytty selvittämään genomimme eri osien biologisia tehtäviä. Tätä tutkimushanketta toteuttamaan perustettiin syyskuussa 2003 erityinen ENCODE-konsortio (Encyclopedia Of DNA Elements) ( genome.gov/encode/), jonka tarkoituksena on identifioida ihmisen perimän kaikki toiminnalliset elementit. Aluksi analysoitiin pilotti-hankkeena vain pieni osa, 1 prosentti, genomista (The ENCODE Project Consortium 2007), mutta jo vuonna 2012 päästiin varsin kattavaan genomin kuvaukseen (The ENCODE Project Consortium 2012). Mielenkiintoisin tulos ENCODE-projektissa on tähän mennessä ollut se, että, päinvastoin kuin oli aikaisemmin ajateltu, valtaosa genomista on toiminnallista. Se osa genomista, jota ennen sanottiin tilke- tai roska-dna:ksi (engl. junk DNA), vastaakin erilaisista säätelytehtävistä, eikä perimässämme todennäköisesti ole lainkaan mitään ylimääräistä tarpeetonta materiaalia (Pennisi 2012). Aivan äskettäin on myös julkaistu ensimmäinen luonnos ihmisen proteomista eli eri geenien tuottamista proteiineista eri kudoksissa (Kim ym. 2014; Wilhelm ym. 2014). Viimeisin virstanpylväs perimämme tutkimuksessa on ihmisen, banaanikärpäsen ja Caenorhabditis elegans -nimisen sukkulamadon geneettisen transkription tuotteiden sekä transkription säätelyn laajamittainen vertailu (Muerdter & Stark 2014 ja siinä olevat viitteet). (Caenorhabditis elegans on banaanikärpäsen ohella genetiikan perustutkimuksen tärkein koe-eläin). Mendel, joka löysi genetiikan perusteet 150 vuotta sitten, on yksi ihmiskunnan suurista neroista ja 1800-luvulla esiin murtautuneen ratio naalisen ajattelutavan luojista. Häntä meidän on kiittäminen perinnöllisyystieteestä, jonka sovelluksista saamme tänä päivänä niin runsain mitoin nauttia, puhumattakaan tämän tieteen suurenmoisen kauniista rakenteesta, jossa luonnon ilmiöiden yleinen viehättävyys yhtyy suureen täsmällisyyteen. Kirjallisuus Avery, O. T., MacLeod, C. M. & MacCarty, M Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of Pneumococcal types. Induction of transformation by a deoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus type III. Journal of Experimental Medicine 79: Boveri, T Über mehrpolige Mitosen als Mittel zur Analyse des Zellkerns. Verhandlungen der Physikalisch-Medizinische Gesellschaft zu Würzburg N.F. 35: Boveri, T Über die Konstitution der chromatischen Kernsubstanz. Verhandlungen der Deutschen Zoologischen Gesellschaft zu Würzburg 13: Boveri, T. H Ergebnisse über die Konstitution der chromatischen Substanz des Zellkerns. Gustav Fischer, Jena. Bridges, C. B Direct proof though non-disjunction that the sex-linked genes of Drosophila are born by the X-chromosome. Science 40: Bridges, C. B Non-disjunction as proof of the chromosome theory of heredity. Genetics 1: 1 52 ja Cannon, W. A A cytological basis for the Mendelian laws. Bulletin of the Torrey Botanical Club 29: Carothers, E The Mendelian ratio in relation to certain Orthopteran chromosomes. Journal of Morphology 24: Chargaff, E Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation. Experientia 6: Chargaff, E Structure and function of nucleic acid as cell constituent. Federation Proceedings 10: Chargaff, E., Vischer, E., Doniger, R., Green, C. & Misani, F The composition of the desoxypentose nucleic acid of thymus and spleen. Journal of Biological Chemistry 177: Corcos, A. F. & Monaghan, F. V Mendel s work and its rediscovery: A new perspective. Critical Reviews in Plant Sciences 9: Corcos, A. F. & Monaghan, F. V Role of de Vries in the rediscovery of Mendel s paper. I. Was de Vries really an independent discoverer of Mendel? Journal of Heredity 76: Corcos, A. F. & Monaghan, F. V. 1987a. Role of de Vries in the rediscovery of Mendel s paper. II. Did de Vries really understand Mendel s paper? Journal of Heredity 78: Corcos, A. F. & Monaghan, F. V. 1987b. Correns, an independent discoverer of Mendelism? I. An historical note. Journal of Heredity 78: 330. Corcos, A. F. & Monaghan, F. V. 1987c. Correns, an independent discoverer of Mendelism? II. Was Correns a 10 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

13 real interpreter of Mendel s paper? Journal of Heredity 78: Corcos, A. F. & Monaghan, F. V Gregor Mendel s Experiments on Plant Hybrids: A Guided Study By Gregor Mendel. Rutgers University Press, New Brunswick. Correns, C. 1900a. G. Mendels Regel Über das Verhalten der Nachkommenschaft der Rassenbastarde. Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft 18: Correns, C. 1900b. Gregor Mendel s Versuche über Pflanzen-Hybriden und die Bestätigung ihrer Ergebnisse durch die neuesten Untersuchungen. Botanische Zeitung 58: Darwin, C On the Origin of Species by means of Natural Selection or the Preservation of favoured races in the Struggle for Life. John Murray, Lontoo. Darwin, C The Variation of Animals and Plants under Domestication. John Murray, Lontoo. de Vries, H Sur la loi de disjonction des hybrides. Comptes Rendus de l Academie des Sciences Paris 130: Franklin, R. E. & Gosling, R. G Molecular structure of nucleic acids. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature 171: Griffith, F Significance of pneumococcal types. Journal of Hygieny 27: Gustafsson, Å The life of Gregor Johann Mendel tragic or not? Hereditas 62: Haeckel, E Generelle Morphologie der Organismen: allgemeine Grundzüge der organischen Formen-Wissenschaft, mechanisch begründet durch die von C. Darwin reformirte Decendenz-Theorie. Georg Remer, Berliini. Hardy, G. H Mendelian proportions in a mixed population. Science 28: Hershey, A. D. & Chase, M Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. Journal of General Physiology 36: International Human Genome Sequencing Consortium Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409: International Human Genome Sequencing Consortium Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature 431: Johnson, L. P. V Dr. W. J. Spillman s discoveries in genetics. An evaluation of his pre-mendelian experiments with wheat. Journal of Heredity 39: Judson, H. F The Eighth Day of Creation. Markers of the Revolution in Biology. Expanded Edition. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor. Kim, M-S, Pinto, S. M., Getnet, D., Nirujogi, R. S. ym A draft map of the human proteome. Nature 509: Kölreuter, J. G Vorläufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen und Beobachtungen, nebst Fortsetzungen 1 3. Wilhelm Engelmann, Leipzig. McClung, C. E Notes on the accessory chromosomes. Anatomischer Anzeiger 20: McClung, C. E The accessory chromosome sex determinant? Biological Bulletin 3: Mendel, G Versuche über Pflanzenhybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn 4: Mendel, G Über einige aus künstlichen Befruchtung gewonnen Hieracium-Bastarde. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn 8: Miescher, F Über die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen. Hoppe-Seyler s medizinisch-chemische Untersuchungen 4: Miescher, F Das Protamin, eine neue organische Basis aus den Samenfäden des Rheinlachses. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 7: Monaghan, F. V. & Corcos, A. F Tschermak: a nondiscoverer of Mendelism. I. An historical note. Journal of Heredity 77: 468. Monaghan, F. V. & Corcos, A. F. 1987a. Reexamination of the fate of Mendel s paper. Journal of Heredity 78: Monaghan, F. V. & Corcos, A. F. 1987b. Tschermak: a nondiscoverer of Mendelism. II. A critique. Journal of Heredity 78: Montgomery, T. H., Jr A study of the chromosomes of the germ-cells of Metazoa. Transactions of the American Philosophical Society 20: Moore, R The rediscovery of Mendel s work. Bioscene 27: Morgan, T. H Sex limited inheritance in Drosophila. Science 32: Morgan, T. H The application of the conception of pure lines to sex-limited inheritance and to sexual dimorphism. American Naturalist 45: Morgan, T. H The physical basis of heredity. Yale University Press, New Haven, USA. Morgan, T. H The Theory of the Gene. Yale University Press, New Haven, USA. Morgan, T. H., Sturtevant, A. H., Muller, H. J. & Bridges, C. B The Mechanism of Mendelian Hredity. Henry Holt, New York. Muerdter, F. & Stark, A Hiding in plain sight. Nature 512: Nordenskiöld, E Biologian historia yleiskatsauksellisesti esitettynä. I. Vanhimmista ajoista 1700-luvun alkuun. Suom. T. J. Hintikka. WSOY, Porvoo. Olby, R. & Gautrey, P Eleven references to Mendel before Annals of Science 24: Olby, R. C The Path to Double Helix: The Discovery of DNA. Dover Publications, Mineola. Pennisi, E ENCODE project writes eulogy for junk DNA. Science 337: Portin, P Antiikin filosofien käsityksiä perinnöllisyydestä. Turun Ylioppilas XIV: Portin, P Kokeita kasvihybrideillä. Suomennos Gregor Mendelin klassillisesta julkaisusta Versuche über Pflanzenhybriden Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn IV, 1865: 3 47 (1866). Luonnon Tutkija, lisänide. Portin, P Mihin perustui Mendelin onnistuminen ja miksi hänet unohdettiin perinnöllisyyslakien löytäjänä? Tieteessä tapahtuu 19, (8): Portin, P Periytymisen kromosomiteoria satavuotias. Tieteessä tapahtuu 22, (2): Portin, P Biologian käännekohta: DNA:n rakenteen keksimisestä 60 vuotta. Tieteessä tapahtuu 31, (3): Portugal, E. H. & Cohen, J. S A Century of DNA. MIT Press, Cambridge Ma. Spillman, W. J Quantitative studies on the transmission of parental characters to hybrid offspring. USDA Experimental Station Bulletin 115: Sturtevant, A. H The linear arrangement of six sexlinked factors in Drosophila, as shown by their mode of association. Journal of Experimental Zoology 14: Sturtevant, A. H The relation of genes and chromo- TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/

14 somes. Teoksessa Genetics in the 20th Century, s Toimittanut L. C. Dunn. MacMillan, New York. Sutton, W. S On the morphology of the chromosome group in Brachystola magna. Biological Bulletin 4: Sutton, W. S The chromosomes in heredity. Biological Bulletin 4: The ENCODE Project Consortium Identification and analysis of functional elements in 1 % of the human genome by the ENCODE pilot project. Nature 447: The ENCODE Project Consortium An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 489: Tschermak, E Über künstliche Kreuzung bei Pisum sativum. Zeitschrift für das Landwirtschaftliche Versuchswesen Oesterreich 3: Venter J. C. ja 275 muuta tekijää The sequence of the human genome. Science 291: Watson, J. D. & Crick, F. H. C. 1953a. Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: Watson, J. D. & Crick, F. H. C. 1953b. Genetic implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature 171: Weinberg, W Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen. Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg 64: Wilhelm, M., Schlegl, J., Hahne, H., Gholami, A. M., Lieberenz, M. ym Mass-spectrometry-based draft of the human proteome. Nature 509: Wilkins, M. H. F., Stokes, A. R. & Wilson, H. R Molecular structure of nucleic acids. Molecular structure of deoxypentose nucleic acids. Nature 171: Wilson, E. B The Cell in Development and Inheritance. Toinen laitos. MacMillan, New York. Zirkle, C The knowledge of heredity before Teoksessa Genetics in the 20th Century, Toimittanut L. C. Dunn. MacMillan, New York. TAMPEREEN YLIOPISTO 90 VUOTTA Tampereen yliopiston historia alkaa vuodesta 1925, jolloin Helsingissä perustettiin Kansalaiskorkeakoulu. Yhteiskunnalliseksi korkeakouluksi (YKK) muuttunut oppilaitos siirtyi Tampereelle vuonna 1960, ja siitä tuli Tampereen yliopisto vuonna Juhlavuotensa kunniaksi yliopisto järjestää riemupromootion, johon on kutsuttu 50 vuotta sitten promovoituja maistereita ja tohtoreita. Riemupromootio järjestetään yliopiston perustamispäivänä Juhlassa kuullaan Jean Sibeliuksen sävellys Vapautettu kuningatar, joka esitettiin myös vuoden 1965 promootiossa. Tampereen yliopiston 90 vuotta -hyväntekeväisyyskonsertti järjestettiin 7.3. Konsertissa esiintyi Tampere Filharmonia. Merkkivuotta juhlistetaan myös yliopiston lukuvuoden avajaisissa syyskuun alussa ja valmistuneiden juhlissa kesäkuussa ja joulukuussa. Yliopiston historiaa on verkossa osoitteessa Kirjoittaja on Turun yliopiston perinnöllisyystieteen professori (emeritus). 12 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

15 Epigenetiikka haastaa käsityksiämme periytymisestä ja evoluutiosta Hanna Häkkinen, Antti Miettinen, Anne-Mari Mikkonen, Tinja Pitkämäki, Salla Sovelius ja Susanne Varjola Epigenetiikka on viime aikoina herättänyt mediassa huomiota: toinen toistaan hämmästyttävämmät tutkimustulokset kertovat elintapojemme vaikuttavan omaan ja jälkeläistemme hyvinvointiin geenien toiminnassa tapahtuvien periytyvien muutosten kautta. Mitä ilmiön taustalta löytyy, eli mitä geenien epigeneettinen säätely tarkoittaa, kuinka se toimii ja miksi se on kehittynyt? Entä millainen merkitys epigeneettisellä säätelyllä on lajien sopeutumisessa uudenlaisiin ympäristöolosuhteisiin, ja miten sen sisällyttäminen evoluutioteoriaan onnistuu? Epigeneettinen säätely toimii DNAtason yläpuolella Kaikkien eliöiden perimä, genomi, on koodattuna kromosomien DNA-juosteisiin. Kromosomi on geneettistä materiaalia sisältävä solurakenne, jossa DNA-rihma on kietoutunut kromatiiniksi histoniproteiinien ympärille. Geeni koostuu tietystä nukleotidisekvenssistä DNA:ssa ja pitää sisällään proteiinin rakennusohjeen. Kromosomeissa on varsinaisten proteiineja koodaavien geenien lisäksi ei-koodaavia DNA-jaksoja, joista osalla on tärkeä merkitys geenien toiminnan säätelyssä. Geenitoiminnan epigeneettinen säätely muodostaa geneettisen informaation ylemmän tason, jota ei voi havaita suoraan DNA-juosteen emäsjärjestystä tutkimalla. Sen vaikutuksesta geenit voivat toimia erilaisella tehokkuudella eri yksilöissä tai solulinjoissa tiettyjen kehitysvaiheiden aikana tai erilaisissa ympäristöolosuhteissa. Koko genomin alueella geenien ilmentymistä sääteleviä epigeneettisiä merkkejä kutsutaan epigenomiksi. Suurin osa geeneistä jää kuitenkin tämän säätelyn ulkopuolelle, sillä niiden jatkuva toiminta on eliöille elintärkeää. Epigeneettiset ilmiöt havaittiin ensimmäisenä alkionkehitystä koskevissa tutkimuksissa ja sana epigenetiikka onkin johdettu termistä epigeneesi, jolla tarkoitetaan solukkojen kehittymistä erilaistumattomasta kudoksesta. Vaikka epigeneettinen säätely ei vaikuta geenien perimmäiseen rakenteeseen eli emäsjärjestykseen, se voi kuitenkin jättää DNA-juosteen pinnalle väliaikaisia, epigeneettisiä merkkejä. Epigeneettisellä säätelyllä viitataan usein tiettyihin solulinjoihin tai kehitysvaiheisiin kohdistuvaan geenien toiminnan säätelyyn, mutta tällaista säätelyä voi tapahtua myös läpi yksilön elinkaaren ja/tai se voi periytyä sukupolvelta toiselle. Tällöin periytyvä komponentti ei ole pelkästään jommaltakummalta vanhemmalta peritty DNAjuosteen pätkä, kuten klassisessa periytymisessä, vaan eräänlainen geenin toimintatila. Tässä artikkelissa termillä epigeneettinen periytyminen tarkoitetaan juuri tällaista sukupolvelta toiselle siirtyvää epigeneettistä tietoa. Lamarckistiset aatteet eliöiden elinaikanaan hankkimien ominaisuuksien periytymisestä jälkeläisille kannattaa kuitenkin sysätä syrjään, sillä kyse ei ole hankittujen ominaisuuksien, vaan pikemminkin geenien hankittujen toimintatilojen periytymisestä. Suhteellisen hiljattain löydettynä ilmiönä epigeneettisestä säätelystä saadaan jatkuvasti uutta tietoa, ja yhtä havaintoa kohden herää monta uutta kysymystä. Lääketieteessä epigeneettisten mekanismien on todettu liittyvän useiden tautien syntyyn ja periytymiseen (Portela & Esteller 2010). Syöpätutkijat ovat olleet epigeneettisessä tutkimuksessa edelläkävijöitä, mutta kiinnostus myös esimerkiksi neurologisten ja autoimmuunisairauksien epigeneettisiä komponentteja kohtaan on lisääntynyt. Evoluutiobiologit TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/

16 puolestaan pyrkivät etsimään tietoa siitä, miten epigeneettiset mekanismit vaikuttavat luonnonpopulaatioiden sopeutumiseen ympäristöönsä ja millainen merkitys niillä on evoluutioteorian kannalta (Bossdorf ym. 2008). Tähänastiset tutkimukset ovat jo antaneet viitteitä siitä, että epigeneettiset muutokset voivat vaikuttaa huomattavasti yksilöiden selviytymiseen nopeasti muuttuvissa oloissa (esim. Rechavi ym. 2011; Zhang ym. 2013). Aiheen tutkiminen onkin erityisen ajankohtaista nyt, kun eliöt kohtaavat maapallollamme käynnissä olevat suuret globaalit muutokset ilmastossa ja ympäristössä. Epigeneettisten mekanismien arvellaan olevan bakteerien perintöä Epigeneettisistä säätelymekanismeista tärkeimmiksi luetaan DNA:n metylaatio (kuva 2), kromosomien rakennetta ylläpitävien histoniproteiinien muokkaus, kromatiinirakenteen muutokset sekä ei-koodaavan RNA:n toiminnan kautta tapahtuva geenien toiminnan häirintä, RNA-interferenssi. Nämä mekanismit saavat yhdessä tai erikseen aikaan useiden proteiineja koodaavien geenien toiminnan hiljenemisen tai sammumisen sekä joskus myös kiihtymisen; esimerkiksi ihmisellä noin yhden viideosan geeneistä arvellaan olevan tällaisen säätelyn alaisia. Epigeneettisten mekanismien evoluutio on johtanut myös pelkistetympiin ratkaisuihin: siinä missä kaikilla aitotumallisilla eliöillä esiintyy kromosomien muodostamiseen osallistuvien histoniproteiinien muokkausta, joiltakin lajeilta on hävinnyt kyky hyödyntää RNA:n häirintää tai DNA-juosteen metylaatiota geenien toiminnan säätelyssä (Wolffe ja Matzke 1999). Epigeneettisten mekanismien, erityisesti metylaation, tausta löytynee bakteerisoluista, joiden perimä täydentyy usein horisontaalisen geeninsiirron kautta (Shabalina ja Koonin 2008). Bakteerisolut voivat kerätä ympäristöstään plasmideissa (pyöreä DNA-molekyyli, jossa eri geenejä kuin bakteerin kromosomissa) tai vapaana olevaa DNA:ta. Lisäksi bakteerisoluilla, kuten muillakin esitumallisilla eliöillä esiintyy konjugaatiota, eli DNA:n suoraa siirtämistä kahden väliaikaisesti toisiinsa yhdistyneiden saman tai Kuva 1: Epigenetiikka tarjoaa evoluutiolle vaihtehtoisen reitin (harmaa viiva), sillä ekologiset vuorovaikutukset ja ympäristötekijät voivat vaikuttaa suoraan epigeneettiseen muunteluun. Geneettiseen muunteluun näiden tekijöiden vaikutukset välittyvät aina luonnonvalinnan kautta. Sekä epigeneettinen että geneettinen muuntelu populaatiossa saavat aikaan yksilöiden ilmiasujen vaihtelua. Epigeneettistä muuntelua voi kuitenkin ilmetä vain geneettisen muuntelun asettamissa rajoissa (punainen nuoli). Kuva: Hanna Häkkinen ja Tinja Pitkämäki. Kuva 2: DNA:n metylaatio voi estää geenien luennan (kohta A) etenkin, kun metyyliryhmien sitoutuminen tapahtuu geenin säätelyalueella. Ilman metyyliryhmiä RNA-polymeraasi jatkaa geenin luentaa normaalisti (kohta B). Kuva: Hanna Häkkinen ja Tinja Pitkämäki. 14 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

17 eri lajien solujen välillä. Bakteerisolujen on tärkeää kyetä erottaa eri alkuperää olevat perimäainekset toisistaan puolustautuakseen esimerkiksi virus-dna:ta vastaan. Bakteerit voivatkin merkitä oman DNA:nsa esimerkiksi metylaation avulla, jolloin se säästyy DNA:ta pilkkovien entsyymien hajotukselta. Myös monisoluiset eliöt voivat merkitä DNA-juosteensa, mikä auttaa niitä kohdentamaan DNA:n kahdentumisen aikana tapahtuvien virheiden korjauksen uudempiin juosteisiin. Toinen todennäköinen syy epigeneettisten säätelymekanismien syntyyn on hyppivien geenien aiheuttama kromosomien epävakaus, joka on luonut paineita geenien luennan säätelyyn (Yoder ym. 1997). Hyppivät geenit ovat lyhyitä, herkästi metyloituvia DNA-juosteita, jotka kykenevät kopioimaan itseään ja/tai siirtymään kromosomistossa paikasta toiseen häiriten näin toisten geenien toimintaa. Duken yliopistossa Yhdysvalloissa agouti-hiirillä tehty koe havainnollistaa hyppivien geenien ja metylaation merkitystä epigeneettisessä geenien toiminnan säätelyssä (Waterland & Jirtle 2003). Normaalisti agouti-geenin alleeli A muuttaa hiirten turkin värin keltaiseksi, tekee niistä ahmatteja sekä altistaa ne syövälle ja diabetekselle, mutta geenin alkuosaan liittyneen hyppivän geenin metyloituminen voi estää tämän. Tutkijoiden syötettyä tällaisille emohiirille parittelun ja raskauden aikana runsaasti metyyliryhmiä sisältänyttä lisäravinnetta kyseisen hyppivän geenin sisältävän DNA-alueen metyloitumisaste nousi hiljentäen koko agouti-geenin toiminnan. Suurin osa hiirten jälkeläisistä oli tällöin terveitä harmaaturkkeja. Erityisen mielenkiintoinen havainto oli se, että metylaation vaikutukset näkyivät vielä seuraavassakin hiirisukupolvessa. Koe osoitti, kuinka suuri vaikutus ravinnolla ja/ tai ympäristöolosuhteilla voi olla epästabiilien geenien toimintaan, ja että geenien metylaatio voi säilyä myös sukupolvien yli. Myös ihmisellä ravintolisien antamisen on havaittu estävän joidenkin tautien puhkeamista tai lieventävän niitä (esim. Ingrosso ym. 2003), ja tähän liittyvän nutrigenomiikan tutkimus tuleekin varmasti lähivuosina lisääntymään. Epigenetiikan tutkimusmenetelmät Solujen epigeneettisen säätelyn taustalla on useita mekanismeja. Näitä ovat esimerkiksi DNA:n metylaatio (kuva 2), kromosomien rakennetta ylläpitävien histonien ja nukleosomien muutokset sekä monenlaiset ei-koodaavat RNA:n muodot (Bonasio ym. 2010). Epigenomin toimintaa on mahdollista tutkia yksittäisten geenien tai koko genomin tasolla. Tutkimukset voidaan myös keskittää yksittäisiin solulinjoihin tai kokonaisiin organismeihin ja niitä voidaan tehdä eri kehitysvaiheissa ja/tai erilaisissa olosuhteissa. Epigeneettiset merkit ovat DNA:n metylaatiossa, kromatiinin rakenteessa tai histoniproteiineissa näkyviä muutoksia. DNA-metylaation paikantamisessa hyödynnetään kemiallisia yhdisteitä, jotka sitoutuvat metyloitumattomiin aminohappoihin (sytosiineihin), minkä jälkeen tutkittavan genomin alueen metyloitumisaste voidaan selvittää esimerkiksi PCR-menetelmillä. Kromatiinin rakenteen selvittämisessä puolestaan auttavat nukleaasientsyymit, joiden tehtävänä on hajottaa nukleiinihappoja, kuten DNA:ta. Ne eivät pysty pureutumaan pakkautuneen heterokromatiinin alueella olevaan perimäainekseen, joten nukleaasikäsittelyn hajotettua eukromatiinin jäljelle jää vain epigeneettisesti hiljennettyjä geenejä. MS-AFLP-menetelmä tarjoaa vaihtoehdon laajojen ekologisten aineistojen tutkimiseen. Perinteinen AFLP tuottaa tietoa genomin eri alueiden muuntelusta yksilöiden välillä (polymorfismi) ja perustuu restriktioentsyymien katkomien DNA-juosteiden pituuseroihin. Onnistuneessa analyysissä jokaiselle yksilölle saadaan ainutlaatuinen joukko vaihtelevan pituisia DNA-juosteen pätkiä, jotka muodostavat eräänlaisen geneettisen sormenjäljen. MS-AFLP-menetelmässä käytetyt restriktioentsyymit ovat metylaatioherkkiä eli katkaisevat DNA-juosteen vain kohdista, joissa metyyliryhmä on läsnä. Tällöin tuloksena on yksilön epigeneettinen sormenjälki. Myös kaksostutkimukset yhdistetään usein epigenetiikkaan. Perimältään identtisten yksilöiden väliset erot ilmiasussa ovat seurausta lähinnä erilaisista ympäristötekijöistä ja epigeneettisestä säätelystä tai näiden kahden tekijän yhteisvaikutuksista. Etenkin ihmisten kohdalla edellä mainittujen tekijöiden vaikutuksia on todella vaikea arvioida. On myös muistettava, että kaikilla eliöillä jo pelkkä epigeneettisten mekanismien satunnaisuus, kuten esimerkiksi metylaation epäonnistuminen voi aiheuttaa poikkeavuuksia epigenomiin, mikä voi vaikuttaa yksilön ilmiasuun ympäristötekijöistä riippumatta. TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/

18 Epigeneettisten mekanismien on myös arveltu edesauttaneen monisoluisten eliöiden syntyä, kun esimerkiksi hyppivien geenien aiheuttamien kromosomimuutosten seurauksena kahdentuneet geenit ovat saaneet uusia tehtäviä soluryhmien erilaistuessa kudoksiksi (Fedoroff 2012). Kasveilla geenien luennan epigeneettinen ohjaus puolestaan saattaa kompensoida käyttäytymiseen perustuvien säätelykeinojen puutetta, mikä selittää osaltaan kasvilajien epigenomien monimuotoisuuden (Fedoroff 2012). Epigeneettiset signaalit mutkistavat periytymistä Yksittäisten geenien määräämien ominaisuuksien periytyminen noudattaa yleensä Mendelin lakeja, joiden avulla eri genotyyppien ja niiden määräämien ominaisuuksien todennäköisyys jälkeläisissä voidaan ennustaa. Toisinaan mendelistisen periytymisen säännöt eivät kuitenkaan toteudu, ja jälkeläinen voi periä jonkin ominaisuuden vain toiselta vanhemmaltaan. Epigeneettisten vaikutusten havaitseminen on joissakin tapauksissa muuttanut käsitystämme hyvin yksinkertaistenkin ominaisuuksien periytymisestä. Esimerkkinä mainittakoon keltakannusruoho (Linaria vulgaris), jonka kukan viisi terälehteä muodostavat normaalisti neljään bilateraalisesti jakautuneeseen liuskaan päättyvän putken. Carl Linnaeus havaitsi jo 250 vuotta sitten lajilla kukkamuodon, jossa kaikki viisi terälehteä olivat keskenään symmetrisiä ilman havaittavaa bilateraalisuutta. Symmetristä kukkamuotoa pidettiin resessiivisen mutanttigeenin aiheuttamana, kunnes Cubas ym. (1999) havaitsivat, että symmetrisillä kasveilla keskeinen kukanmuotoon vaikuttava Lcyc-geeni on metyloitunut ja näin ollen toimimaton. Sekä kukan muoto että Lcyc-geenin metyloitumisaste periytyvät sukupolvelta toiselle, mutta geenin DNAsekvenssissä ei siis esiinny kukan muotoon vaikuttavaa muuntelua. Epigeneettiset merkit voivat kehittyä uudelleen joka sukupolvessa ympäristöstä tulevien signaalien synnyttämänä (geenien leimautuminen), mutta niiden on myös havaittu siirtyvän sukupolvelta toiselle tai mahdollisesti jopa hyppäävän yhden sukupolven yli (Daxinger & Whitelaw 2012). Epigeneettisen informaation siirtymisen mekanismit ovat kuitenkin vielä puutteellisesti tunnettuja, eikä sukupolvien yli hyppäävästä epigeneettisestä periytymisestä ole toistaiseksi täysin vakuuttavaa todistusaineistoa. On myös syytä korostaa, että epigeneettiset muutokset ovat DNA-juosteessa tapahtuvista emäsmuutoksista poiketen aina palautuvia. Epigeneettiset signaalit voivat periytyä sukupuolisidonnaisesti Yksilöissä tapahtuvien epigeneettisten signaalien eli geenien toimintatilojen muutosten laukaisijana voi toimia monet ekologiset tekijät, kuten laiduntavien eläinten aikaansaama epigeneettinen muuntelu ravintokasvipopulaatioissa ja/tai vanhempien käyttäytyminen. Esimerkiksi McGillin yliopistossa Kanadassa toiminut tutkimusryhmä havaitsi, että isorotan poikasista kehittyi rohkeita ja rauhallisia aikuisia, jos emo hellitteli ja nuoli niitä ensimmäisten elinviikkojen aikana, ja että helliminen aiheutti muutoksia rottien hippokampuksen hermosolujen geenien metyloitumisasteeseen (Francis ym. 1999). Nuorena hellyyttä saaneet rottanaaraat kohtelivat myös omia jälkeläisiään samalla tavoin, ja näin sekä käyttäytymispiirteet että niiden vaikutukset jälkeläisiin siirtyivät sukupolvelta toiselle. Ympäristön aikaansaamat epigeneettiset muutokset voivat siirtyä sukupolvelta toiselle myös sukusoluissa tapahtuneiden geenien toimintaan liittyvien muutosten kautta. Australialainen tutkimusryhmä osoitti nisäkäskoiraiden kokemien ympäristöolojen vaikutusten voivan periytyä jälkeläisille epigeneettisesti sperman välityksellä (Ng ym. 2010). Tutkijat selvittivät ylipainon ja diabeteksen välistä yhteyttä tarjoamalla koirasrotille rasvapitoista ravintoa ja havaitsivat tällaisen ravinnon aiheuttavan glukoosi-insuliinitasapainon heikkenemistä paitsi koirailla itsellään myös niiden naaraspuolisilla jälkeläisillä. Ainoaksi selittäväksi tekijäksi jäi, että rottakoiraat olivat periyttäneet tyttärilleen spermassaan X-kromosomin, jossa joidenkin geenien toiminta oli muuttunut (pojilleen koiraat periyttävät vain Y-kromosomin). Lisäk- 16 TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015

19 si sekä Gappin että Mansuyn ryhmät osoittivat keväällä 2014 julkaistuissa tutkimuksissaan (Bohacek ym. 2014, Gapp ym. 2014), että hiirten nuorena kokema stressi aiheuttaa niille depressiota ja lisää samalla useiden geenien toimintaan vaikuttavien mikro-rna-molekyylien määrää soluissa. Lisääntynyt mikro-rna:n tuotanto säilyi koiraiden spermassa seuraavaan sukupolveen ja depressiivinen käyttäytyminen jälkeläisissä aina kolmanteen sukupolveen asti. David Crewsin ryhmä Texasista Yhdysvalloista osoitti myös, että ympäristön aikaansaamat epigeneettiset muutokset voivat vaikuttaa eläinten käytökseen useiden sukupolvien jälkeen. Tutkijat käsittelivät naarasrottia sienimyrkyllä (vinclozolin) ja laittoivat kyseisten naaraiden ja kontrolliryhmän naaraiden kolmannen sukupolven jälkeläiset erilaisiin käyttäytymistesteihin. Kokeet osoittivat myrkkyä saaneiden rottanaaraiden jälkeläisten olevan kontrollirottia levottomampia ja stressaantuneempia, minkä lisäksi niillä oli havaittavissa stressiin liittyviä muutoksia tiettyjen aivosolujen toiminnassa (Crews ym. 2012). Sama tutkimusryhmä oli jo aiemmassa kokeessa havainnut sienimyrkkykäsittelyn vaikuttavan epigeneettisesti myös rottien parinvalintaan vielä useita sukupolvia käsittelyn jälkeen (Crews ym. 2007). Epigeneettinen periytyminen voi johtua myös sukusolujen sukupuolikromosomeissa tapahtuneista muutoksista, jotka ohjaavat eri sukupuolta olevien yksilöiden kehittymistä alkiovaiheesta lähtien. Ympäristössä tapahtuvat muutokset voivat esimerkiksi nisäkkäillä saada aikaan periytyviä epigeneettisiä muutoksia eri sukupuolilla eri elämänvaiheissa (Dunn ym. 2011). Vaikka kohdun olosuhteet voivat vaikuttaa molempien sukupuolten yksilöiden kehittymiseen ja epigeneettisten signaalien syntyyn, niiden vaikutukset ovat monilla lajeilla periytyviä vain naarailla, joilla munasolujen kehitys alkaa jo sikiövaiheessa. Esimerkiksi ihmisellä munasolut kehittyvät sikiökaudesta varhaislapsuuteen, kun taas siittiöt alkavat muodostua vasta murrosiässä, joten ympäristötekijöille altistuminen kohdussa tai vauvaiässä voi aiheuttaa sikiön kehittyviin sukusoluihin epigeneettisesti periytyviä muutoksia vain tytöillä. Tämä tieto auttaa ymmärtämään uumajalaisten Lars Olov Bygrenin ja Gunnar Kaatin sekä lontoolaisen Marcus Pembreyn tutkimusta ruotsalaisen Ylikainuun (ruots. Överkalix) kunnan väestöstä. Tutkimuksessa selvitettiin isovanhempien nuoruusiässä saaman ravinnon määrän ja laadun vaikutusta heidän lastenlastensa terveyteen ja elinikään. Lapsuutensa yltäkylläisyydessä viettäneiden miesten miespuolisilla lastenlapsilla ja samanlaisissa olosuhteissa eläneiden naisten naispuolisilla lastenlapsilla oli normaalia suurempi riski sairastua diabetekseen (Kaati ym. 2002). Isoäideillä kriittinen vaihe periytyvien epigeneettisten muutosten tapahtumiselle oli sikiövaihe ja varhaislapsuus, kun taas isoisillä se osui nuoruusvuosien lopulle, eli aikaan jolloin siittiöt alkavat muodostua. Pembrey jatkoi tutkimuksia samasta aiheesta ja havaitsi, että nuoresta asti tupakoineiden miesten pojat, mutta eivät tyttäret, olivat aikuisena ikätovereitaan lihavampia (Pembrey ym. 2006). Epigeneettiset muutokset voivat nopeuttaa uudenlaisiin ympäristöihin sopeutumista Synteettisen evoluutioteorian mukaan ainoa uuden periytyvän muuntelun lähde on satunnaisista mutaatioista peräisin oleva geneettinen muuntelu. Luonnonvalinta suosii parhaita yksilöitä, jolloin valinnan kohteena olevat vaihtoehtoiset, havaittavan ilmiasun eron tuottavat geenimuodot eli alleelit yleistyvät populaatiossa, vaikka varsinkin pienissä populaatioissa myös sattumalla ja muuttoliikkeen määrällä voi olla suuri vaikutus prosessiin. Valinta johtaa ajan kuluessa evolutiiviseen muutokseen, joka saa populaation sopeutumaan paremmin vallitseviin ympäristöoloihin. Tällainen evoluutio on kuitenkin yleensä hidasta, sillä uusien hyödyllisten mutaatioiden syntyminen on harvinaista ja yksittäiset mutaatiot yleensä häviävät ennen kuin ehtivät levitä populaatiossa. Koska epigeneettisiä muutoksia tapahtuu yleensä useissa yksilöissä samanaikaisesti, ne voivat auttaa populaatioita selviämään ympäristöissä, joissa muutokset ovat liian nopeita varsi- TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/

20 naisten geneettisten muutosten tapahtumiselle. Elinkykyyn liittyvien ominaisuuksien joustava kehitys tai muuttuminen (fenotyyppinen plastisuus) on yleistä erityisesti kasveilla, joilla epigeneettisten muutosten on havaittu lisääntyvän esimerkiksi silloin kun lajien välillä tapahtuu risteytymistä, kun tietyn lajin kromosomisto moninkertaistuu ja/tai kun sen populaatiokoossa tapahtuu rajuja muutoksia (Rapp & Wendel 2005). Erityisesti pienet populaatiot ovat herkkiä myös muunlaiselle ympäristötekijöiden aiheuttamalle stressille, sillä niiden geneettinen monimuotoisuus on yleensä vähäistä, eivätkä ne siksi pysty vastaamaan ympäristön aiheuttamiin valintapaineisiin. Epigeneettisten muutosten kautta yksilöiden välinen muuntelu saattaa kuitenkin lisääntyä ja populaatiot pystyvät näin vastaamaan ympäristön haasteisiin ja sopeutumaan nopeasti muuttuviin olosuhteisiin, mikä antaa lisäaikaa geneettiselle sopeutumiselle. Sekä kasveilla että hyönteisillä geenien toiminnassa tapahtuu myös paljon vuodenaikojen vaihteluun liittyviä palautuvia muutoksia, joista ainakin osan tiedetään olevan epigeneettisen säätelyn alaisia. Epigenetiikka vetää evoluution mutkat suoriksi Epigeneettinen palapeli on yhä kaukana ratkaistusta: esimerkiksi epigeneettinen koodi, eli sääntö jonka mukaan solu tulkitsee epigenomia, on toistaiseksi tuntematon. On myös vaikea ymmärtää, kuinka tietyt epigeneettiset muutokset säilyvät kromosomeissa sukupolvelta toiselle sukusoluissa tapahtuvasta puhdistuksesta ja uudelleenohjelmoinnista huolimatta. Merkittäviä tulevaisuuden tutkimuskohteita ovat myös epigeneettisen muuntelun laajuus ja pysyvyys luonnonpopulaatioissa sekä epigeneettistä muuntelua aiheuttavien ympäristötekijöiden tunnistaminen. Epigenetiikan lainalaisuuksien ymmärtämisellä on suuri merkitys esimerkiksi tutkittaessa lajien ekologisia vuorovaikutuksia, lajien sopeutumista muuttuviin ympäristöolosuhteisiin, tulokaslajien leviämistä ja ympäristökemikaalien epigeneettisiä vaikutuksia. Haasteena on myös miettiä, tulisiko populaatioiden epigeneettinen muuntelu mieltää osaksi luonnon monimuotoisuutta ja sisällyttää siten myös luonnonsuojelun piiriin. Uudet tutkimustulokset epigeneettisestä periytymisestä haastavat myös synteettisen evoluutioteorian, jossa päinvastoin kuin Darwinin alkuperäisessä mallissa hankittujen ominaisuuksien periytyminen jätetään täysin huomiotta. Myös hyppivien geenien metylaation purkautumisen on arvioitu voivan aiheuttaa kromosomistossa äkillisiä muutoksia, jotka voivat johtaa jopa lajiutumiseen. Evoluutioteoriaa tulisikin näin ollen laajentaa kattamaan myös nämä periytyvät geenien toimintamalleihin vaikuttavat epigeneettiset muutokset, joilla voi olla merkittävä rooli sekä paikallisiin olosuhteisiin sopeutumisessa että luonnon monimuotoisuuden kartuttamisessa (kuva 1). Uraauurtaviksi mainostettuihin havaintoihin tulee kuitenkin suhtautua kriittisesti, sillä epigenetiikan tietämyksemme on vasta rakentumassa, ja kyseisiin havaintoihin sisältyy usein tulkinnanvaraisuutta. Kirjallisuus Bohacek J., Farinelli M., Mirante O., Steiner G., Gapp K., Coiret G., Ebeling M., Durán-Pacheko G., Iniguez A.L., Manuella F., Moreau J.-L. & Mansuy I.M Pathological brain plasticity and cognition in the offspring of males subjected to postnatal traumatic stress. Molecular psychiatry. doi: /mp Bonasio R., Tu S. & Reinberg D Molecular signals of epigenetic states. Science 330: Bossdorf O., Richards C.L. & Pigliucci M Epigenetics for ecologists. Ecology Letters 11: Crews D., Gillette R., Scarpino S.V., Manikkam M., Savenkova M.I. & Skinner M.K Epigenetic transgenerational inheritance of altered stress responses. Proceedings of the National Academy of Sciences 109: Crews D., Gore A.C., Hsu T.S., Dangleben N.L., Spinetta M., Schallert T., Anway M.D. & Skinner M Transgenerational epigenetic imprints on mate preference. Proceedings of the National Academy of Sciences 104: Cubas P., Vincent C. & Coen E An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral symmetry. Nature 401: Daxinger L. & Whitelaw E Understanding transgenerational epigenetic inheritance via the gametes in mammals. Nature Reviews Genetics 13: Dunn G.A., Morgan C.P. & Bale T.L Sex-specifity in transgenerational epigenetic programming. Hormones and Behaviour 59: Fedoroff N.V Transposable elements, epigenetics, and genome evolution. Science 338: TIETEESSÄ TAPAHTUU 2/2015