I MENDEL JA MENDELISMI

Transkriptio

1 Veikko Sorsa: PERINNÖLLISYYSTIETEEN HISTORIAA 1 I MENDEL JA MENDELISMI A Käsityksiä perinnöllisyydestä ennen Mendelin kokeita -Valinnan käyttö vuosituhansien ajan hyötyeläinten ja -kasvien kasvatuksessa viittaa jonkinlaisiin havaintoihin perinnöllisyydestä, esim. hevosten sukutaulut.- Havainnot luustoanomalioiden (brakydaktylia, polydaktylia jne.) esiintymisestä perheittäin viittasivat perinnöllisyyteen. Näiden ominaisuuksien pitkäaikainen seuraaminen oli mahdollista sukuhaudoista. - Darwinin ajan perinnöllisyyskäsityksiä hallitsi pangeneesiteoria; - jonkinlaiset periytyvät tekijät ohjaavat yksilönkehitystä. - Yleisesti portaattoman muuntelun vuoksi perintöaineen uskottiin olevan nesteen kaltaista; perinnöllisyys on nesteen jatkuvaa sekoittumista. Tämä ns. Blending inheritance häiritsi suuresti Darwinia, koska se sulkee pois valinnan tehon. Kaikkien ominaisuuksien uskottiin muuntelevan jatkuvasti. Mendel kuitenkin huomasi eräissä herneen ominaisuuksissa joko/tai -muuntelun (esim. siemenen kuori sileä/kurttuinen; tai väri keltainen/vihreä. Joko/tai -muuntelun selitykseksi Mendel oletti erilliset perintötekijäparit. B Mendelin elämänvaiheista - Johann Mendel syntyi 1822 Heinzendorfin kylässä maanviljelijän poikana. - Noviisina augustinolaisluostariin Altbrünnissa, luostarinkoulu, nimi: Gregor, - Wienin yliopisto; 2 lukuvuotta luonnontieteiden opintoja. Mendel oli erityisesti kiinnostunut mm. säätieteestä ja toisaalta perinnöllisyyskokeista. - Opiskeluvaiheista lyhyesti: Valmistui Troppaun kimnaasista ja kirjoittautui St. Thomasin augustinolaisluostariin Altbrünnissä ja otti nimen Gregor. Valmistui papiksi ja siirtyi opettajaksi Znaimin lukioon opetusaineina ; kreikka ja matematiikka. Haki vakinaista virkaa syksyllä 1850, mutta epäonnistui opetuskokeessa. Toimi seuraavana vuonna 1851 opettajana Olmützin teknillisessä koulussa, josta kirjoittautui opiskelemaan Wienin yliopistoon. Johann (Gregor) Mendel Mendel lähti Brünnistä Wieniin, jossa alkoi neljä lukukautta kestäneen opiskelun seuraavissa aineissa: Kokeellinen fysiikka (kokeellisen fys. apulaisopettajana tuolloin toimi Doppler, ja orgaanisen kemian opettajana Redtenbacher), teoreettinen fysiikka (prof. Ettinghausen), eläintiede (prof. Kner), kasvitiede (prof. Fenzl), kasvifysiologia ja paleontologia (prof. Unger), jonka lisäksi Mendel opiskeli matematiikkaa ja yleistä paleontologiaa. Mendel liittyi Wienin eläin- ja kasvitiet. seuran jäseneksi , ja palasi Brünniin kevätlukukauden päätyttyä Huhtikuussa 1854 Mendel kirjoitti em. seuralle hernekärsäkästuhoista viljelmissään, jotka hän oli aloittanut kokeellista tutkimusta varten seuraten aluksi pari vuotta hernekantojen pysyvyyttä. Kesällä 1854 Mendel kasvatti 34 hernelinjaa, joissa hän oli löytänyt ominaisuusparien joko-tai muuntelua. Idean hernekokeisiinsa Mendel kertoi saaneensa koristekasvijalostajien risteytyskokeista, joissa saatiin risteyttämällä kukanvärin muutoksia. Mendel harrasti myös aktiivisesti meteorologiaa ja lähetti vuodesta 1859 lähtien säännöllisesti Brünnistä säähavaintoaineistoa Wieniin. Mendel jatkoi loppuikänsä ilmanpaineen, kosteuden, lämpötilan mittauksia sekä pohjaveden korkeuden tarkkailua luostarin kaivossa ja julkaisi mm. yksityiskohtaisen selostuksen tornadon kulusta luostarin ohi Brünnin luonnontiet. seuran sarjassa. Mendel oli myös Wienin meteorologisen seuran jäsen. Hernekasvatuskokeita hän siis teki ainakin jo vuodesta 1854 lähtien, ja suoritti sopivien ominaisuusparien valintaa. - Mendel löysi 7 eri ominaisuusparia, jotka kaikki näyttivät peritytyvän toisistaan riippumatta (myöhemminkin vain yksi pari on havaittu saman kromosomin l. saman kytkentäryhmän toisistaan hyvin kaukana olevien tekijäin aihauttamaksi). - Varsinainen risteytyskoesarja alkoi 1856; se käsitti mm. mono- ja dihybridikokeet. Mendel kokeili laajoilla aineistoilla ja esitti tulokset matemaattisesti pelkistettyinä lukusuhteina esim: siemenkuoren ominaisuus

2 Veikko Sorsa: PERINNÖLLISYYSTIETEEN HISTORIAA 2 F2-polvessa 253 hydbridikasvia tuotti 7324 siementä, joista 5474 sileää ja 1850 kurttuista l. lukusuhteessa 2.96/1 eli 3/1. Myöhemmin 1870-luvulla Mendel teki kokeita myös muilla kasveilla; mm. ihmekukalla; intermediaarinen periytyminen. - Kirjeenvaihto alkoi Nägelin kanssa vuoden viimeisenä päivänä Kirjeessä Mendel mainitsee hernetyönsä, josta Mendel lähetti myös eripainoksen ja kertoi jatkavansa kokeita muilla lajeilla. Nägeli n ehdotuksesta Mendel alkoi myös Hieracium-kokeet, joista lähes viiden vuoden kasvatusten ja risteytyskokeiden jälkeenkään ei saatu hernekokeita vastaavia tuloksia (apomiksin vuoksi). Kokeiden aikana Mendelin näkökyky iän mukana heikkeni huomattavasti ja kirjeessään Mendel ilmoitti Nägelille, että Hieracium lajeilla ei voi todistaa hernekasveissa havaittuja periytyvyyslakeja. Nägelin suositus Hieraciumkokeista oli suuri pettymys. Mendel piti niistä esitelmän Brünnissä 1869 ja ne julkaistiin seuraavan vuoden volyymissä. Sensijaan vuoden 1870 tienoilla tehdyt kokeet monilla muilla kasvilajeilla, kuten Aquilegia, Linaria, Ipomaea, Cheiranthus, Tropaeolum, Lychnis sekä tunnettu Mirabilis-koe tuottivat myönteisiä tuloksia. Vm. ihmekukkakokeen Mendel toisti mm. käyttämällä vain yhtä siitepölyhiukkasta. Nägelin jäämistöstä löydetystä kirjeenvaihdosta Mendelin kokeet muilla kasveilla on voitu selvittää varsin tarkoin. Mendel valittiin Brünnin luostarin apotiksi. Luostarin esimiehenä muita tehtäviä ja matkoja , mutta osallistui matkoillaan myös kasvin- ja mehiläisjalostajien kokouksiin, suunnitteli myös risteytyskokeita eläimillä. Matkoillaan Mendel kävi mm. n. 20 Euroopan kaupungissa (Hampuri, Kiel, Köln, Dresden, Leipzig, Hannover, Frankfurt, Karlsruhe, Strasbourg, Stuttgart, München, Salzburg, Wien, Berlin, Venetsia, Firenze, Rooma, Pariisi ja Lontoo. ) Gregor Mendel kuoli Kuolinsyyksi merkittiin munuaisten ja sydämen vajaatoiminta. Requiemissä brünniläinen säveltäjä ja sinfonikko Leos Janazec soitti urkuja. Mendelille pystytettiin muistopatsas Keskushautausmaalle, josta se sittemmin siirrettiin luostarin puutarhaan. Mendelin seuraaja ei tajunnut luonnontieteellisen jäämistön arvoa vaan suuri osa siitä katosi. C Esitelmät ja julkaisu hernekokeista Laajan herneristeytysohjelman tuloksista Mendel piti kaksi esitelmää 8.2. ja Brünnin luonnontieteellisessä seurassa, jota hän oli ollut itse perustamassa Mendel kirjoitti aiheesta myös julkaisun, (joka myöhästyi hieman preussilaisten miehityksen ja siihen liittyneiden konfliktien mm. koleraepidemian vuoksi), mutta ilmestyi Brünnin Luonnontiet. Seuran sarjassa volyymissä nro 4 (1866). Mendel tilasi myös 40 eripainosta, joita hän lähetti mm. opettajilleen Wienin yliopistossa, botanisti Nägeli lle, ym. tuntemilleen tutkijoille. Eripainoksista on jäljitetty kymmenkunta. Sarja levisi lähetyslistojen mukaan paitsi seuran jäsenille ym. tilaajille yht. n. 500 kpl., myös 115 eri kirjastoon mm. yliopistojen kirjastoihin aina Amerikkaan saakka, mutta ilmeisesti ei kukaan ollut lukenut tai ymmärtänyt M:in kokeiden tuloksia. Useissa tapauksissa 4. vol., joka sisälsi Mendelin kirjoituksen, havaittiin avaamattomaksi vielä v. 1900, kun tulokset tulivat tunnetuiksi ko. volyymi löytyi 10 amerikkalaisen kirjaston kokoelmasta, V oli 23 tunnettua volyymiä, esim. Columbia-yliopiston kirjasto sai kaksoiskappaleen 1928, kun eräs tutkija lahjoitti Euroopasta löytämänsä volyymin, jolloin havaittiin sitä kirjastoon sijoitettaessa, että se oli jo siellä ennestään, mutta täysin avaamattomana. Mendelin itsensä tilaamia 40 eripainosta on yritetty jäljittää. Varmuudella tiedetään Mendelin lähettäneen Kerner von Marilaunille Wieniin, Nägelille Tübingeniin. Max Planck Instituutin kirjasto Tübingen on saanut sen ilmeisesti Boverin jäämistöstä, Wienin yliopiston kasvitiet. laitos Kernerin jäämistöstä, de Vries sai aikanaan ko. kirjoituksen eripainoksen M.W. Beyerinckiltä, nyk. Amsterdamin yliop. kasvit. kirj. ; Grätzin yliopiston kappale on mahdollisesti Ungerin jäämistöstä, 2 kpl on Mendel-museossa, lisäksi mm.. tanskal. geneetikko Dieter v. Wettstein on saanut 1 kpl isoisältään kasvitiet. prof. Fritz v. Wettsteinilta, Suomeen saadun kpl:een löysi Harry Federley antikvariaatista Euroopasta. Mendelin omia merkintöjä on ainakin Grätzin, Wienin ja Tübingenin kappaleissa. Mendelin artikkeli mainitaan muutamia kertoja ennen vuotta 1900, kirjallisuuskatsauksissa ja tietosanakirjoissa, mutta sen sisältöä ei kommentoitu. Mm. H. Hoffmann mainitsee jo 1869 Mendelin saaneen risteyskokeissa palautumia vanhempain tyypeistä, vaikka ko. ominaisuus oli välillä hävinnyt W.O. Focke referoi Mendelin tutkimuksia mm. Pisum- Phaseolus ja Hieraciumkokeita, ja viittaa unohtuneisiin T.H. Knightin kokeisiin. Darwin lähetti Focken kirjan tietosanakirjojen tekijä G. F. Romanes ille A. Blom berg siteerasi Mendeliä väitöskirjassaan, ja 1874 I.F. Shmalhausen, Pietarissa, mainitsee Mendelin lukusuhteet; 1879 Mendelin julkaisut mainitaan englantilaisessa luettelossa ja 1890 L.H. Bailey (USA) mainitsee Mendelin työt. Engl. R.A. Fisher teki statistisen analyysin Mendelin kokeista ja piti tuloksia liian hyvinä, vain 1/14000 kokeesta voi antaa näin tarkan tuloksen. Myöhemmin on osoitettu (Weiling 1971) että Fisherin analyysi oli

3 Veikko Sorsa: PERINNÖLLISYYSTIETEEN HISTORIAA 3 perusteiltaan väärä. Lisäksi kaikkien muidenkin hernekokeiden tulokset ovat olleet yhtä hyviä. jopa parempia. Johannsen tilastoi 1927 kaikki siihen asti tehdyt hernekokeet: kaikkiaan siementä, joista keltaisia ja vihreitä 51245, jolloin poikkeama on vain eli parempi kuin Mendelin omissa kokeissa, joka oli Carl Franz Joseph Correns D Mendelin sääntöjen uudelleenlöytäminen Vasta vuoden 1900 tienoilla vastaavia kokeita tehtiin uudelleen, Mendelin kirjoitus löydettiin ja se tuli laajalti tunnetuksi. Seuraavat kolme tutkijaa mainitaan yleisesti Mendelin kokeiden uudelleenlöytäjinä. Ensimmäinen, joka näytti lukeneen ja ymmärtäneen hernekokeiden merkityksen oli Tübingeniläinen kasvitutkija Carl Correns ( ) ja sai niistä sekä idean että selityksen omille kokeilleen. C. lienee saanut Mendelin työn käsiinsä Nägelin jäämistöstä. Ensimmäinen julkaisu Corrensin kokeista ehti painoon jo vuoden 1899 lopulla(22.12) ja ilmestyi , kaksi seuraavaa ilmestyivät myös keväällä Hollantilainen botanisti Hugo de Vries ( ) ilmeisesti ymmärsi Mendelin tulosten sekä omien tulostensa merkityksen vasta Corrensin 1. julkaisusta. de Vries sai Mendelin artikkelin eripainoksen tiettävästi mikrobiologi M.W.Beijerinckin (löysi tupakan mosaiikki viruksen 1899) lähettämänä ja siteerasi sitä seuraavissa julkaisuissaan. Itävaltalainen Erich von Tschermak ( ) ei ilmeisesti täysin ymmärtänyt Mendelin tuloksia mm. takaisinristeytyksen ideaa, mutta sai kokeissaan samantapaisia tuloksia ja tunsi Mendelin työt ilmeisesti siksi, että oli erään Mendelin opettajan sukulainen (Wienin yliopiston professorin Fenzl in tyttären poika) Näyttää siis siltä, että vielä 1900 Mendelin omat kokeet ja tulokset olivat täydellisin todiste perinnöllisyyssäännöistä, jotka kulkevat Mendelin lakien nimellä. Joka tapauksessa suuri kiinnostus ko. sääntöihin syntyi Corrensin, de Vriesin ja Tschermakin tutkimusten ansiosta. Monet eturivin tutkijat esim.engl. biologi William Bateson välittömästi liittivät mendelismin opetukseensa Tschermak toimitti Mendelin kirjoituksen Versuche über Planzenhybriden uudelleen julkaistavaksi Oswalds Klassikerkirjasarjaan, ensimmäinen painos tuli 1901, myöhempiä on otettu mm. 1911,1913, 1923, 1933, Hugo de Vries Erich von Tschermak- Seysenegg , Mendelin artikkeli painettiin 1901 myös Florassa, Bd. 89, , sekä 1901 J. of the Royal Horticult. Soc. (Bd. 26, 1-32), (C.T. Dryeryn englanniksi kääntämänä), joita painoksia ruvettiin käyttämään erityisesti Englannin ja Amerikan yliopistoissa, mm.. Bateson vuodesta 1902 alkaen. Vastaavasti englanninkielinen Mendels principle of Heredity, käännettiin saksaksi (A.Winkler). Saksankielinen uusintapainos Verhandl. des Naturf. Vereins Brünn Bd , sekä Mendelin syntymän 100v-juhlajulkaisun 1922, ja 100 v.-julkaisun 1965 yhteydessä. Käännöksiä eri kielille: 2x engl., 1x ranskaksi, 4x venäjäksi, 2x italiaksi, 2x puolaksi, 1x portugaliksi, espanjaksi, 2x tsekinkilelle, 8x

4 Veikko Sorsa: PERINNÖLLISYYSTIETEEN HISTORIAA 4 japaniksi, myös suomeksi (Portin). Käännöksistä on otettu myös suuri määrä painoksia mm.. Univ.Harvard Press. Paikallinen Mendel-tutkija lehtori Hugo Iltis löysi Mendelin jäämistöstä hernetyön alkuperäisen käsikirjoituksen, jota säilytettiin sittemmin Prahan valtionarkistossa, ja josta otettiin faximile-kopio Zühter 13, julkaisua varten 1941 ja edelleen juhlakirjaan : Novant anni delle Leggi Mendeliane Jälkimmäisessä epäselvä vuosiluku 1865 on korjattu väärin vuodeksi Alkuperäinen käsikirjoitus poltettiin tai muuten hävisi toisen maailmansodan aikana valtionarkiston muiden papereiden hävittämisen mukana. E Mendelistinen periytyminen muissa eliöissä Vuosisadan vaihteessa heräsi suuri kiinnostus vastaaviin perinnöllisyyskokeisiin muillakin eliöillä, erityisesti eläimillä. Piti vain löytää sopivia samanpaikkaisen tekijäparin ohjaamia ominaisuuspareja ja toisaalta eri kytkentäryhmiin kuuluvia pareja. Varsin varhaisessa vaiheessa havaittiin myös ihmisen luustonanomalioissa selvä mendelistinen periytyminen, ja 1902 engl. lääkäri Archibald E. Garrod huomasi, että vanhastaan tunnettu aineenvaihduntapuutos, alkaptonuria esiintyy suvuissa mendelin lukusuhteiden mukaisesti. Laajemman aineiston tutkimus yhdessä geneetikko W.Batesonin kanssa 1906 osoitti alkaptonurian aiheuttajan resessiiviseksi tekijäksi. Kasveilla voitiin seurata monien erillisten ominaisuuksien periytymistä tri-, tetrahybridi- ym. poly- eli multihybridikokeissa. Risteytyksen ja tulosten havainnollistamiseksi ja yksinkertaistamiseksi Reginald C. Punnett kehitteli nimeään kantavan shakkilautataulukon l. Punnettin neliön. Bateson ja Punnett löysivät 1906 ensimmäisen geenien kytkennän. - Löydettiin myös mendelistisen lukusuhteen poikkeuksia aiheuttavia peittäviä ominaisuuspareja (epistasia-hypostasia) ja homotsygootteina letaaleja dominoivia (esim. L. Cuenot n keltainen hiiren turkin väri) sekä resessiivisiä tekijöitä. William Bateson ehdotti (1904) perinnöllisyystieteelle oman nimen: genetiikka, myös termit homotsygootti, heterotsygootti, epistasia jne. ovat Batesonin. Tankal. Wilhelm Johannsen taas tutki valintaa puhtaassa linjassa ja antoi perintötekijälle nimen geeni (1909) samoin geno- ja fenotyyppi ovat hänen termejään. Johannsenin 1909 ilmestyneen oppikirjan Reginald C. Punnett Wilhelm Ludvig Johannsen William Bateson Elemente der exaktenerblichkeitslehre kääntäjä Kaarlo Teräsvuori keksi vastaavat suomenkieliset termit: perintötekijä, peruasu, ilmiasu jne.

5 Veikko Sorsa: PERINNÖLLISYYSTIETEEN HISTORIAA 5 F Mendelismi populaatioissa Aluksi arveltiin, että geenifrekvenssi ajanmittaan aina muuttuu dominoivan eduksi, mutta Yule 1902 huomasi alleelien lukusuhteen periaatteessa säilyvän ellei valintaetua ole. K. Pearson, joka jo 1900 oli keksinyt chi-neliö-analyysin, kehitteli geenifrekvensseille yksinkertaisen kaavan (p+q=1). Engl. matemaatikko G.H. Hardy ja saksal. biologi W. Weinberg esittivät 1908 yksinkertaisen, populaatiotutkimuksessa hyvin käyttökelpoisen kaavan, joka nyttemmin tunnetaan heidän nimellään: Hardy-Weinbergin kaava l. tasapainolaki ; p 2 +2pq+q 2 = (p+q)2, joka voidaan havainnollistaa, kun frekvenssit p ja q sijoitetaan Punnettin neliöön (ks. kuva---->). Wilhelm Weinberg G Yleistä tapahtuma- ja henkilöhistoriaa J.G. Kölreuter osoitti resiprookkisillla Nicotiana-risteytyksillä, että molempien vanhempien antama vaikutus jälkeläisiin on yhtäläinen M.J. Schleiden ja T. Schwann kehittelivät yleisen soluteorian. p p p2 q pq 1841 A. Kölliker osoitti siittiöiden kehittyvän alunperin tavallisen näköisistä soluista J. Dzierzon huomasi, että mehiläisillä sekä hedelmöitetyt että hedelmöittämättömät munat kehittyvät, mutta tietynlaisiksi yksilöiksi R. Virchof osoitti solujen syntyvän jakautumalla aiemmista soluista. q pq q Mendelin kokeet herneillä Darwinin kirja Lajien kehityksestä Mendelin artikkeli: Versuche über Pflanzenhybriden ilmestyi Friedrich Miescher eristi märkäsolujen tumista nukleiinin Tuman ja kromosomien jakautuminen vaiheineen selvitetään. (Schneider, PUNNETTin neliö Strasburger, Flemming, Weissmann, Boveri, van Beneden, Waldeyer ym.) 1900 Mendelin kokeet uusitaan genetiikan voimakas kehitys alkaa Walter S. Sutton esitti geeniparikromosomipariteoriansa, joka kuitenkin sai vaisun vastaanoton, kunnes kytkentä ja sen murtuminen oli lopullisesti banaanikärpäsellä osoitettu 1910.