Perinnöllisyyden perusteita

Transkriptio

1 Perinnöllisyyden perusteita Eero Lukkari Tämä artikkeli kertoo perinnöllisyyden perusmekanismeista johdantona muille jalostus- ja terveysaiheisille artikkeleille. Koirien, kuten muidenkin eliöiden, perimä on koodattuna DNA:han. DNA muodostaa kromosomeja, joita koiralla on 38 erilaista + sukupuolikromosomit. Kaikissa tumallisissa soluissa on jokaista tavallista kromosomia kaksi kappaletta, joista toisen yksilö perii isältään ja toisen äidiltään, eli vastinkromosomipari. Sukupuolikromosomeja on kaksi erilaista, X- ja Y-kromosomi. Naarailla on kaksi X-kromosomia (XX), uroksilla sen sijaan on yksi X- ja yksi Y-kromosomi (XY). Koiralla on siis yhteensä 78 kromosomia. Kromosomien lisäksi DNA:ta on mitokondrioissa, mutta sen osuus koko DNA-määrästä on vain muutama miljoonasosa. Mitokondrioiden DNA peritään aina äidiltä. DNA muodostuu kahdesta sokeri-fosfaattirungosta (juosteesta), joiden välillä on ne yhdistäviä emäspareja (kuva 1). Emäksiä ovat adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T). Nämä emäkset pariutuvat vain A- T ja C-G. DNA:n epäsymmetrisyyden vuoksi solun proteiinisynteesi lukee aina vain tiettyä nk. mallijuostetta, joten ajateltaessa emäsparia tiedon säilytyspaikkana, sillä on neljä erilaista arvoa. Koiran koko perimä eli genomi sisältää 2,4 miljardia emäsparia. Koiran koko genomi kartoitettiin vuonna 2005, mikä on mm. mahdollistanut geenitestien kehittämisen. Kuva 1. DNA muodostaa kromosomeja, jotka sijaitsevat solujen tumassa. DNA:n proteiineja koodaavia osia kutsutaan geeneiksi. Proteiinit mm. ovat elimistön rakennuspalikoita, mahdollistavat aineenvaihdunnan ja toimivat hormoneina. Koiralla on noin geeniä, mutta sen koko DNA:sta geenit ovat vain alle 2 %. Muut DNA-alueet eivät kuitenkaan ole turhaa, vaan ne mm. säätelevät geenien ilmentymistä. Kaikkien DNA-alueiden tehtäviä ei vielä edes tiedetä. DNA:ssa eli genotyypissä olevat erot yksilöiden välillä aiheuttavat eroja niiden ilmiasussa eli fenotyypissä. Perinnöllistä muuntelua on kahta tyyppiä, polymorfiaa ja mutaatioita. Polymorfia tarkoittaa normaalia geneettistä vaihtelua eli populaatiossa yleisiä muutoksia, joista ei yleensä ole haittaa yksilölle. Mutaatiot ovat harvinaisia muutoksia, jotka saattavat olla suoraan haitallisia yksilölle. Yleisimpiä perinnöllisen muuntelun tyyppejä on yhden emäksen muutos DNA:ssa. Mutaatiot voivat olla spontaaneja (esim. virheet

2 DNA:n kopioinnissa), mutta niitä aiheuttavat myös mutageenit (säteily, mutaatioita aiheuttavat kemialliset aineet ja jotkin virukset). Pääsääntöisesti mutaatiot ovat joko haitallisia tai merkityksettömiä, hyödyllisiä mutaatioita tapahtuu hyvin harvoin. Erilaisia mutaatioita on esitetty kuvassa 2. Pistemutaatiossa yksi emäs muuttuu toiseksi. Insertiossa DNA:han ilmestyy lisää emäksiä, kun taas deleetiossa niitä poistuu. Kokonainen kromosomin osa voi vaihtua toiseen, tai kromosomin osa voi myös kääntyä. Mikrosatelliitit tarkoittavat lyhyitä, usein kahden tai kolmen emäksen jaksoja, joiden toistumistiheys muuttuu usein. Niissä on paljon vaihtelua rotujen sisälläkin, joten niitä käytetään mm. polveutumismäärityksissä. Kopiolukuvaihtelu on vastaava ilmiö kuin mikrosatelliittimuutos, mutta se koskee huomattavasti pidempiä DNA-pätkiä, jopa miljoonien emästen mittaisia. Kopiolukuvaihtelu on ihmisillä yhdistetty neurologisiin häiriöihin ja autoimmuunisairauksiin. Kuva 2. Perinnöllisen muuntelun tyyppejä. Saman geenin vaihtoehtoisia muotoja (eli erilaisia emäsjärjestyksiä), joilla on kromosomissa sama paikka eli lokus, kutsutaan alleeleiksi. Ei-sukupuolikromosomeissa eli autosomeissa sijaitsevista geeneistä on yksilöllä aina kaksi kopiota eli alleelia, koska kromosomeja on kaksi. Yksilö perii toisen alleelin isältään ja toisen äidiltään. Kromosomien alleelit voivat olla samanlaiset, jolloin yksilö on alleelin suhteen homotsygootti. Jos alleelit ovat erilaiset, yksilö on heterotsygootti. Jos johonkin ominaisuuteen vaikuttaa vain yksi geeni, ominaisuuden periytyminen voi olla dominoivaa eli vallitsevaa, resessiivistä eli peittyvää tai intermediaarista eli välimuotoista (kuva 3).

3 Kuva 3. Autosomaalinen yhden geenin määräämä ominaisuus. Kuvitellaan koiran värin määräävän yksi lokus, jonka eri alleeleja ovat M=musta ja V=valkoinen. Mikäli musta dominoi valkoista, on koira genotyypiltään MV musta. Mikäli kyseessä sen sijaan on välimuotoinen periytyminen, on se harmaa. Peittyvästi periytyvät ominaisuudet hyppivät helposti sukupolvien yli (kuva 4). Yksilöllä voi olla korkeintaan kaksi erilaista alleelia, mutta koko populaatiossa alleeleja voi olla suurikin määrä. Jos geeni ilmenee kaikkien sen omaavien yksilöiden ilmiasussa, on geenin ilmenemisyleisyys eli penetranssi täydellinen. Penetranssi on kuitenkin usein epätäydellinen. Ominaisuudet voivat periytyä tavallisten kromosomien lisäksi X- tai Y- kromosomaalisesti sekä mitokondriaalisesti. Näitä periytymistapoja ei tässä artikkelissa asian selvityksen pituuden vuoksi käsitellä.

4 Kuva 4. Oletetaan värin periytyvän kuvan 3 vasemmanpuoleisella tavalla mustan dominoiden valkoista. Kun yhdistetään homotsygootti musta ja valkoinen yksilö, saadaan aikaan mustia jälkeläisiä 1. polvessa, jotka kantavat valkoista eli ovat heterotsygootteja, koska homotsygoottinen musta yksilö periyttää vain M-alleelia ja valkoinen vain V-alleelia. Kaksi genotyypiltään MV-yksilöä yhdistämällä saadaan aikaan 2. polvessa laskennallisesti 25 % mustia homotsygootteja, 50 % mustia heterotsygootteja ja 25 % valkoisia, koska kumpikin periyttää sekä M- että V-alleelia. Sukusolujen jakautumisessa eli meioosissa kahdentuneiden kromosomien välillä tapahtuu tekijäinvaihduntaa (kuva 5). Kromosomien toisiaan vastaavat pätkät voivat vaihtua, ja näin syntyy uusia geeniyhdistelmiä, mikä lisää perinnöllistä monimuotoisuutta. Mikäli kaksi tai useampi tarkasteltavaa alleelia sijaitsevat samassa kromosomissa lähekkäin, niiden välille syntyy hyvin harvoin kiasmoja. Näin ollen ne periytyvät lähes aina yhdessä. Sanotaan, että ne ovat kytkentäepätasapainossa. Kyseisenlaisesta useamman alleelin yhdessä periytyvästä yhdistelmästä käytetään nimitystä haplotyyppi (kuva 6).

5 Kuva 5. Tekijäinvaihduntaa tapahtuu meioosissa kahdentuneiden kromosomien kesken. Kuva 6. Haplotyyppi muodostuu useamman geenin alleeleista. Enemmistö kiinnostavista ominaisuuksista ja sairauksista ei periydy yhden geenin välityksellä, vaan niihin vaikuttaa useampi geeni sekä ympäristö. Silloin puhutaan polygeenisestä eli monitekijäisestä periytymisestä. Polygeenisiin ominaisuuksiin voi vaikuttaa yksi tai muutama suurivaikutteinen lokus ja useita pienempivaikutteisia tai niihin voi vaikuttaa pelkästään suuri määri pienivaikutteisia lokuksia. Ympäristötekijät vaikuttavat fenotyyppiin esimerkiksi ruokavalion ja hormonitoiminnan kautta. Monien sairauksien puhkeamiseen ja vakavuusasteeseen vaikuttavat sekä perimä että ympäristö. Perimä ja ympäristö vaikuttavat eri sairauksiin eri painotuksilla (kuva 7).

6 Kuva 7. Yleisiin sairauksiin vaikuttavat niin perimä kuin ympäristökin. Geenien löytämisen jälkeen pidettiin selvänä, että hankitut ominaisuudet eivät periydy. Paljastui kuitenkin, että esimerkiksi DNA:n pakkausasteen muutokset, jotka taas vaikuttavat geenien ilmentymiseen, voivat periytyä. Ympäristö voi saada aikaan eliössä muutoksia, jotka periytyvät. Epigeneettinen periytyminen tarkoittaa tällaista DNA:n ulkopuolista periytymistä. Aiheesta tiedetään vielä varsin vähän, mutta ihmisiltä on löydetty joitakin sairauksia, joihin liittyy DNA:n pakkausasteen muutos.