Ympäristön ja geenien välissä on epigenomi

Jotta jatkossa olisi helpompi ymmärtää miten ympäristö voi vaikuttaa sikiönkehitykseen, meidän on hyvä tietää jotain epigenetiikasta. Epigenetiikka on yhä tutumpi termi muuallakin kuin genetiikan laboratorioissa. Siitä on lukuisia määritelmiä, joista ehkä tunnetuimpia ovat englantilaisen molekyylibiologin Robin Hollidayn ja amerikkalaisen geenitutkijan Arthur Riggsin. Hollidayn melko suurpiirteisen määritelmän mukaan epigenetiikassa tutkitaan ajallista ja paikallista geenien toiminnan säätelyä yksilönkehityksen aikana. Eli esimerkiksi sitä, miten kantasolusta kehittyy erilaistumisen seurauksena maksasolu maksaan. Riggsin tiukemman määritelmän mukaan epigenetiikassa tutkitaan mitoottisesti eli emosolulta tytärsoluille tai meioottisesti eli sukusoluissa sukupolvelta toiselle periytyvää geenin toiminnan muutosta, joka ei johdu muutoksesta itse DNA-juosteessa.

Hollidayn määritelmä on kehitysbiologiaa ja epigenetiikka mielletään osana solujen normaalia erilaistumista kehityksen aikana. Riggs puolestaan painottaa muutoksen perinnöllisyyttä ja määritelmä tuo mieleen lääketieteellisemmän näkemyksen: epigeneettinen muutos muuttaa geenin toimintaa ja perinnöllisenä se voi vaikuttaa yksilön tai useamman terveyteen. Yhteistä näille määritelmille on se, että geenien toiminta muuttuu ilman muutosta DNA-juosteessa. Epigenetiikassa tutkitaan siis geenien säätelyä. Mutta mikä sitten on se geenien toimintaa säätelevä kerros DNA-juosteen päällä?

Epigenomi säätelee geenien toimintaa

DNA-juosteen päällä on epigenomi, ja sen tarkastelu kannattaa aloittaa histoniproteiineista. Histonit ovat pakanneet DNA-juosteen soluihimme. Ottaen huomioon juosteen pituuden ja solujen koon, ovat nämä “ahtaajat” tehtävässään erittäin tehokkaita ja järjestelmällisiä. DNA-juoste ja histoniproteiinit muodostavat yhdessä kromatiinin, joka tiiviimmillään nähdään solujen jakautuessa X:n mallisina kromosomeina. Kromatiinin ollessa tiukkaa, ei geenien toimintaan tarvittavat molekyylit pääse kiinnittymään DNA-juosteeseen ja geenit ovat hiljentyneet. Aktiivisesti toimivien geenien kohdalla kromatiini on löysää.

Se kuinka löysää tai tiukkaa kromatiini on, riippuu histoneihin kiinnittyvistä molekyyleistä. Nämä molekyylit ovat keskeinen osa epigeneettistä säätelyä. Tähän mennessä on löydetty lukuisia erilaisia histonien häntiin kiinnittyviä molekyylejä ja lukumäärä kasvaa. 

Epigeneettisistä merkeistä eniten on kuitenkin tutkittu DNA-metylaatiota. Yksinkertaisimmillaan metyyliryhmä istahtaa geenin säätelyalueelle, estää geenin toimintaan tarvittavan säätelytekijän sitoutumisen ja hiljentää geenin. Tämän suoran vaikutuksen lisäksi metyloituneeseen DNA-juosteeseen voi kiinnittyä proteiineja, jotka muokkaavat histonien häntiä ja näin muuttavat kohdan kromatiinin rakennetta.

DNA-metylaation ja histoneita muokkaavien molekyylien lisäksi geenien toimintaa säätelee pienet RNA:n pätkät, mikroRNAt. Ne voivat vaikuttaa suoraan geenien tuottaman proteiinin määrään hajottamalla geenien tuotetta. Lisäksi muu epigeneettinen säätely voi vaikuttaa niiden luentaan DNA-juosteesta ja sitä kautta määrään solussa.

Nämä kolme parhaiten tunnettua epigeneettistä säätelytekijää kuuluvat epigenomiin. Epigenomilla on tärkeä rooli sikiönkehityksessä: se säätelee solujen erilaistumista. Yhdestä hedelmöittyneestä munasolusta kehittyy yli 200 erilaista solutyyppiä, joilla jokaisella on samanlainen DNA-juoste, mutta omanlaisensa epigeettinen profiili. Maksasolussa toimivat aktiivisesti solun elämää ylläpitävien geenien lisäksi juuri maksasolujen toiminnalle tarpeelliset geenit. Näiden geenien kohdalla kromatiini on siis löysää. Toisaalta nämä samaiset kohdat kromatiinia ovat tiukasti pakattuina hermosoluissa, joissa juuri näiden geenien tuottamaa proteiinia ei tarvita.

Tutkimusten mukaan ympäristö voi muuttaa näitä epigeneettisiä merkkejä ja vaikuttaa näin geenien toimintaan. Tätä tutkitaan ympäristöepigenetiikassa. Epigeneettisiä merkkejä tulee lisää ja niitä häviää meiltä jokaiselta elämämme aikana. Muutos niissä voi olla esimerkiksi syövän kehityksessä se ratkaiseva askel, joka johtaa solujen villiintyneeseen jakautumiseen ja kasvaimeen. Solu- ja eläinkokeet ovat osoittaneet, että epigenomi olisi haavoittuvimmillaan ympäristön vaikutuksille juuri alkuraskauden aikana. Solujen epigeneettiset profiilit muodostuvat ja kopioituvat tytärsoluille. Maksasoluista tulee jakautuessa maksasoluja ja hermosoluista hermosoluja. Väärään paikkaan istahtava metyyliryhmä epigenomin muodostuessa voi siis lähteä jakautumisien myötä siirtymään tytärsoluihin ja edelleen tytärsoluihin, ja jäädä näin soluihin loppuelämäksi. Ja pahimmillaan estää jonkin geenin normaalin toiminnan.

Folaattia hermoston kehitykseen

Ravinnosta saatava folaatti eli vesiliukoinen B9-vitamiini sekä sen synteettinen muoto foolihappo ovat tärkeitä metyyliryhmien lähteitä DNA-juostetta ja histoniproteiineja metyloitaessa. Lisäksi sitä tarvitaan uuden DNA-juosteen valmistukseen. Ei siis yllätä, että sen puutos raskauden alussa voi aiheuttaa vakavia kehityshäiriöitä kuten spina bifidaa, yhtä yleisimmistä synnynnäisitä epämuodostumista. Häiriössä hermostoputki ei sulkeudukaan normaalisti sikiönkehityksen alussa. Tämä aiheuttaa pahimmillaan syntyvälle lapselle alavartaloon hermostollisia häiriöitä, osittaista halvaantumista ja häiriöitä aivojen toiminnassa kuten kognitiossa. Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen epämuodostumarekisterin mukaan Suomessa syntyy vuosittain 40-50 lasta, joilla on hermostoputken sulkeutumishäiriö. Sille altistaa sekä perinnölliset tekijät että ympäristö.

Yhteys vähäisen folaatin ja hermostoputken sulkeutumishäiriöiden välillä näyttää selvältä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa ja Kanadassa foolihapon lisäminen jauhoihin vähensi häiriöitä merkittävästi. Foolihapon on myös osoitettu vaikuttavan raskauden aikana sikiön epigenomiin, sekä hiirillä että ihmisillä. Vielä ei kuitenkaan tiedetä miten liian vähäinen folaatin määrä vaikuttaisi epigenomiin, hermoston kehitykselle oleellisten geenien toimintaan ja aiheuttaisi hermostoputken sulkeutumishäiriön. Vai onko kyseessä kuitenkin jokin muu mekanismi? Tutkimustulokset ovat ristiriitaisia, eikä selvää yhteyttä folaattiannoksen, epigeneettisten muutosten ja spina bifidan välillä ole vielä löydetty. Hyvinkin erilaisissa tutkimuksissa on tarkasteltu pieniä alueita epigenomissa, joten laajamittainen, koko epigenomin kattava tutkimus olisi tarpeen.

Monissa maissa suositellaan odottaville äideille foolihappolisää. Näin myös Australiassa, missä yksi lapsistamme syntyi. Lisän ottaminen piti suositusten mukaan aloittaa vähintään kolme kuukautta ennen hedelmöitystä. Sitä tuli ottaa ainakin alkuraskauden ajan, mutta mieluiten läpi koko raskauden. En muista, että neuvolassa täällä Suomessa olisi puhuttu meille säännöllisestä foolihappolisästä. Suhtauduinkin aluksi Australian suosituksiin epäluuloisesti. Tuntui vähintäänkin erikoiselta, että tutkimustiedot, jotka Australiassa olivat johtaneet näinkin tavanomaiseksi rutiiniksi, eivät olleet kantautuneet meidän huippuluokan neuvolajärjestelmän ja terveydenhuollon korviin. Söin kyllä lisäni aina kun muistin. Kasvissyöjänä en kuitenkaan osannut olla asiasta sen kummemmin huolissani, koska folaatin tärkeimpiä lähteitä ovat vihreät vihannekset. Lisäksi sitä saa täysjyväviljasta, hedelmistä, marjoista, pähkinöistä, kananmunista ja lihasta.

Huomasin, että Suomessakin on viralliset suositukset. Vuoden 2014 Terveyttä ruoasta! -ravitsemussuosituksen mukaan odottavan tai imettävän äidin tulisi saada folaattia 500 mikrogrammaa vuorokaudessa. Koska suomalainen ei-raskaana oleva nainen saa ravinnosta keskimäärin hieman alle suosituksen eli alle 300 mikrogrammaa folaattia vuorokaudessa, raskautta suunnittelevan tai jo odottavan on syytä miettiä lisiä. Tai ainakin tarkistaa ruokavalio.

Kertokaa, jos tiedätte suosituksista enemmän!

Kun geeni menee rikki

Myrkyllinen ympäristötekijä voi estää solun normaalin toiminnan ja tappaa sen. Jos alkuraskaudessa solu tai muutama kuolee, raskaus ei välttämättä mene kesken. Tällöin solut ovat yhä totipotentteja, kyvykkäitä erilaistumaan miksi tahansa solutyypiksi. Kuolleet solut korvautuvat nopeasti uusilla ja alkion kehitys jatkuu normaalisti. Myöhemmin raskaudessa, sikiön solujen ollessa jo erilaistuneita eri tehtäviin, saattavat solukuolemat aiheuttaa synnynnäisiä epämuodostumia.

Mutta mitä jos myrkky tai jokin muu ympäristön tekijä ei tapa solua? Jos se vain hieman muuttaa sitä? Yhden solun häiriintynyt toiminta tuskin haittaa kehitystä, jos lukemattomat muut sen ympärillä toimivat normaalisti. Jotta muutos jättäisi pysyvän jäljen sikiöön jonka solut jakautuvat kiivasta vauhtia, pitäisi muutoksen periytyä emosolulta tytärsoluihin. Ja edelleen tytärsolujen tytärsoluihin. Ja niin edelleen. Tällä periaatteella ympäristön vaikutuksen ajankohta vaikuttaa muutosta kantavien solujen määrään: mitä aikaisemmassa vaiheessa kehitystä muutos tapahtuu, sitä laajemmalle eri kudoksiin se myös leviää. 

Jotta muutos siirtyy solunjakautumisen myötä tytärsoluille, sen täytyy olla perinnöllinen. Tämä ei tarkoita välttämättä sukupolvelta toiselle periytyvää meioottista muutosta, mutta sen täytyy periytyä solujen jakautuessa, mitoottisesti. Perinnölliseen muutokseen tarvitaan DNA-juoste, joka kopioituu emosolulta tytärsoluille. DNA-juosteeseen on kirjoitettu kaikki meidän geenit, joita lukemalla valmistetaan solun tarvitsemat proteiinit. Lisäksi juosteessa ovat geenien säätelyyn tarvittavat alueet sekä paljon muuta, yhä tuntematonta informaatiota.

Tiedetään, että esimerkiksi radioaktiivinen säteily on mutageeni, joka aiheuttaa muutoksia eli mutaatioita DNA-juosteessa. Tunnetaan myös useita yhdisteitä, jotka voivat häiritä solun sisäisiä tapahtumaketjuja ja muuttaa perimää. Puhutaan yhdisteiden genotoksisista eli perimämyrkyllisistä ominaisuuksista. Näitä haitallisten aineiden aiheuttamia virheitä solu yrittää paikata DNA:ta korjaavien entsyymien avulla tai vaurioitunut solu ohjataan hallittuun kuolemaan, apoptoosiin. Genotoksinen yhdiste on mutageeni, jos se onnistuu muuttamaan DNA-juostetta pysyvästi. Esimerkiksi akryyliamidin on huomattu vahingoittavan hiirten DNA-juostetta, aiheuttavan hallitsematonta solujen jakautumista ja syöpää. Sitä sisältävät perunalastut, ranskanperunat ja keksit - rapeat herkut, joiden valmistuksessa on käytetty korkeita lämpötiloja. Se läpäisee istukan ja sen haitallisuutta sikiönkehitykseen on tutkittu. Äidin runsaasti akryyliamidia sisältävä ruokavalio on yhdistetty lapsen pienempään syntymäpainoon ja päänympärykseen.

Geenitutkimuksen Sherlockit

Mutaatioiden seurauksiin vaikuttaa moni seikka: mihin mutaatio osuu, onko mutaatio yksittäisen DNA-juosteen emäksen muutos vai laajempi ketjun häviäminen? Minkä geenin toiminta häiriintyy? Tarvitaanko tästä geenistä kaksi toimivaa muotoa, toinen äidiltä ja toinen isältä, vai riittääkö yksi? Entä kuinka laajalle virhe leviää? Jos mutaatio tapahtuu esimerkiksi noin kuukauden elävän ihosolun geenissä, jonka tuottama proteiini on tärkeä vain maksan toiminnalle, emme saa koskaan tietää virheestä. Toisaalta, jos mutaatio tapahtuu äidin tai isän sukusolulinjan soluissa, se siirtyy myös lapsille. Sukusoluista se tulee leviämään kehittyvän sikiön kaikkiin soluihin ja vaikuttaa siksi suuremmalla todennäköisyydellä jollain tavoin lapsen elämään.

Geenivirheitä etsitään verinäytteestä eristetystä DNA-juosteesta. Tässä salapoliisityössä käytetään pääasiassa kahta menetelmää, kytkentäanalyysia ja assosiaatioanalyysia. Kytkentäanalyysiä varten kerätään DNA:ta perheistä ja kartoitetaan, mikä pätkä DNA-juostetta on periytynyt kaikille häiriöstä kärsiville perheenjäsenille. Tämä pätkä todennäköisesti sisältää virheen, joka aiheuttaa häiriön. Assosiaatioanalyysissä puolestaan kerätään DNA:ta suuresta joukosta samasta häiriöstä kärsivistä henkilöistä, joiden ei tarvitse olla sukua keskenään. Verrokeiksi kerätään suuri joukko henkilöitä, joilla häiriötä ei ole. Vertailemalla näitä kahta ryhmää, on mahdollista löytää samanlainen pätkä DNA-juostetta kaikilta häiriötä kantavalta henkilöltä. Tätä häiriön syntyyn vaikuttavaa DNA-pätkää ei odoteta löytyvän verrokeilta. 

Näillä menetelmillä on onnistuttu jäljittämään lukuisia erilaisia sairauksia aiheuttavia DNA-muutoksia. Yhden geenivirheen aiheuttamat häiriöt ovat nykyisten tehokkaiden DNA-juostetta lukevien sekvensointilaitteiden avulla hyvinkin nopeasti selvitettävissä. Isompi haaste geenitutkijoille ovat monitekijäiset häiriöt. Näiden taustalla piileskelee useita geenejä ja kuviota sekoittaa ympäristön vaikutus.

Itse pääsin tutkimaan väitöskirjassani monitekijäistä lukihäiriötä, dysleksiaa. Lukihäiriö on perinnöllinen ja sen periytyvyydeksi on arvioitu 40-70 prosenttia. Tähän mennessä on löydetty yli kymmenen geeniä, jotka liittyvät siihen. Tuo arvioitu 40-70 prosentin periytyvyys tarkoittaa kuitenkin sitä, että 30-60 prosenttia lukihäiriön synnystä on jotain muuta kuin sellaisia geenivirheitä, joita voidaan jäljittää perinteisillä geenitutkimuksen menetelmillä. Väitöskirjaa tehdessäni kiinnostuin juuri tästä osuudesta. Mitä tämä mystinen “ympäristön vaikutukset” pitää sisällään? Ehkä geenivirheiden lisäksi lapsen kasvuympäristö vaikuttaa lukihäiriön syntyyn. Ehkä lukutaidolle tärkeässä aivojen kehitysvaiheessa tarvittava virike puuttuu tai huono ravitsemus haittaa kehitystä. Ehkä. 

Saatuani väitöskirjan valmiiksi halusin tietää enemmän ympäristön vaikutuksesta geeniemme toimintaan. Mitä jos geeni ei olekaan rikki, eikä virhettä voi siksi löytää DNA-juosteesta? Mitä jos ympäristö varhain sikiönkehityksessä muuttaakin vain geenien säätelyä, ei itse geeniä? Ja mitä nämä muuttuvat geenien säätelytekijät voisivat olla? Näihin kysymyksiin lähdin etsimään vastausta maapallon toiselta puolelta, ympäristöepigenetiikasta.