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.