Tekijät Michael Yudell, MPH, American Museum of Natural History
ja Rob DeSalle, Ph.D., American Museum of Natural History

Gregor Mendel, genetiikan uranuurtaja ja Altbrünnin kollegiaattikirkon kirkkoherra Tšekissä.

Kun itävaltalaisen munkki Gregor Mendelin 1800-luvun puolivälissä tekemät kokeet johtivat perinnöllisyyden perusmekanismien löytämiseen, genetiikan tiede syntyi ja ihmiskunta otti ensimmäiset pienet askeleensa kohti geneettisen koodin selvittämistä. Mendel auttoi käynnistämään kultaisen aikakauden, kun tiedemiehet eri puolilla maailmaa pohtivat perinnöllisyyden biologisia perusteita. Hämmästyttävän edistyksen vuosisata

Tieteellisen tutkimuksen painopiste on sittemmin siirtynyt Mendelistä molekyyleihin ja genetiikasta – yksittäisten geenien tutkimisesta ja siitä, miten ominaisuudet siirtyvät sukupolvelta toiselle – genomiikkaan, eli elimistön koko DNA:n (deoksiribonukleiinihapon) tutkimiseen. Nykyään maisemaa hallitsee Human Genome Project, kansainvälinen tutkimuskonsortio, joka sai kesäkuussa 2000 valmiiksi ensimmäisen luonnoksen ihmisen geneettisestä koodista. Lopputuote – kaikkien 3,1 miljardin DNA:n emäsparin täydellinen sekvenssi, joka sisältyy lähes jokaiseen ihmissoluun – on salattu suunnitelma ihmiselämästä.

Ymmärtääksesi ihmisen genomin sisältämän tiedon määrän kuvittele 58 New Yorkin puhelinluetteloa kirjoitettuna A:lla, C:llä, T:llä ja G:llä. ©AMNH

Kukaan ei olisi voinut ennustaa, että vain sata vuotta Mendelin jälkeen tutkijat alkaisivat hallita itse DNA-molekyyliä. Miten pääsimme tähän pisteeseen? Miten tiede eteni perinnöllisyyden mekanismien pohtimisesta mahdollisimman laajasti, sen ymmärtämisestä, että geenit ovat perinnöllisyyden perusyksiköitä, niiden DNA-koodien tulkitsemiseen ja lopulta manipulointiin, jotka ovat kaiken elämän perustana maapallolla? Tarinassa on kyse sinnikkyydestä, intuitiosta ja silkasta tuurista.

Hernekasveista hedelmäkärpäsiin

Charles Darwinin vuonna 1859 julkaiseman Lajien synty -teoksen innoittamana suurin osa biologisesta ajattelusta oli Mendelin löytöjen aikaan keskittynyt evoluution arvoitusten ratkaisemiseen. Mendelin teos julkaistiin tuntemattomassa tieteellisessä lehdessä, ja se pölyttyi lähes 40 vuotta. Huomionarvoista on, että kolme kasvitieteilijää, jotka työskentelivät eri laboratorioissa eri puolilla Eurooppaa, löysi sen uudelleen vuonna 1900. 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä kasvigeenitiede syrjäytettiin hyönteisiä ja eläimiä koskevalla tutkimuksella, ja Mendelin peruslakeja – jotka selittävät, miten ominaisuudet siirtyvät sukupolvelta toiselle – testattiin laajalla lajivalikoimalla.

Hämmästyttävän lisääntymiskykyinen ja vain neljällä kromosomiparilla varustettu Drosophila melanogaster (eli hedelmäkärpänen) on ollut geneetikkojen työratsu lähes sadan vuoden ajan. Viime vuosisadan alussa Thomas Hunt Morgan ja hänen oppilaansa Columbian yliopistossa alkoivat kasvattaa hedelmäkärpäsiä satojatuhansittain. Siihen aikaan ei ollut olemassa edes sitä terminologiaa, jota nykyään kutsumme genetiikaksi. Kasvitieteilijä William Bateson nimesi alan vuonna 1906, ja kolme vuotta myöhemmin saksalainen biologi Wilhelm Johannsen keksi termin “geeni”.

Vuonna 1910 Morganin laboratorioon ilmestyi yksinäinen valkosilmäinen uroskärpänen. Aiemmin Mendelin teorioihin kriittisesti suhtautunut Morgan omaksui ne, kun ne pystyivät kuvaamaan tarkasti tämän ominaisuuden siirtymisen sukupolvelta toiselle. Hän kutsui tällaista ominaisuutta mutaatioksi. Morgan käytti mutaatioita siirtyäkseen perinnöllisyyttä hallinnoivien lakien ulkopuolelle ja tutki erityisiä mekanismeja – itse geenejä – jotka toteuttavat prosessin. Etsimällä ja jalostamalla satoja näkyviä mutaatioita, muun muassa sellaisia, joilla oli kehon värin ja siipien muodon vaihteluita, hän ja hänen työtoverinsa pystyivät luomaan kromosomikarttoja, joista näkyi, missä kussakin Drosophilan neljässä kromosomissa tietyt geenit sijaitsivat – hedelmäkärpäsen perimän varhainen kartta.

Eugeniikka – geneettisen teorian pimeä puoli
Mikäli genetiikkaa koskeva tieteellinen ajattelu keskittyi Morganin ja hänen kollegoidensa työhön 1900-luvun kolmen ensimmäisen vuosikymmenen aikana, julkista keskustelua hallitsi ryhmä miehiä ja naisia, jotka tunnettiin nimellä eugeniikka. Eugeniikka on tiede, jonka tarkoituksena on parantaa ihmiskunnan ominaisuuksia valikoivan jalostuksen avulla. Maahanmuuttovastaisuudesta ja uskosta joidenkin rotujen geneettiseen ylivertaisuuteen ammentava eugeniikkaliike lietsoi rotuvihaa ja johti syrjiviin lakeihin ja noin 30 000 “heikkomieliseksi” väitetyn amerikkalaisen sterilointiin. Onneksi eugeniikka väistyi kansallisesta huomiosta lähes yhtä nopeasti kuin se oli noussutkin, ja tätä siirtymää nopeuttivat holokaustin kauhut sekä genetiikan, evoluutio- ja populaatiobiologian edistysaskeleet.

Molekyyligenetiikka ohittaa klassisen genetiikan
Kun jotkut biologit loivat matemaattiset puitteet sille, miten ominaisuudet periytyvät sukupolvelta toiselle, toiset kamppailivat määritelläkseen perintöaineksen kemiallisten ainesosien koostumuksen. Jotkut jäivät uskomaan, että proteiinit siirtävät ominaisuuksia sukupolvelta toiselle, kun taas toiset väittivät, että nukleiinihapot olivat elämän perusrakennusaineita. Vuonna 1944 kolme amerikkalaista biologia teki nerokkaita kokeita pneumokokkibakteereilla (jotka aiheuttavat keuhkokuumetta), ja niissä todettiin, että geenit koostuvat DNA:sta. Tämä löytö käynnisti evoluutiobiologi Ernst Mayrin sanoin “todellisen ‘lumivyöryn’ nukleiinihappotutkimuksen”, kun biokemistit kiirehtivät selvittämään DNA:n fysikaalista rakennetta ja kemiallisia ominaisuuksia.

Tulee kaksoiskierre
1950-luvulla tutkijat kehittivät Cambridgessa, Englannissa sijaitsevissa Cavendishin laboratorioissa röntgenkristallografian, tekniikan, joka mahdollisti kolmiulotteisen rakenteen tulkitsemisen kiteytyneestä molekyylistä. Sen avulla Maurice Wilkins ja Rosalind Franklin pystyivät ottamaan DNA:sta “tilannekuvia”, joita James Watson ja Francis Crick käyttivät vuonna 1953 rakentaessaan kuuluisaksi tulleen mallinsa: he havaitsivat, että DNA:n muoto muistutti kierreportaikkoa eli kaksoiskierrettä.

Yksi Watsonin ja Crickin alkuperäisistä malleista DNA:n rakenteesta, esillä AMNH:n näyttelyssä “The Genomic Revolution”. Roderick Mickens ©AMNH

Watsonin ja Crickin suurin vahvuus oli heidän kykynsä sovittaa mallinsa yhteen olemassa olevan tieteen kanssa. Vielä vuonna 1933 Thomas Hunt Morgan huomautti, että “geneetikkojen keskuudessa ei ollut yksimielistä mielipidettä siitä, mitä geenit ovat – ovatko ne todellisia vai puhtaasti kuvitteellisia”. Vaiston varassa työskentelevä Morgan ei voinut olla varma siitä, että hänen geenikarttansa olivat muutakin kuin villiä hanhenmetsästystä. Mutta siitä lähtien, kun vuonna 1944 havaittiin, että DNA oli todellakin perinnöllisyyden “ainesta”, geenien olemassaolosta tuli yhä vähemmän teoreettista. Kun Watson ja Crick löysivät DNA:n todellisen fyysisen rakenteen, geneetikot pääsivät lopulta yksimielisyyteen siitä, että geenit olivat todellisia. Kun perinnöllisyyden perusteet oli nyt selvitetty, heidän seuraajansa alkoivat tutkia ja manipuloida geneettisiä prosesseja molekyylitasolla.

Syvemmälle soluun

Molekyylitason muut tärkeät toimijat ovat valkuaisaineet – aminohapoista koostuvat rakenteet, jotka ohjaavat solun toimintaa. Kemisti Fred Sanger keksi 1950-luvulla, miten tietyn proteiinin aminohappojen järjestys voidaan määrittää. Se, että proteiinit koostuvat kahdenkymmenen aminohapon lineaarisista riveistä ja geenit neljän nukleiinihapon eli emäksen (DNA) lineaarisista riveistä, saattoi tarkoittaa vain yhtä asiaa. Jonkinlainen koodi yhdisti DNA:n sisältämän tiedon proteiinien tuotantoon. Arvoituksen ratkaisemiseksi tarvittava tiukka ajattelu ja kokeilut houkuttelivat joitakin vuosisadan puolivälin suurimmista tiedemiehistä.

1960-luvulla Crick ja kemisti Sydney Brenner selvittivät, miten DNA ohjaa soluja valmistamaan tiettyjä proteiineja: DNA:ssa oleva erilainen emäskolmikko, niin sanotut kodonit, koodaa kutakin kahdestakymmenestä aminohaposta, joiden ketjuista eri proteiinit rakentuvat. Seuraavien vuosien aikana koodoneja tunnistettiin yhä enemmän, ja lopulta kävi ilmi, että koodi on sama kaikissa eliöissä saniaisista flamingoihin.

Sillä välin biokemistit purkivat solun osiin selvittääkseen, miten DNA:ta monistetaan, miten proteiineja syntetisoidaan ja mikä rooli entsyymeillä on. Vuonna 1958 Arthur Kornberg ja Severo Ochoa syntetisoivat ensimmäisenä DNA-molekyylejä koeputkessa. Tämän jälkeen he löysivät laajan joukon entsyymejä ja proteiineja, jotka ovat tärkeitä DNA:n replikaatiossa ja proteiinien kääntämisessä. Toiset manipuloivat bakteereja nopeuttaakseen DNA:n ja geenien analysointia. Vuonna 1972 keksittiin rekombinantti-DNA:ksi kutsuttu tekniikka – DNA:n leikkaaminen yhdestä organismista ja sen lisääminen toisen organismin DNA:han – ja luotiin geenitekniikan ala. Tämä erittäin tärkeä kehitys mahdollisti geenien kloonaamisen ja muokkaamisen ja loi perustan nykyaikaiselle biotekniikalle. Esimerkiksi bakteeripesäkkeitä käytetään nykyään insuliinin ja ihmisen kasvuhormonin taloudelliseen valmistukseen.

Uusi PCR-kone, DNA Engine Tetrad, monistaa DNA:n kohdesekvenssin yli miljoonaksi kopioksi muutamassa tunnissa. Meg Carlough ©AMNH

Teknologiat, joiden avulla tutkijat pystyivät näkemään ja käsittelemään tiettyjä DNA-sekvenssejä, kehittyivät myös. Ratkaiseva läpimurto oli Kary Mullisin vuonna 1983 keksimä polymeraasiketjureaktio (PCR), prosessi, joka tuottaa triljoonia kopioita tietystä DNA-segmentistä muutamassa tunnissa. PCR muutti molekyylibiologiaa valmistamalla geneettistä materiaalia riittävän suurina määrinä kokeiden tekemistä varten.

Kaikki nämä keksinnöt loivat pohjan ensimmäiselle kokonaisen genomin sekvensoinnille, joka tehtiin vuonna 1977 pienestä PhiX0174-nimisestä viruksesta. Itse sekvensointi paljasti monia tuntemattomia asioita geeneistä ja geenien rakenteesta, ja tämä teema toistui yhä uudelleen, kun lisää genomeja sekvensoitiin: bakteeri vuonna 1995, ensimmäinen korkeampi organismi, pyörömato C. elegans, vuonna 1998, hedelmäkärpänen maaliskuussa 2000 ja kolme kuukautta myöhemmin ihminen.

Moving Beyond the Genome

Nyt kun ihmisen genomi on sekvensoitu, painopiste on siirtymässä proteomiikkaan: kaikkien niiden proteiinien tutkimiseen, joita geenit koodaavat. Ihmisen genomiprojektissa määritellyt noin 30 000 geeniä vastaavat 300 000-1 miljoonaa proteiinia. Vaikka genomi on suhteellisen kiinteä, minkä tahansa solun proteiinit muuttuvat dramaattisesti, kun geenit kytkeytyvät päälle ja pois päältä ympäristönsä vaikutuksesta, ja ne ohjaavat hämmästyttävän moninaisia biologisia toimintoja hienolla tarkkuudella.

Molekyylibiologit alkavat nyt selvittää niitä monimutkaisia tapoja, joilla geenit ovat vuorovaikutuksessa toistensa ja ympäristön kanssa tuottaakseen monenlaisia tuloksia. Keräämme ja analysoimme edelleen tietoa sekä ihmisen että muun kuin ihmisen genomista hämmästyttävällä vauhdilla.

Geeniteknologian riskit ja palkinnot

Kyky manipuloida DNA:ta tekee meistä kykeneviä aiheuttamaan suunnatonta haittaa itsellemme ja ympäristöllemme, mutta samalla se antaa myös valtavia lupauksia elämämme parantamisesta toistaiseksi näkymättömillä tavoilla. Kehitteillä oleva teknologia voi lisätä mahdollisuuksia geneettiseen syrjintään ja geneettisen yksityisyyden loukkaamiseen. Jotkut ovat huolissaan eri kasvien ja eläinten genomien muuttamisen ympäristövaikutuksista. Taitojemme ja tietämyksemme kasvaessa meidän on pohdittava tarkkaan tällaisten mahdollisten seurausten käsittelyä.

Ei ole kuitenkaan epäilystäkään siitä, että genomiteknologia tulee muuttamaan elämäämme parempaan suuntaan. Vertaileva genomiikka, jossa verrataan eri organismien koko perimän sekvenssejä, edistää ymmärrystämme luonnollisesta maailmasta ja geenien roolista ihmisen monimutkaisissa sairauksissa. Esimerkiksi hiirillä on monia geenisekvenssejä, jotka ovat samanlaisia kuin ihmisillä, mutta geenien toiminnot eroavat usein toisistaan. Vertailemalla geenien toimintaa hiirien ja ihmisten välillä tai ihmisten ja muiden lajien välillä voimme alkaa selvittää monia geneettisiä arvoituksia. Mikrosirutekniikka, jonka avulla tutkijat voivat vertailla kymmeniä tuhansia geenejä kerralla, lupaa paljastaa sairauksien geneettiset juuret ja parantaa kykyämme hoitaa niitä. Uusi farmakogenomiikan ala aloittaa yksilöllisen lääketieteen aikakauden. Esimerkiksi syöpäpotilaat saavat jatkossa räätälöityjä hoitoja sen sijaan, että he joutuisivat käyttämään tehottomia ja heikentäviä hoitoja. Saattaa jopa tulla aika, jolloin geenitutkijat alkavat manipuloida geenejämme ihmisten eliniän pidentämiseksi ja luovat todellisen nuoruuden lähteen. Kun yhä useampien lajien genomit sekvensoidaan, ymmärryksemme elämän puusta ja paikastamme luonnossa syvenee.

Pohdiskellessaan perinnöllisyyden mekanismeja ja merkitystä tiedemiehet pohtivat sata vuotta sitten: “Voisimmeko?”. Pystyimme, ja pystyimme. Ja ihmisen genomin sekvensointi on jälleen yksi virstanpylväs ikiaikaisessa pyrkimyksessä ymmärtää alkuperäämme ja purkaa biologista kohtaloamme.