Geeni

Geeni eli perintötekijä on biologisen informaation yksikkö, joka on tallentunut DNA:n tai RNA:n nukleiinihappoketjuun. Geeni voi esimerkiksi sisältää rakennusohjeet tietylle proteiinille. Geneettinen informaatio on tallennettuna DNA:n emästen järjestykseen. Kolme peräkkäistä emästä muodostavat pienemmän informaatioyksikön, kodonin eli kolmikon, joka proteiinisynteesissä tulkitaan tietyksi aminohapoksi valmistuvaan peptidiketjuun. Koska tuotettavaan polypeptidiketjuun liitettävät aminohapot tulevat kodonien perusteella, voivat emästen lukumäärään vaikuttavat mutaatiot muuttaa polypeptidiketjun aminohapot toisiksi, jolloin ei yleensä synny oikein toimivaa proteiinia. Geenien toiminta vaikuttaa siis kaikkien eliöiden ulkoasuun ja ominaisuuksiin, joita myös ympäristötekijät muokkaavat.

Geenien sijainti ja määrä

Geenien ja emäsparien määriä eri organismeilla
Organismi	Geenejä	Emäspareja
Kasvi	<50 000	<1011
Vesikirppu	30 900
Ihminen	20 814	3×109
Banaanikärpänen	16 000	1,6×108
Mehiläinen	15 000	3×108
Sukkulamato C. elegans	9 000	9,7×107
Sieni	6 000	1,3×107
Bakteeri	500–6 000	5×105–107
Mycoplasma genitalium	500	580 000
DNA-virus	10–900	5 000–800 000
RNA-virus	1–25	1 000–23 000
Viroidi	0–1	~500

Geenit sijaitsevat DNA:ssa, josta tuotetaan RNA:n kautta geenituote tai -tuotteita. Aitotumallisten eliöiden eli eukaryoottien DNA on pääasiassa solun tumassa, jossa se on pakkautuneena hyvin tiiviisti histoniproteiinien ympärille muodostaen lopulta kromosomeja. Tuman lisäksi eukaryooteilla on vähän DNA:a mitokondrioissa ja kasveilla myös kloroplasteissa. Mitokondrioiden ja kloroplastien DNA:ssa on vain vähän geenejä, ja niistä monet liittyvät juuri kyseisen soluelimen omaan toimintaan. Esitumallisten eliöiden eli prokaryoottien DNA on solun sytoplasmassa. Suurin osa prokaryoottien DNA:sta on niin sanottuna "keskuskromosomina", mutta sen lisäksi prokaryooteilla voi olla vaihtelevia määriä plasmideja, jotka koostuvat myös DNA:sta.

Eliön kaikki geenit muodostavat yhdessä muun DNA:n kanssa eliön genomin. Genomin koko vaihtelee suuresti eri eliöryhmien ja -lajien välillä, eikä sen koosta voi tehdä suoraa yleistystä eliön kehittyneisyydestä. Geenien määrää arvioitaessa on hyvä muistaa, että erilaisten geenituotteiden lukumäärä ei tyypillisesti ole yhtä suuri kuin geenien lukumäärä, sillä samasta geenistä saatetaan tuottaa useampaa kuin yhtä geenituotetta.

Ennen geeninä pidettiin DNA-jaksoa, joka muutettuna lähetti-RNA:ksi sisälsi yhden proteiinin valmistukseen tarvittavan informaation. Määritelmä on kuitenkin tiedon karttuessa osoittautunut epätarkaksi ja uuden määritelmän muodostaminen vaikeaksi. Proteiineja koodaavien geenien lisäksi DNA sisältää paljon alueita, jotka eivät suoraan osallistu proteiinien valmistukseen. Näihin alueisiin kuuluvat muun muassa geenien säätelyalueet, intronit sekä erikoistuneita RNA-molekyylejä tuottavat geenit. Tätä DNA:n osaa kutsutaan tilke-DNA:ksi. Aikoinaan sitä nimitettiin myös roska-DNA:ksi, mutta sittemmin on käynyt ilmi, että ainakin osa tilke-DNA:sta vaikuttaa solun toimintaan ja geenien aktiivisuuteen. Sen merkitystä ei kuitenkaan tunneta kunnolla.

Geenien rakenne

Yleisesti ottaen geenit koostuvat pätkästä DNA:a, josta voidaan syntetisoida jotain orgaanista molekyyliä, usein jotain proteiinia. Geenin alussa on tietty emässekvenssi, josta geenin translaatio alkaa. Geenin lopussa on jonkinlainen emässekvenssi, joka saa geenin translaatiossa aikaan proteiinisynteesin päättymisen. Aminohappoja koodaavien kodonien lisäksi on olemassa kolme lopetuskodonia, joita ei vastaa mikään aminohappo. Translaatiossa geenin translointi ja polypeptidiketjun muodostus saattavat kuitenkin päättyä myös muuten kuin pelkästään lopetuskodonin vaikutuksesta. Geenin koodaava osa voi olla alusta loppuun yhtenäinen tai jakautunut lyhyemmiksi pätkiksi eli eksoneiksi, joiden väleissä on geeniä koodaamattomia osia eli introneita.

Geenituotetta koodaavan osan lisäksi geenin toimintaan liittyvät olennaisesti myös koodaavan osan ympärillä olevat DNA:n alueet. Näitä ympäröiviä alueita kutsutaan yleisesti geenin säätelyalueiksi. Säätelyalueet voivat olla geenistä riippuen erikokoisia ja ne voivat sijaita nukleiinihappoketjussa joskus aika kaukanakin varsinaisesta geenin koodaavasta osasta. Säätelyalueilla on tyypillisesti erilaisia tunnistus- ja kiinnittymiskohtia geenin toimintaa ohjaaville, aktivoiville tai inhiboiville, proteiineille. Säätelyalueella voi sijaita esimerkiksi vahvistajia (engl. enhancer). Lisäksi jonkin verran ennen geenin koodaavaan osan alkukohtaa on geenin promoottori.

Eukaryooteilla useimmat geenit ovat epäjatkuvia eli eksonien väleissä on introneita. Intronien aluissa ja lopuissa on emäsjaksoja, joiden avulla intronit voidaan ennen proteiinisynteesiä poistaa silmikoimalla syntyvä lähetti-RNA. Silmikoinnin yhteydessä eksonit liitetään peräkkäin kiinni toisiinsa joko samassa järjestyksessä kuin ne olivat ennen silmikointia tai johonkin toiseen järjestykseen. Eksonien liittäminen erilaiseen järjestykseen mahdollistaa esimerkiksi erilaisten proteiinien tuottamisen samasta geenin DNA:n pätkästä.

Prokaryooteilla geeneissä ei ole introneita, vaan geenit ovat kokonaisuudessaan koodaavaa osaa. Useampi geeni voi kuitenkin olla järjestäytynyt operoniksi eli peräkkäin yhteisen säätelyalueen ja promoottorin jatkoksi.

Geenien löytämisen historiaa

Perinnöllisyys ja geenit

Ajatus jonkinlaisesta eliöiden ominaisuuksien periytyvyyteen liittyvästä seikasta on satoja vuosia vanha. Perustan perinnöllisyystieteelle loi Gregor Mendelin 1866 julkaisema tutkimus herneiden ominaisuuksien periytymisestä. Mendel havaitsi, etteivät ominaisuudet periytyneet sekoittuen vaan tiettyjen sääntöjen mukaan. Näitä sääntöjä kutsutaan nykyään Mendelin säännöiksi.

Sana geeni luotiin 1900-luvun ensi vuosikymmellä, mutta kesti kuitenkin useampi vuosikymmen, että saatiin selville, mitä geenit ovat. Aluksi genetiikassa oli vallalla teoria, jonka mukaan yksi geeni tuotti yhden ominaisuuden. 1940-luvulla George Wells Beadle ja Edward Lawrie Tatum esittivät hypoteesin ”yksi geeni – yksi entsyymi”. Se elvytettiin 1950-luvulla muodossa ”yksi geeni – yksi polypeptidi”, ja näin syntyi ajatus siitä, että geenit koodaavat proteiineja. Sittemmin tutkimukset paljastivat muun muassa sen, että eliöiltä löydettiin enemmän erilaisia geenituotteita kuin geenejä. Ymmärrettiin, että yksi geeni saattaisi tuottaa useita proteiineja (pleiotropia) ja toimia yhteisvaikutuksessa muiden geenien kanssa (polygenia).

DNA:n yhteys perinnöllisyyteen ja geeneihin

Eliöiden ominaisuuksien periytyminen yhdistettiin vuonna 1944 Oswald Averyn tutkimusryhmässä deoksiribonukleiinihappo DNA:han. Alfred Hershey osoitti 1952, että virusten kopioituminen tapahtui DNA:n avulla tartunnan saaneissa soluissa, ja hän osoitti näin, että geeni koostuu DNA:sta.

Vielä vuonna 1950 Hermann J. Muller totesi: ”Geenin todellinen ydin vaikuttaa yhä olevan tuntematon. Meillä ei toisin sanoen ole vielä todellista tietoa mekanismista, joka tekee geenistä geenin – sen kyvystä syntetisoida toinen itsensä kaltainen rakenne, johon jopa sen sisältämät mutaatiot kopioituisivat. Emme tunne sellaista vielä kemian alalla.”

Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins tutkivat DNA:a röntgendiffraktion avulla 1950-luvun alussa, mutta kuitenkin James Watson ja Francis Crick kuvasivat ensimmäisinä DNA:n rakenteen vuonna 1953 Nature-lehden artikkelissaan ”Molecular structure of nucleic acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”.

1950-luvulla tutkimustyö keskittyi DNA:n toimintaan ja sen ominaisuuksiin. 1960-luvulla DNA:n rakenteeseen ja toimintaan liittyvä tutkimustyö loi molekyylibiologian ja geeniteorian perustan.

Ensimmäinen geenin nukleotidisekvenssi sekvensoitiin Gentin yliopistossa Belgiassa vuonna 1972. Kyseinen sekvensoitu geeni oli MS2-bakteriofagin kuoren proteiinin koodaava geeni.

Geenien säätely

Geenien säätely eli geenisäätely on yksinkertaisesti sanottuna geenien transkriptiota ja translaatiota säätelevää solun toimintaa. Geenejä voidaan kuitenkin säädellä useiden erilaisten mekanismien kautta. Geenisäätelyssä voidaan säädellä joko itse geeniä ja sen säätelyaluetta tai geenin kohdalla olevan DNA:n rakennetta, kuten histoneita tai kromatiinirakennetta. Histonien vapaiden päiden aminohappojen metylointi on yleensä geeniluentaa inhiboivaa ja asetylointi aktivoivaa. Täten myös demetylointi eli metyyliryhmien poistaminen on aktivoivaa ja deasetylointi eli asetyyliryhmien poistaminen on inhiboivaa. Edellisestä säännöstä on kuitenkin olemassa poikkeuksia, esimerkiksi histoni H3:n lysiini 4:n metylointi on aktivoiva signaali.

Geenisäätelyä voidaan luokitella esimerkiksi säätelymekanismin tai säätelyn vaikutuksen perusteella. Säätelyn vaikutuksen perusteella geenisäätely voidaan jakaa aktivoivaan eli käynnistävään sekä tehostavaan ja inhiboivaan eli hidastavaan ja pysäyttävään säätelyyn.

Lisäksi geenisäätelyä voi tapahtua geeniluennan eri kohdissa eli voidaan säädellä esimerkiksi transkription aloitusta tai translaation aloitusta.

Geenituotteiden ominaisuuksia

Geeni sisältää ohjeen geenituotteelle, joka valmistetaan proteiinisynteesin kautta. Geenituote voi vaikuttaa joko suoraan johonkin solun rakenteeseen tai toimintaan, esimerkiksi jos geeni koodaa jotakin solun metaboliassa tarvittavaa entsyymiä. Geenituote voi vaikuttaa myös toisiin geeneihin eli se voi olla niin kutsuttu säätelytekijä, kuten esimerkiksi transkriptiofaktori. Säätelytekijänä se voi joko aktivoida tai inhiboida jonkin toisen tai useamman geenin lukemista geenituotteekseen tai geenituotteikseen.

Pleiotropia

Pleiotropia (engl. pleiotropy) (kreik:tropy, käännös) on geneettinen ilmiö, jossa yksi geeni säätelee useiden, toisistaan näennäisesti riippumattomien ominaisuuksien syntyä.

Pleiotropia jaetaan valepleiotropiaan ja aitoon pleiotropiaan.

• Valepleiotropiassa (engl. relational pleiotropy) yksi geeni aiheuttaa yhden ominaisuuden, joka taas vaikuttaa muihin ominaisuuksiin. Tällaisia ovat esimerkiksi entsyymit, joka säätelee useassa eri paikassa vaikuttavan hormonin syntyyn.
• Aidossa pleiotropiassa (engl. genuine pleiotropy) taas yhdellä geenillä on useita eri toimintoja, eli geeni ohjaa useamman kuin yhden proteiinin syntyä.

Polygenia

Polygenia (engl. polygeny) tarkoittaa sitä, että yhden fenotyyppisen piirteen syntyminen on seurausta usean geenin vuorovaikutuksesta. Tällöin yhdellä geenillä on yksinään vain pieni vaikutus. Useat geenit vaikuttavat yleensä määrällisiin ominaisuuksiin, kuten pituuteen ja painoon.

Katso myös

• Genotyyppi
• Fenotyyppi
• Karyotyyppi
• Dominoiva ominaisuus
• Resessiivinen ominaisuus
• Ihmisen geenit
• Geenikartta
• Mutaatio (biologia)
• Sisäsiittoisuus
• Geenitekniikka
• Geenimuunneltu organismi
• Evoluutio
• Kelpoisuusmaasto

Kirjallisuutta

• Dawkins, Richard: Sokea kelloseppä. ((The Blind Watchmaker, 1986.) Suomentanut Risto Varteva) Helsinki: WSOY, 1989. ISBN 951-0-15863-1
• Portin, Petter: Ne geenit! Ne geenit!. Turku: Kirja-Aurora, 2006. ISBN 951-29-3036-6
• Rothman, Barbara Katz: Ei yksin geeneistä: Matkaopas rodun, normaaliuden ja sikiämisen genomiikkaan. ((The book of life, 2001.) Suomentanut ja toimittanut Olli Haapala) Tampere: Vastapaino, 2003. ISBN 951-768-111-9
• Sariola, Hannu: Elämä: Lyhyt oppimäärä. Helsinki: Duodecim, 2006. ISBN 951-656-197-7

Aiheesta muualla

• Kolme Opetus.tv:n videota, joilla käydään läpi käsite geeni.
• Rheinberger, Hans-Jörg & Müller-Wille, Staffan: Gene The Stanford Encyclopedia of Philosophy. The Metaphysics Research Lab. Stanford University. (englanniksi)
• A global alliance to enable responsible sharing of genomic and clinical data^{[vanhentunut linkki]}

Perinnöllisyystiede

Peruskäsitteitä	geeni kromosomi DNA RNA genomi mitoosi meioosi genotyyppi fenotyyppi geneettinen koodi mutaatio
Osa-alueita	ekologinen genetiikka käyttäytymisgenetiikka molekyyligenetiikka populaatiogenetiikka
Sovellutuksia	DNA-profilointi perinnöllisten sairauksien tutkimus molekyylievoluution tutkimus jalostus geenitekniikka geeniterapia