6. Yksilönkehityksen geneettinen säätely

Aihetta käsittelevät videoluentoni ovat osoitteissa:

http://bit.ly/2p08JWY (Osa 1)

http://bit.ly/2p0cyf7 (Osa 2)

6.1 Embryologia (alkionkehitysoppi), taksonomia (luokittelu) ja evolutiikka

(lajinkehitysoppi) ovat toistensa tukitieteitä

Ykköskurssin verkkosivuillani tutustutin sinut siihen, miten yksilönkehityksen vaiheita voidaan

käyttää eläinkunnan luokittelun välineenä. Yksilönkehitys tuottaa anatomiset rakenteet, joihin

luokittelu eli taksonomia suuresti perustuu. Luokittelulla pyritään kuvaamaan eliöryhmien välisiä

evolutiivisia sukulaisuussuhteita.

Tässä kappaleessa tutustumme eläinten yksilönkehitystä nimenomaan solutasolla ohjaaviin

tapahtumiin. Ymmärtääksesi seuraavassa läpikäytävät asiat, sinun kenties kannattaisi

kertausmielessä palauttaa mieleesi edellä mainitsemani ykköskurssin asiat. Samoin suosittelen

kertaavaa katsausta geenien toimintaan eli proteiinisynteesiin, mikäli tämänkin aihepiirin

kohdalla tunnet tiedollista epävarmuutta.

6.2. Solujen välinen viestintä yksilönkehityksen aikana

Onnistuneen yksilönkehityksen edellytyksenä on, että solut pystyvät viestimään toistensa

kanssa. Viestimolekyylejä kutsutaan hormoneiksi. Sana hormoni varataan kuitenkin yleensä

vain umpirauhasten (aivolisäke, käpyrauhanen, kilpirauhanen, lisäkilpirauhanen, kateenkorva,

haima, lisämunuainen ja sukurauhaset) erittämille vereen vapautuville viestimolekyyleille.

Lähinaapuruksina sijaitsevien solujen välistä viestiliikennettä hoitavia molekyylejä kutsutaan

kasvutekijöiksi tai kudoshormoneiksi.

Kasvutekijät ovat rakenteeltaan proteiineja. Niiden vaikutustapa on sama kuin tavallisilla

hormoneillakin useimmiten: ne käynnistävät tai sulkevat geenejä kohdesolujensa tumassa.

Riippuen siitä, mitkä geenit käynnistyvät ja mitkä sulkeutuvat, alkion soluista kehittyy kaikkia

niitä solutyyppejä, joita valmiissa elimistössä tarvitaan.

Kaikki solumme sisältävät täsmälleen saman kokoelman geenejä. Yksilönkehityksessä ja

solutyyppien erilaistumisessa on siis kyse geenien oikea-aikaisesta ja -paikkaisesta

käynnistämisestä ja sulkemisesta. Jotta tämä olisi mahdollista, geeneissä tulee olla säätelyosa.

Yksi sellainen sijaitsee välittömästi proteiinin rakenneohjeen eli geenin rakenneosan edessä.

Monissa geeneissä säätelyosia on useita ja ne voivat sijaita kaukanakin geenin rakenneosasta,

jopa kokonaan toisessa kromosomissa (kuva 11 tiedostossa ”Karmea totuus

proteiinisynteesistä”).

6.1. Geenien toiminnan säätelemiseen tarvitaan ensiolähettejä, toisiolähettejä ja

transkriptiofaktoreita

Solujen välisen viestinnän yleisperiaate kiteytyy kuvassa 24.

mRNA

P

P

ATP

ADP P

P

1 2

3

4

5

6

7 8 ja 9

10

Mitokondrio

DNA

Kasvisolu

Viherhiukk.

nen Tuma

Sokeria Happea CO2:ta H2O:ta

Kuva 24. Solujen välinen viestintä ja sen

yhteydet energiatalouteen (= mitokondrion ja

viherhiukkasen toimintaan).

1 = Tämä solu täällä…

2 = tuottaa proteiinia, joka…

3 = on hormoni, joka…

4 = kiinnittyy kohdesolunsa pinnalla

olevaan proteiinirakenteiseen

reseptoriin, joka…

5 = saa liikkeelle

toisiolähettimolekyylin, joka…

6 = aktivoi ATP:n avulla

proteiinirakenteisen

transkriptiofaktorin, joka…

7 = kiinnittyy kohdegeeninsä

säätelyosaan käynnistäen…

8 = geenin rakenneosan, joka…

9 = alkaa tuottaa uutta proteiinia…

10 = tässä solussa täällä!

6. Transkriptio-

faktori

Toisio-

lähetti

Hormoni

Kasvutekijät kiinnittyvät yleensä vastaanottajaproteiiniin eli reseptoriin, joka sijaitsee kohdesolun

solukelmulla. Siksi ne eivät itse pääse käsiksi geenien säätelyosiin. Tähän kasvutekijät

tarvitsevat solun sisäisiä viestinviejiä: toisiolähettejä. Myös toisiolähetit ovat tavallisesti

rakenteeltaan proteiineja.

Yleensä ensimmäinen toisiolähetti sijaitsee reseptoriproteiinin välittömässä läheisyydessä solun

sisäpuolella. Kasvutekijän kiinnittyminen reseptoriinsa saa toisiolähetin liikkeelle. Usein

ensimmäinen toisiolähetti aktivoi joukon toisenlaisia toisiolähettejä. Jokainen näistä puolestaan

aktivoi vielä suuremman joukon kolmannen n toisiolähettejä jne. Näin jo yksikin

kasvutekijämolekyyli voi saada liikkeelle kokonaisen toisiolähettien parven kohdesolunsa

sisällä. Yksityiskohtaisen katsauksen soluissa tavattavista reseptorityypeistä ja niille ominaisista

toisiolähettijärjestelmistä saat tiedostosta ”Solujen välinen viestintä”.

Viimeisenä aktivoituvia toisiolähettejä kutsutaan transkriptiofaktoreiksi (suoraan suomennettuna

“geenien toiminnan käynnistävä tekijä”). Transkriptiofaktorit ovat proteiineja, jotka siirtyvät

tumaan ja kiinnittyvät kohdegeeninsä säätelyosaan. Tämän tuloksena kohdegeeni joko

käynnistyy tai sulkeutuu. Niitä geenejä, jotka vastaavat solujemme arkisesta hyvinvoinnista,

kutsutaan taloudenhoitajageeneiksi. (Kuva 25)

Yleensä toisiolähettien toiminta kuluttaa ATP:tä. Näin ykköskurssissa oppimamme energia-

aineenvaihdunta-asiat tulevat vastaamme myös geenien toiminnan säätelyssä. Muistutukseksi

tästä olen piirtänyt kuvan 24 esittämään soluun myös mitokondrion.

Kannustukseksesi haluan mainita, että tämä perusmalli toimii kaikessa solujen välisessä

viestinnässä. Opettelemalla nämä käsitteet ja näiden molekyylien keskinäiset vaikutussuhteet

avautuu tiesi modernin biologian hämmästyttävimpiin hienouksiin.

Transkriptiofaktori

Taloudenhoitaja-

proteiini

Reseptori

Transkriptiofaktorin

ulokkeita koodaava osa TF:n

selkäpuolta

koodaava osa

2

1 3

Kuva 25. Solujen välisessä viestinnässä tarvittavat geenit ja niiden koodaamat

proteiinit

1 = Reseptorin rakennetta koodaava geeni

2 = Transkriptiofaktori-geeni

3 = Taloudenhoitajageeni

Toisesta solusta peräisin oleva

kasvutekijä aktivoi

(= katkonuoli) TF:n

6.2. Transkriptiofaktoreiden rakenne

Transkriptiofaktorit (lyhennettynä TF) ovat proteiineja. Ne ovat syntyneet tavallisen

proteiinisynteesin eli geenien toiminnan tuloksena. Ne jäävät syntysolunsa solulimaan.

Transkriptiofaktoreissa tulee olla muotoja, joiden avulla ne kiinnittyvät DNA-molekyyliin omien

kohdegeeniensä toimintaa säädellessään. Nämä muodot ovat usein raajamaisia ulokkeita

muuten pallomaisen proteiinin kyljessä. Voit kuvitella transkriptiofaktorin nallekarhuksi, joka

roikkuu jalkojensa (ulokkeet) avulla puun rungossa (DNA) (kuvat 25 ja 26).

Kuva 26. Transkriptiofaktoreiden synty, rakenne ja

toimintaperiaate. Transkriptiofaktorit ovat geenien

säätelyosiin kiinnittyviä proteiineja.

Transkriptiofaktorin (= TF)

rakennetta koodaava geeni

TF:n kohdegeeni

TF:n

ulokkeet

TF:n

”selkäpuoli”

TF kiinnittyy

kohdegeeninsä

säätelyosaan

ulokeosansa

avulla

DNA

TF

Proteiinien muoto määräytyy sen perusteella, mitä aminohappoja ja missä järjestyksessä ne

sisältävät. Koska transkriptiofaktorit ovat proteiineja, on mahdollista jäljittää niiden rakennetta

koodaavia geenejä. Jäljitystyön tuloksena on havaittu, että eri transkriptiofaktorigeeneissä on

usein samantapaisia emäsjärjestyksiä varsinkin kohdassa, jossa raajamaisten ulokkeiden

rakenneohjeet sijaitsevat.

6.3. Transkriptiofaktoreiden luokittelu

Transkriptiofaktorit voidaan jakaa kahteen ryhmään toiminta-ajankohtansa perusteella (kuva

27). Ensimmäinen ryhmä ovat transkriptiofaktorit, joita tarvitaan yksilönkehityksen ohjaamiseen.

Ne toimivat vain alkionkehityksen aikana. Toisen ryhmän muodostavat sellaiset

transkriptiofaktorit, joita tarvitaan aikuisen yksilön arkielämässä tapahtuvaan solujen väliseen

viestintään.

Yksilönkehitystä ohjaavien transkriptiofaktoreiden rakenne on paljastunut tavattoman

samankaltaiseksi yli laji- ja jopa kuntarajojen. Niinpä esimerkiksi banaanikärpäsellä tavataan

joitakin yksilönkehitystä ohjaavia transkriptiofaktoreita, jotka ovat täsmälleen samanlaisia

ihmisen vastaavien kanssa. Näiden faktoreiden geenejä voidaan siirtää ihmisestä

1-vaiheen transkriptiofaktori-geenit,

jotka toimivat emon munarauhasen

soluissa, tuottavat…

…proteiineja (TF:iä), jotka

käynnistävät…

…2-vaiheen transkriptiofaktori-geenit,

jotka tuottavat…

…proteiineja (TF:iä), jotka

käynnistävät…

…taloudenhoitajageenit, jotka

tuottavat…

…taloudenhoidossa tarvittavia

proteiineja...

Nämä ohjaavat

valmiin yksilön

elämää

Nämä ohjaavat

yksilönkehitystä

….erilaisiin tarkoituksiin soluissa.

Kuva 27. Transkriptiofaktoreiden luokittelu

toiminta-ajankohdan perusteella.

banaanikärpäsen munasoluun ja tuloksena ei ole hedelmöityksen ja alkionkehityksen jälkeen

mikään ”kärpästen herra”, vaan täysin normaali banaanikärpänen.

Erityisen samankaltaisia yksilönkehitystä ohjaavissa transkriptiofaktoreissa ovat DNA:han

kiinnittymiseen tarvittavien ulokkeiden aminohappojaksot. Monissa eri transkriptiofaktoreissa

jakso on paljastunut n. 60 aminohapon mittaiseksi. Erityislaatuisuutensa vuoksi jaksolle on

annettu nimi Homeobox (Hox) (kuvat 25 ja 26). Jakson sisältäviä proteiineja kutsutaan

ryhmänimellä Homeobox-proteiinit. Niiden rakennetta koodaavia geenejä kutsutaan Homeobox-

geeneiksi. Geeneissä olevaa Homeobox-jaksoa voidaan kutsua myös Homeo-sekvenssiksi.

6.4. Homeobox-geenit ja lajien kehityshistoria

Koska Homeobox-geenit ovat hyvin samankaltaisia läpi koko eläinkunnan, voidaan niitä käyttää

lajien evoluutiohistorian päättelemiseen. Jos kahdella nykyisin elävällä lajilla on täsmälleen

samoja Homeobox-geenejä, voidaan päätellä, että kyseiset geenit ovat syntyneet jo lajien

yhteisessä kantamuodossa.

Homeobox-geenien rakennetta vertaamalla on havaittu, että banaanikärpäsellä ja eräällä

sammakkolajilla on peräti kuusi täysin samaa Homeobox-geeniä. Esimerkiksi sydämen,

hermoston ja jaokkeiden syntyä ohjaavat geenit ovat hyvin samantapaisia, vaikka

sammakkoeläimillä ja hyönteisillä kyseiset elimistön osat ovat hyvin erilaisia. Mainittujen kahden

lajin yhteinen kantamuoto on elänyt Kambrikaudella n. 600 miljoonaa vuotta sitten, joten on

todennäköistä, että jo sen yksilönkehitystä ovat ohjanneet samaiset geenit (kuva 28).

Kuuden samanlaisen hox-geenin on täytynyt olla

olemassa jo banaanikärpästen ja sammakoiden

yhteisellä kantamuodolla kambrikaudella.

Deuterostomaatit Protostomaatit

Banaanikärpänen Sammakko Kuusi samanlaista

Hox-geeniä

Nykyaika

Siluuri

Ordoviki

Kuva 28. Homeobox geenit lajien välisten

evolutiivisten suhteiden päättelemisessä.

Kambri

Merivuokko on säteittäissymmetrinen meduusojen sukulainen. Se kököttää paikallaan pohjassa

koko elämänsä ajan. Kuten kaikille säteittäissymmetrisille, sillekin kehittyy vain kaksi

alkiokerrosta. Kaikesta huolimatta merivuokollakin on jo monta Hox-geeniä, jotka määräävät

esimerkiksi ylä-alapuoli-akselin “koordinaatit”.

6.5. Yksilönkehityksen geneettisen säätelyn nykyinen malli on yllättävän vanhaa perua

Edellä kuvattuun tapaan lajeja ja lajipareja tutkimalla on päädytty tulokseen, että eläinten

yksilönkehityksen perusmalli on syntynyt Kambrikaudella. Evoluutiotutkijat puhuvat usein

Kambrin lajistoräjähdyksestä. Tällä viitataan fossiilien runsauteen kyseisellä aikakaudella

syntyneissä kivilajikerrostumissa.

Kambrin lajistoräjähdyksen syynä on yleensä pidetty kovakuoristen eläinten kehittymistä.

Tämän taas katsotaan ilmentävän petomaisen elämäntavan syntymistä. Voi kuitenkin olla, että

lajistoräjähdys on nimenomaan johtunut muunteluun hyvin sopineen yksilönkehitystavan,

Homeobox-geenien, synnystä.

6.6. Geenien toiminnan säätely yksilönkehityksen aikana

Seuraavaksi tutustumme yksilönkehityksen aikaisiin tapahtumiin solu- ja alkiotasolla. Asian

ymmärtämistä helpottaaksemme tulemme käymään läpi samoja tapahtumia monesta eri

näkökulmasta.

Yksilönkehityksen aikana alkioon muodostuu transkriptiofaktoreista väkevyysasteikkoja, jotka

toimivat paikanmäärityskoordinaatteina alkion eri osissa oleville soluille. Väkevyysasteikoista

ensimmäinen ja tärkein määrää, mihin syntyy kehittyvän yksilön etu- ja takapää. Estämällä

tämän asteikon normaali syntyminen voidaan tuottaa banaanikärpäsiä, joilla on kaksi takapäätä.

Eräissä kokeissa kärpäsille on saatu syntymään yksi ylimääräinen keskivartalo ja ylimääräinen

pari siipiä. Tuntosarvien tilalle keskelle päätä saadaan kasvamaan jalat. On jopa onnistuttu

tuottamaan kokonaan päättömiä hiiriä. Yhteistä kaikille edellisille tapauksille on, että oikea

rakenne on syntynyt (tai jäänyt kokonaan syntymättä) väärään paikkaan. Löydät netistä

esimerkkejä edellä mainituista kummallisuuksista laittamalla hakupalvelimeesi hakusanan

”homeotic mutations” ja etsimällä aiheesta kuvia.

6.7. Etu-taka-napaisuuden määräävän väkevyysasteikon synty

Etu-takanapaisuuden määräävä transkriptiofaktori tuntee selkärangattomilla nimen Bicoid.

Selkärankaisilla saman asteikon muodostava transkriptiofaktori on nimeltään Goosecoid.

Kypsyvää munasolua emon munarauhasessa ympäröivät seurasolut erittävät munasolun

yhdelle sivulle runsaasti Bicoidin rakennetta koodaavia lähetti-RNA-molekyylejä (kuva 29 ).

Munasolun vastakkaiselle sivulle näitä molekyylejä tulee vain vähän.

Munasolun

tuma

Kypsyvää munasolua ravitsevat solut

(tuottavat munasolun toiseen päähän

Bicoid-proteiinin rakennetta

koodaavaa mRNA:ta).

Munarakkulan

pinnalla olevat

solut

Kypsyvä munasolu

Banaani-

kärpäsen

munarauhanen

Kuva 29. Bicoid-väkevyysasteikon

muodostuminen kypsyvän munasolun

sisälle banaanikärpäsellä.

Kun munasolu hedelmöityksen jälkeen alkaa jakautua, jatkaa väkevyysasteikko

olemassaoloaan myös kasvavassa alkiossa (kuvat 30 sekä 31a ja b). Bicoid-pitoisuus (aluksi

mRNA-, myöhemmin proteiinipitoisuus) määrää paikan, johon gastrulaation aloittava alkusuu

syntyy. Etu-takanapaisuus määräytyy siis jo ennen hedelmöitystä munasolun kypsyessä emon

munanrauhasen pinnalla.

Samalla tavalla kuin etu-taka-napaisuus, määräytyy myös alkion selkä-vatsa-napaisuus. Asialla

ovat vain toisen nimiset transkriptiofaktorit (niitä on nimittäin kaksi). Jos asia alkaa kiinnostaa,

näpyttele hakupalvelimeesi samanaikaisesti sanat dorsal ja cactus. Varaudu kuitenkin siihen,

että selkä-vatsa-akselin määräytyminen on huomattavasti etu-taka-napaisuutta

monimutkaisempaa.

6.8. Bicoid-proteiinin vaikutus kohdesolujensa geenien toimintaan

Bicoid-pitoisuus määrää, mitkä geenit kussakin alkion solussa alkavat toimia. Bicoid kiinnittyy

sellaisten geenien promoottoriosiin (ja / tai enhansereihin tai silensereihin), joissa esiintyy

emäsjärjestys: 5´-TCTAATCCC-3´. Bicoidia sitova emäsjärjestys voi toistua promoottoriosassa

useita kertoja peräkkäin.

Geenien herkkyys Bicoid-proteiinien määrälle vaihtelee. Eräät geenit alkavat toimia vasta, kun

promoottorin jokaisessa 5´-TCTAATCCC-3´ kohdassa on Bicoid-prtoteiini. Jonkin toisen geenin

käynnistymiseen tarvitaan esimerkiksi vain kolme Bicoid-proteiinia ja jonkin kolmannen

käynnistymiseen riittää jo yksikin Bicoid-proteiini (kuva 30).

Luomme vielä katsauksen transkriptiofaktoreiden toimintaan alkion ja yksilön elämän eri

vaiheissa. Kuvassa 27 jo totesimmekin, että alkionkehitystä ohjaavat transkriptiofaktorit

voidaan jakaa toiminta-ajankohtansa perusteella kahteen pääryhmään: 1-, ja 2-vaiheen

transkriptiofaktoreihin. Lisäksi kaaviossa esiintyi taloudenhoitajiksi kutsumiani geenejä ja

proteiineja. Perimmiltään tämä jako on epätäydellinen, sillä oikeasti yksilönkehitykseen sisältyy

huomattavan monia peräkkäisiä kehitysvaiheita. Yksinkertaistava käsittelytapa kuitenkin

helpottaa asian perusluonteen ymmärtämistä.

Bicoid-molekyylien lukumäärästä riippuu, mitä yksilönkehitystä ohjaavia toisen vaiheen

transkriptiofaktoreita soluun muodostuu (kuva 31 a). Nämä taas määräävät, mitkä

taloudenhoitajageenit kyseisessä solussa myöhemmin käynnistyvät.

5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´…

Geenin rakenneosa

Promoottorissa toistuvia emäsjärjestyksiä, jotka Bicoid tunnistaa

(=Bicoid binding sites)

Kuva 30.

Väkevyysasteikoihin perustuva geenien säätelyn perusmalli.

Bicoid-proteiini

Alla olevassa kuvasarjassa 31 b esitän saman tapahtuman yhtä aikaa sekä koko alkion että

siinä olevien yksittäisten solujen näkökulmasta.

Kuva 31 a. Gastrulaation jälkeen jokainen alkion sisältämä jaoke koostuu useista sadoista

soluista. Se, miten runsaasti Bicoidia (= kuvassa olevat E-kirjaimen muotoiset symbolit) kussakin

solussa on, määrää, millaisia toisen vaiheen transkriptiofaktoreita (= risti, vinosuunnikas,

kuusikulmio jne. ) soluun syntyy.

Kun solu gastrulaation jälkeen saa kudoshormoniviestejä ympäristöstään, toisen vaiheen TF-valikoimasta riippuu,

mitkä taloudenhoitajageenit solussa käynnistyvät. Näin solu saa lopullisen identiteettinsä kehittyen esim. hermo-,

iho, luu- tai lihassoluksi.

Alkion peräpää

- vähän Bicoidia (= mustat

pisteet yläkuvassa ja E-

kirjaimen muotoiset symbolit

alakuvassa)

Alkion etupää

- paljon Bicoidia

(mustat pisteet

yläkuvassa ja E-

kirjaimen muotoiset

symbolit alakuvassa)

Alkion peräpäässä oleva

yksittäinen solu.

Alkion etupäässä oleva

yksittäinen solu.

Alla (kuva 32), varmuuden välttämisen ehkäisemisen eliminoimiseksi, pikkuisen samantapainen

esitys vielä kerran koko alkion näkökulmasta.

Munasolu

Morula

Blastula

Gastrulaatio

Gastrula

Neurula

Tsygootti

Hedelmöitys

Elinten synty,

jaokkeellinen

ruumiinrakenne

Valmis yksilö

1. Bicoid-asteikon synty

emon munasolun sisälle

2. Bicoid-proteiinit kiinnittyvät toisen vaiheen TF:iä

koodaavien geenien säätelyosiin → toisen vaiheen

transkriptiofaktoreita alkaa syntyä

3. Alkusuun paikka

määräytyy Bicoid-asteikon

perusteella

4. Hormonaalista viestintää

eli induktioita tapahtuu

alkiokerrosten välillä

5. Toisen vaiheen TF:ät

kiinnittyvät kohdegeeniensä

säätelyosiin, alkio saa

jaokkeelllisen rakenteen.

6. Taloudenhoitaja-geenien

toiminta alkaa.

Munarauhanen

Munasolu

Kuva 32. Bicoid-

väkevyysasteikon

vaikutusperiaate koko alkion

näkökulmasta.

6.9. Bithorax- ja Antennapedia-geeniryhmät esimerkkeinä toisen (tai oikeastaan viidennen) vaiheen transkriptiofaktorigeenien toiminnasta banaanikärpäsillä Seuraavassa esittelen homeobox-geenien toimintatapaa käyttäen havaintoesimerkkinä ns. homeoottisia mutaatioita. Kuten tekstin alkupuolella mainitsin, niille on tyypillistä, että oikeanlaisia rakenteita ilmaantuu väärään paikkaan (esim. kuva 34). 6.9.1. Antennapedia-geeniryhmä Hyönteisten ruumis koostuu kolmesta osasta. Nämä ovat pää, keskiruumis ja takaruumis (kuva 33).

Antennapedia-geenejä on yhteensä viisi: Lab, Pb, Dfd, Scr ja Antp. Nämä geenit vastaavat alkion etupäässä olevien solujen erilaistumisesta. Luettelossa ensimmäisenä oleva geeni vastaa äärimmäisen etupään ja viimeisenä oleva keskiruumiin etuosaan kuuluvien solujen erilaistumisesta. Kolme keskimmäistä geeniä vastaa kukin omasta vyöhykkeestään alkion pään ja keskiruumiin etuosan alueella. Antennapedia-geenit koodaavat toisen vaiheen transkriptiofaktorien rakennetta (kuva 34).

Pää Keskiruumis Takaruumis

Kuva 33. Hyönteisen perusrakenne

Viidennen jaokkeen alueelle ominainen

Bicoid-proteiinipitoisuus käynnistää …..

….Antennapedia-nimisen homeobox-geenin.

Geenin koodaama Antennapedia-proteiini

käynnistää soluissa…

…keskimmäisen jalkaparin syntyyn tarvittavien

taloudenhoitajageenien toimintaryöpyn eli…

… raaja-

geeni 1 ON

… raaja-

geeni 2 ON

… jne… … esim. silmä-

geenit OFF

Kukin homeobox-proteiini

vaikuttaa eri tavoin eri

kohdegeeneihin.

Tuloksena raajat.

Kuva 34. Homeobox-geenien ja –proteiinien

toimintaperiaate.

6.9.2. Bithorax-geeniryhmä Bithorax on Antennapedia-geeniryhmän tapaan toimiva toinen kuuluisa geenien joukko. Myös Bithorax –geenit koodaavat toisen vaiheen transkriptiofaktoreiden rakennetta. Nämä geenit ilmenevät alkion keskiruumiin takaosassa ja takaruumiin alueella. Bithorax-geenejä on yhteensä kolme: Ultrabithorax, Abdominal-A ja Abdominal-B. Ensimmäinen geeneistä ohjaa alkion keskiruumiin takaosaan päätyvien solujen erilaistumista. Toinen geeneistä ohjaa takaruumiin etuosaan päätyvien solujen kehitystä ja kolmas ohjaa kehitystä alkion äärimmäisen takapään muodostavissa soluissa. 6.9.10. Antennapedia ja Bithorax-geenien sijainti banaanikärpäsen kromosomistossa Kukin Bithorax- ja Antennapedia-geeni aloittaa toimintansa samanaikaisesti, mutta siis alkion eri osissa. Geenit sijaitsevat kaikki samassa vastinkromosomissa vieläpä samassa peräkkäisessä järjestyksessä kuin on niiden tuleva ilmenemisjärjestys alkion peräkkäisissä osissa (kuva 35).

Kun Bithorax-geeneissä tapahtuu mutaatioita, ne aiheuttavat tavallisesti muutoksia, jotka ilmenevät kehittyvän alkion takaruumiin alueella. Antennapedia-geeneissä tapahtuvat mutaatiot aiheuttavat kehityshäiriöitä alkion pään ja keskiruumiin etuosan alueella.

Antennapedia- ja Bithorax-geenien toiminta käynnistyy alkujaan Bicoid-proteiinin vaikutuksesta. Tämän vaikutussuhteen toiminnassa on neljä erilaista virhemahdollisuutta (kuva 36).

Ubx Abd-A Abd-B

Kehityksen alkuvaiheen aikana jokainen alkion sisältämä

jaoke koostuu useista kymmenistä soluista.

Kuva 35. Antennapedia ja Bithorax-

geeniryhmään kuuluvien geenien

ilmenemispaikat alkion eri osissa.

Antp Scr Dfd Pb lab

Takapää Etupää

6.10. Raajasilmujen kehitys selkärankaisilla

Selkärankaisilla myös raajojen kehitys perustuu Homeobox-geenien tuottamiin

väkevyysasteikoihin. Raaja alkaa muodostua silmumaisena pullistumana, joka ilmestyy alkujaan

makkaramaisen alkion kylkeen. Raajasilmujen poikkileikkauksia tutkimalla on havaittu, että

niiden kehittymisen aloittaa kaksi homeobox-geeniä. Toinen geeneistä toimii soluissa, jotka ovat

silmun pyrstönpuoleisella laidalla (= posteriorisesti), toinen taas soluissa, jotka ovat silmun

päänpuoleisella laidalla (= anteriorisesti). Näin silmun vastakkaisille laidoille muodostuu

erilaiset pitoisuudet kyseisten geenien tuottamia proteiineja. Kahden eri proteiinin

väkevyysasteikoiden yhteisvaikutuksena jokainen silmun alueella oleva solu saa tietää tarkan

sijaintinsa silmun alueella. Näin peukalo syntyy raajan etupuolelle ja kyynerpää takapuolelle.

On todettu, että täsmälleen samat Homeobox-geenit säätelevät raajojen kehitystä kaikissa

selkärankaisryhmissä, myös kaloilla (eviä voidaan pitää kalojen raajoina). Havainto tukee

Proteiinin rakennetta koodaava alue

DNA

Enhan-

seri

Enhan-

seri

Mikä tahansa Antp- tai Bith-geeneistä Promoottori

Promoottori

1. Väärä emäsjärjestys Antennapedia- tai

Bithorax-geenien säätelyalueissa estää Bicoid-

proteiinin kiinnittymisen niihin.

2. Bicoid-proteiinin virheellinen rakenne estää

sen kiinnittymisen Antp- ja Bith-geenien

säätelyalueisiin.

4. Väärä emäsjärjestys proteiinien rakennetta koodaavassa geenin

osassa tuottaa toimintakyvyttömiä Antp- tai Bith–proteiineja.

Virheelliset proteiinit eivät voi kiinnittyä taloudenhoitajageenien

säätelyalueisiin. Tällöin taloudenhoitajageenit eivät käynnisty ja

solujen erilaistuminen keskeytyy.

Kuva 36. Antennapedia- ja Bithorax-geeniryhmien toiminnassa

ilmenevien häiriöiden mahdolliset syntymekanismit.

3. Väärä Bicoid-proteiinien pitoisuus estää

säätelyalueiden kunnollisen toiminnan.

teoriaa, jonka mukaan kaikkien selkärankaisten raajat olisivat samaa kehityshistoriallista

alkuperää.

6.11. Jos kiinnostaa, niin…

Kuten aikaisemmin mainitsin, on edellä käyttämäni luokittelu 1-vaiheen, 2-vaiheen ja

taloudenhoitajageeneihin lievästi yksinkertaistava. Tosiasiassa yksilönkehitys tapahtuu ainakin

viidessä eri vaiheessa. Kunkin vaiheen aikana kehityksestä vastaa tietty homeobox-geenien

joukko. Tehtävänsä hoidettuaan nämä taas puolestaan käynnistävät seuraavassa vaiheessa

tarvittavien geenien toiminnan. Geenien ryhmänimet ja geeneistä kuuluisimmat olen koonnut

alla olevaan taulukkoon (Kuva 37).

Banaanikärpäsellä kehitys etenee seuraavasti (Kuva 38):

1. Munasolun seurasoluissa toimivat Maternal effect –geenit (= ”emovaikutusgeenit”)

muodostavat kypsyvään munasoluun alkion etu-taka-, selkä-vatsa-, vasen-oikea-

napaisuuden määrittelevät väkevyysasteikot.

2. Alkion omissa soluissa ns. GAP-geenit aloittavat toimintansa. Näistä ensimmäisenä

aktivoituu Hunchback ja se tuottaa alkioon uuden väkevyysasteikon. Asteikon

Maternal

effect

genes

Bicoid

Dorsal

Cactus

Nanos

Oskar

Staufen

Caudal

Pumillo

GAP

genes

Pair rule

genes

Segment

polarity

genes

HOM-

genes

Krüppel

Hunchback

Giant

Tailless

Knirps

Even skipped

Fushi tarazu

Sloppy paired

Hairy

Engrailed

Wingless

Hedgehog

Gooseberry

Antennapedia-

ryhmä (5 geeniä)

Bithorax-ryhmä (3

geeniä)

Kuva 37. Yksilönkehitystä ohjaavien geenien ryhmänimet ja

aktivaatiojärjestys sekä esimerkkigeenejä kunkin ryhmän

edustajista. Perinjuurin syvällistä tietoa aiheesta on osoitteissa:

http://ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/D_m_segment_l.ht

ml

http://courses.biology.utah.edu/bastiani/3230/DB%20Lecture/Lect

ures/Lec9FlyZygotic.html

perusteella alkioon muodostuu kolme poikittaista, osin päällekkäistä vyöhykettä, joissa

kussakin käynnistyy oma GAP-geeninsä.

3. GAP-geenien tuottamat proteiiniasteikot käynnistävät puolestaan seuraavassa vaiheessa

ns. Pair rule –geenit. Pair rule –geenien toiminta jakaa alkion seitsemään poikittaiseen

vyöhykkeeseen. Näiden määräämiltä kohdilta alkio alkaa muuttua vaikkapa

kastemadoista tutulla tavalla jaokkeelliseksi.

4. Pair rule –geenien tuottamat proteiinit käynnistävät puolestaan jaokkeiden etu-taka-

napaisuuteen vaikuttavat segment polarity –geenit. Näiden tuottamat proteiinit ja

mRNA-molekyylit jakavat alkion 14 poikittaiseen vyöhykkeeseen, joista kustakin syntyy

yksi jaoke lopulliseen hyönteiseen.

5. Samanaikaisesti kaiken edellä luetellun kanssa Maternal effect, GAP-, Pair rule ja

segment polarity –geenit säätelevät meille jo aikaisemmin tutuksi tulleita Bithorax- ja

Antennapedia-geeniperheitä (yhteisnimeltään homeoottiset geenit). Nämä viimeistelevät

kehityksen oikeanlaiseksi kunkin erillisen jaokkeen alueella.

1. Emovaikutusgeenit

(mm. Bicoid)

2. Hunchback-

proteiiniasteikko

3. GAP-geenit

4. Pair rule -geenit

5. Homeoottiset geenit

(Antennapedia ja

Bithorax)

5. Segment polarity -

geenit

Kuva 38. Yksilönkehitystä ohjaavien geenien toimintajärjestys

banaanikärpäsalkiossa.

Peräpää Etupää

Proteiinien

määrä

NANOS BICOID

Kuva 39. Bicoidin ja Nanosin määrä alkion pituusakselin eri osissa

kehityksen varhaisimpien vaiheiden aikana.

Peräpää Etupää

Proteiinien

määrä

NANOS

HUNCHBACK 1

Kuva 40. Hunchbackin ja Nanosin määrä alkion pituusakselin eri osissa

seuraavan kehitysvaiheen aikana. Nanos-proteiinit kiinnittyvät

Hunchbackin mRNA-molekyyleihin ja estävät niiden translaation alkion

peräpäähän kuuluvissa soluissa.

Siksi alkujaan tasaisesti esiintyvä Hunchback-mRNA (HUNCHBACK 1)

tuottaa proteiinia vain alkion etupäähän kuuluvissa soluissa ja

Hunchback vähenee peräpäähän päin (HUNCHBACK 2).

HUNCHBACK 2

Kuva 41. Hunchback käynnistää GAP-geenit alkion pituusakselin eri osissa.

Se, mitkä GAP-geenit (esim. GIANT, KRÜPPEL ja KNIRPS) missäkin

soluissa käynnistyvät, määräytyy Hunchback-pitoisuuden perusteella:

GIANT vaatii käynnistyäkseen korkean Hunchback-pitoisuuden, Knirpsin

riittää käynnistämään jo vähäinenkin Hunchbackin määrä.

Peräpää Etupää

Proteiinien

määrä

HUNCHBACK

GIANT

KRÜPPEL

KNIRPS

Edellä esitettyjen perustietojen avulla sinulla on jonkinmoiset valmiudet jatkossa myös

itsenäisesti tutustua yksilönkehityksen geneettistä säätelyä käsittelevään kirjallisuutteen. Usein

tällaisten kirjojen kannessa lukee esim. sanat Developmental Biology tai Embryology. Onnea

matkaan!

Kuva 42. Seuraavassa vaiheessa käynnistyvät Pair rule –geenit. Se, missä

alkion osissa mikäkin Pair rule –geeni käynnistyy, määräytyy GAP-geenien

toimintavyöhykkeiden päällekkäisyyksien perusteella (viivoitukset ja

aaltosulut).

Peräpää Etupää

Proteiinien

määrä

HUNCHBACK

GIANT

KRÜPPEL

KNIRPS

Eri PAIR RULE –geenien

toimintavyöhykkeet