maanantai 30. huhtikuuta 2018

Olemassaolevan biologisen informaation säätely

OLEMASSAOLEVAN BIOLOGISEN INFORMAATION SÄÄTELY

Kaikki eliöissä tapahtuva muutos johtuu olemassaolevan biologisen informaation epigeneettisestä säätelystä TAI vähittäisestä mutta väistämättömästä informaation korruptoitumisesta, joka usein johtaa informaation osittaiseen uudelleenjärjestelyyn eliön turvatessa tärkeimmät metaboliset toimintonsa.

Kaikki informaatio eliöiden adaptoitumiseksi on eliöissä jo valmiina. Ravinto, ilmasto, stressitekijät, aistiärsykkeet, ympäristömyrkyt jne. aktivoivat tai vaimentavat niitä DNA-jaksoja, joita solu lukee ja käyttää RNA-tuotteiden valmistukseen. Kyse on eräänlaisista epigeneettisistä kytkimistä, vaikkakin käytännössä ne eivät ole mitään on/off-kytkimiä, vaan pikemminkin analogisia säätimiä. Hyvä esimerkki ravinnon aiheuttamasta nopeasta muutoksesta on Italian seinälisko.

Vuonna 1971 tutkijat siirsivät viisi seinäliskoparia Pod Kopisten saarelta sen pienelle naapurisaarelle, Pod Mrcarulle. Johtuen Kroatian sodista tutkijat pääsivät vasta vuonna 2004 tutkimaan, miten liskot olivat sopeutuneet uuteen elinympäristöönsä. Tutkijat olivat hämmästyneitä huomattuaan, että kolmessa vuosikymmenessä liskot olivat kokeneet suuria muutoksia. Niiden ravintotyyppi oli vaihtunut hyönteisistä kasveihin, mikä oli johtanut suuriin muutoksiin niiden ruoansulatuksessa. Niiden suolistoon oli muodostunut rengasmainen lihas, Cecal Valve, jonka ansiosta kasvipohjainen ravinto viipyy pitempään suolistossa. Liskojen pää oli myös kasvanut ja leuat pidentyneet, jotta ne kykenisivät helpommin hyödyntämään kasviravintoa. Tutkijat eivät raportoineet muutoksista liskojen DNA-sekvensseissä.
 
Liskojen kokemat nopeat muutokset eivät siis johtuneet satunnaisista mutaatioista vaan epigeneettisistä mekanismeista. Hyönteisistä kasveihin vaihtunut ravintotyyppi muutti liskojen epigenomia siten, että solu lukee tiettyjä DNA-jaksoja aktiivisemmin transkriptioon. Säätely tapahtuu yleensä tiettyjen histonien epigeneettisiä markkereita modifioimalla. Prosessia kontrolloivat koodaamattomat RNA-molekyylit, kuten miRNA:t ja lncRNA:t. Myös DNA:n metylaatioprofiilien modifiointia ohjaavat RNA-molekyylit, kuten piRNA:t ja siRNA:t.

Informaatio Cecal Valvea varten oli jo olemassa liskon genomissa ja vaihtunut ravintotyyppi aktivoi tiettyjä DNA:n alueita transkriptioon avaamalla kromatiinia sen mukaan, miten histonien markkerit ohjaavat. Samankaltainen epigeneettinen säätely toimii lähes kaikissa eliöissä (esim. bakteereilla ei ole histoneja). Epigeneettiset mekanismit mahdollistavat sen, että luolakala kadottaa silmänsä muutamassa sukupolvessa ja saa ne takaisin vieläkin nopeammin.

Epigeneettisten mekanismien takia geneettisesti identtisillä kaksosilla voi olla erivärinen iho, hiukset ja silmät. Identtisillä kaksosilla on tuoreen tutkimuksen mukaan identtisen genomin lisäksi identtinen epigenomi. Erinäköisillä identtisillä monozygooteilla kaksosilla on erilainen epigenomi. (hakusanat: identical twins different skin color)

Kasvien DNA:sta noin 95% on epigeneettisesti vaimennettua (paitsi geenimanipuloidut kasvit, joiden genomi on yleensä rajusti köyhtynyt). Luonnonvaraisilla kasveilla on valtava muuntelupotentiaali, koska ne kykenevät tehokkaaseen epigeneettiseen DNA-jaksojen kytkentään (aktivointiin/vaimentamiseen) ja tämän lisäksi niillä on vielä polyploideina eliöinä mahdollisuus DNA-jaksojen tai koko genomin duplikaatioihin. Duplikaatiotkin ovat kopioita olemassaolevasta informaatiosta.

On kuitenkin tyypillistä, että muuttuvat epigeneettiset informaatioprofiilit, erityisesti DNA:n metylaatioprofiilit, johtavat DNA:n sekvenssimuutoksiin. Epigeneettisen adaptoitumisen seurauksena DNA:han tulee siis vähitellen mutaatioita, jotka ovat geneettisiä virheitä. Ja juuri tämä on geneettisen rappeutumisen merkittävin mekanismi. Geenivirheitä löytyy ihmisen genomissa populaatiotasolla jo miljoonia. Silti kaikki ihmiset ovat geneettisesti 99.9 prosenttisesti samanlaisia. Tuo 0.1 %:n ero on pitkälti kytköksissä geneettisiin sairauksiin. Ominaisuuksiemme vaihtelussa tuolla erolla ei ole juurikaan merkitystä, koska DNA ei sanele eliön ominaisuuksia.

Vastaavat geneettisen rappeutumisen mekanismit toimivat kaikissa eliöissä. Evoluutiolle ei siis ole minkäänlaista mekanismia. Voimme havaita ainoastaan perusryhmien sisällä tapahtuvaa ekologista adaptoitumista, joka johtaa väistämättömään geneettiseen rappeutumiseen. Ihminen voi auttaa eliöitä selviytymään geneettisestä rappeutumisesta ja sukupuutosta. (hakusanat: genetic rescue) Ihminen kykenee myös korjaamaan korruptoitunutta DNA:ta esim. CRISPR-tekniikalla. Mm. kiinalaiset tutkijat yrittävät korjata ihmisen genomiin tulleita C>T -mutaatioita, mikä edelleen todistaa, että mutaatiot eivät saa aikaan evoluutiota, vaan rappeutumista.

Epigeneettiset kytkimet osoittavat, että eliöissä tapahtuvat muutokset eivät johdu satunnaisista mutaatioista, vaan suunnitelluista energiatehokkaista mekanismeista.