On luultavasti vain harva – jos kukaan – tämän lehden lukija, jolle Barbara McClintockin nimi ei tulisi tutuksi. Kaikki Nobel-palkinnon saajat saavat laajaa tunnustusta, mutta hänen tapauksessaan tunnustusta lisäsi se, että hänen työnsä hyväksymisen eteen oli käyty vaikea taistelu. Hän oli sytogeneetikko, joka työskenteli maissilla mallijärjestelmänä, ja hän oli tullut siihen tulokseen, että kaikki geenit eivät olleet staattisia kiinteitä paikkoja, jotka sijaitsivat määrätyissä kohdissa genomia. On kohteliasta vähättelyä sanoa, että hänen päätelmänsä ”hyppäävistä geeneistä” – jotka koodaavat DNA-elementtejä, jotka pystyvät siirtymään kromosomipaikasta toiseen – herätti yleistä epäuskoa. Aika ja tietojen painoarvo osoittivat, että hän oli oikeassa, ja hänen 81-vuotiaana vuonna 1983 saamansa fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto oli yhtä lailla osoitus hänen sinnikkyydestään kuin hyvästä tieteestä.
DNA:n ominaisuuksia, jotka hän löysi, kutsutaan asianmukaisesti siirrettäviksi elementeiksi tai transposoneiksi. Rakenteellisesti niillä on useita samankaltaisia piirteitä kuin joillakin virustyypeillä (retrovirukset), ja niitä voidaan tavallaan ajatella viruksen kaltaisina, koska ne voivat replikoitua puoliautonomisesti käyttämällä isäntäsolun koneistoa. Toisin kuin todelliset virukset, transposonit eivät kuitenkaan poistu solusta, vaan niiden jälkeläiset vain siirtyvät uuteen genomiseen paikkaan, jossa ne asettautuvat. Ne ovat itse asiassa yksinkertaisin esimerkki niin sanotusta ”itsekkäästä geenistä”, jonka mukaan geneettiset elementit pyrkivät vain monistamaan itseään. Useimmat geenit ovat ”päättäneet” tehdä tämän yhteistyössä muiden geenien kanssa luodakseen elinkelpoisia monistuvia organismeja, mutta transposonit tekevät sen puhtaasti omasta puolestaan ja pikemminkin isäntäsolun loisena kuin suuremman kokonaisuuden tuottavana osana. Kiinnostuksemme niitä kohtaan johtuu ensinnäkin siitä, että niitä ei esiinny vain maississa, vaan niitä esiintyy useimmissa organismeissa, myös ihmisissä, ja toiseksi tästä solunsisäisestä elämäntyylistä, jossa jokainen geeni elää itseään varten.
LINES ja SINES
Ihmisillä ei ole vain yhtä transposonityyppiä – on itse asiassa useita tyyppejä, jotka ryhmitellään löyhästi niiden fyysisen koon perusteella Long Interspersed Elements (LINES) ja Short Interspersed Elements (SINES). Kuten arvata saattaa, mitä suurempia ne ovat fyysisesti, sitä enemmän geneettistä tietoa ne voivat koodata. LINE-1-niminen elementti, jonka koko on noin 6000 emäsparia, koodaa kahta avointa lukukehystä (alueita, jotka voidaan transkriboida mRNA:ksi ja sitten kääntää proteiiniksi). Toisella näistä proteiineista on RNA:ta sitova aktiivisuus mutta epäselvä biologinen tehtävä; toisella on endonukleaasi (DNA:n leikkaaminen) ja käänteinen transkriptio (DNA-sekvenssien tuottaminen RNA-malleista). Pohjimmiltaan sen jälkeen, kun LINE-1-elementti on transkriboitu (osittain transkriptiotekijöiden sitoutumiskohtien ohjaamana sen 5′-päässä), ekspressoitunut toinen proteiini tekee leikkauksia isäntä-DNA:han endonukleaasitoimintansa avulla. Sen jälkeen se tekee DNA-kopion LINE-1:n täydellisestä transkriptiosta käänteisen transkriptaasin avulla. Tämä DNA-kopio asetetaan leikattuun isännän genomiin, ja isäntäsolun DNA-korjauskoneisto kiinnittää sen paikalleen. Isäntäkromosomi on nyt saanut uuden kopion LINE-1:stä, ja jokaisessa seuraavassa solun replikaatiosyklissä tämä kopioidaan osana ”normaalia, synnynnäistä” ydin-DNA:ta. Tätä pidetään autonomisena retrotranspositioina, koska LINE-1 toimittaa prosessiin omat keskeiset entsyymitoimintonsa. Vaikka prosessi itsessään tapahtuu harvoin, on helppo nähdä, miten pitkien biologisten aikavälien kuluessa tämä voi johtaa LINE-1-elementin moninkertaisten replikaatiokopioiden kertymiseen. LINE-1:n uskotaan olevan ihmisen genomin ainoa täysin autonominen siirrettävä elementti, ja se on osoittautunut tehokkaaksi biologiseksi strategiaksi, sillä lähes 17 prosenttia ihmisen genomista koostuu tästä sekvenssistä (noin 170 000 kopiota solua kohti)!
Keskitymme tänään kuitenkin SINE:iin ja erityisesti siihen (oikeastaan yhteen perheeseen), joka tunnetaan nimellä Alu-elementit. Ne on nimetty restriktioendonukleaasikohdan (Alu I) mukaan, jota ne tyypillisesti sisältävät, ja ne ovat paljon lyhyempiä kuin LINE-1, vain noin 280 emäsparia pitkiä. Tämä tarkoittaa, että niillä ei ole juurikaan omaa koodauskapasiteettia muutamien transkription aloitussignaalien lisäksi, eivätkä ne siten ole itsenäisiä. Itse asiassa Alu-elementit tarvitsevat monistumiseensa sekä solutekijöitä että LINE-1:n toista proteiinituotetta, joten ne ovat tavallaan loisia sekä isäntäsolulle että LINE-1-elementeille. Tämä loisen loisen loinen -lähestymistapa on ilmeisesti vieläkin tehokkaampi itsekäs geenistrategia, sillä Alu-elementtien osuus ihmisen genomista on noin 11 prosenttia (noin 2 miljoonaa kopiota solua kohti).
Biologiset vaikutukset
Ei ole yllättävää, että sillä, että perimässämme on niin paljon geneettisiä vapaamatkustajia – ja vieläpä epästabiileja – on joitakin hyvin todellisia vaikutuksia. Erityisesti niiden kuljettamien transkriptionaalisten ja muiden geneettisten signaalien kautta Alu-elementti voi vaikuttaa moniin proksimaalisen isäntägeenin ilmentymisen näkökohtiin, mukaan lukien geenin perusilmentymistasot, intronien pilkkominen ja polyadenylaatio sekä RNA:n editointi. Koko soluun kohdistuva evolutiivinen paine johtaisi yleensä siihen, että isäntägeeni sopeutuisi näihin tekijöihin, jotta se sopeutuisi, kompensoisi tai ehkä joissakin tapauksissa jopa hyötyisi tietyn Alu-elementin vaikutuksesta kontekstissa. Tällaiset isännän sopeutumiset vievät kuitenkin aikaa, ja kliinisiä patologioita voi syntyä, kun tapahtuu uusi Alu-transpositiotapahtuma, joka johtaa äkilliseen geneettiseen muutokseen periaatteessa satunnaisessa lokuksessa – uuden Alu-kopion lisäämiseen.
Tästä on hyvä tietää, että koska kyseessä on transkription (RNA:n) käynnistämä replikaatioprosessi, replikaatio on virhealtis. Toisin kuin DNA-polymeraasit, joista monet sisältävät niin sanotun tarkistuslukutoiminnon, jossa jokainen syntyvään templaattikopioon lisätty nukleotidi tarkastetaan uudelleen todellisen komplementaarisen vastaavuuden vahvistamiseksi verrattuna ohimenevään tautomeeriseen siirtymään perustuvaan vastaavuuteen, RNA-polymeraasit on biologisesti optimoitu nopeuteen ja prosessinopeuteen. Kun nukleotidi on lisätty kasvavaan transkriptiin, polymeraasi kiirehtii eteenpäin seuraavaan emäkseen. Koska osa kaikista DNA:n ja RNA:n muodostavista emäksistä voi olla ja on olemassa tautomeerisissa muodoissa, joissa on lyhytaikaisia hydrogeenien ja kaksoissidosten uudelleenjärjestelyjä verrattuna oppikirjoissa nähtyihin muotoihin, RNA-transkripteillä on taipumus olla alhaisia, mutta huomattavia virheellisiä kopiointeja DNA-mallineesta.
Aavistan joidenkin lukijoiden yhtäkkisen panikoivan: miksi, jos näin on, miksi, jos näin on, emmekö me kaikki ole sekaisin tavallisissa mRNA-transkripteissä esiintyvien virheiden vuoksi? Se johtuu siitä, että teemme useita kopioita transkripteistä aktiivisista geeneistä, ja keskimäärin ne ovat kunnossa. Olivatpa ne kunnossa tai eivät, niillä on lyhyt käyttöikä ennen kuin ne hajoavat ja korvataan uusilla transkripteillä tarpeen mukaan. Harvinaiset satunnaiset virheet mRNA:ssa eivät siis todennäköisesti ole merkittäviä.
Jos nyt kuitenkin otat tämän ei aivan täydellisen RNA-kopion DNA:sta ja käänteistranskriboit sen takaisin DNA:ksi pitkäaikaista leviämistä varten, olet nyt korjannut tuon geneettisen muutoksen pitkäksi aikaa. Tästä seuraa, että vain pieni osa geeneissämme olevista Alu-elementeistä on todella kykeneviä monistumaan ja lisäämään uusia kopioita itsestään. Kaiken kaikkiaan on arvioitu, että on olemassa vain noin yksi uusi Alu-insertio. Se on erittäin hyvä asia, koska nämä insertionaaliset tapahtumat ovat potentiaalisesti ongelmallisia.
Muistakaamme, että noin yksi prosentti tai hieman enemmän ihmisen genomista koodaa isäntäproteiineja (noin 21 000 geeniä). Jos menemme tekemään leikkauksia ja tunkemaan sukuun kuulumatonta DNA:ta mielivaltaisesti genomiin, on järkeenkäypää, että noin yksi prosentti näistä olisi geeneissä ja tuloksena olisi geenin insertionaalinen inaktivaatio. Koska Alu-elementti kuljettaa transkriptionaalisia signaaleja ja mahdollisesti muitakin säätelyelementtejä, on myös täysin mahdollista, että se vaikuttaa ei-toivotusti niiden geenien ilmentymiseen, joiden lähellä se on. Kummassakin tapauksessa tuloksena on geenin tai geenien säätelyhäiriö, jolla on lähes varmasti haitallisia seurauksia.
Toinen sivuhuomautus, juuri tätä prosessia käytetään joissakin malliorganismeissa fenotyyppiseen ominaisuuteen liittyvien geenien tunnistamiseen. Yksinkertaistettuna, organismille endogeenisia transposoneja voidaan rohkaista aktivoitumaan, ja jälkeläisorganismit, joissa on muutoksia kiinnostavassa fenotyypissä, tutkitaan mahdollisten uusien transposonien insertiokohtien varalta olettaen, että ne voivat olla fenotyyppiin liittyvissä geeneissä tai niiden lähellä. Tätä kutsutaan transposonien tunnistamiseksi.
Sen lisäksi, että uudet retrotranspositiotapahtumat aiheuttavat insertionaalista inaktivoitumista, Alu-elementtien suuri kokonaismäärä itsessään voi johtaa muihin geneettisiin ongelmiin. Erityisesti nämä paikalliset sekvenssin samankaltaisuuden saarekkeet voivat olla pisteitä epätasa-arvoisille homologisille rekombinaatiotapahtumille, joissa kromosomaalinen konteksti kunkin Alu-elementin ympärillä ei ole sama. Näitä voi tapahtua sekä ekstrakromosomaalisesti (johtaen ei-homologisten kromosomaalisten segmenttien vaihtoon) että intrakromosomaalisesti (jolloin ne johtavat yleensä alueiden deletoitumiseen tai duplikaatioon riippuen siitä, ovatko kaksi Alu-elementtiä samassa vai käänteisessä polariteettisuuntauksessa).
Todellisen elämän esimerkkejä
Nyt kun olemme käsitelleet teoriaa siitä, että ihmisessä todella on liikkuvia geneettisiä elementtejä, että ne joskus aktivoituvat ja lisäävät uusia kopioita itsestään, ja että sillä voi olla huonoja seurauksia solun kannalta – entä todellisen elämän esimerkkejä? Esiintyykö kliinisissä tutkimuksissa ihmisiä, joilla on ongelmia, jotka johtuvat uusista Alu-insertioista? Ehdottomasti; jo vuonna 19991 arvioitiin, että uusia Alu-insertioita oli havaittavissa noin yhdessä 200 elävänä syntyneestä, ja ne aiheuttivat 0,1 prosenttia tunnetuista geneettisistä häiriöistä. Kirjallisuudessa on raportoitu muun muassa spontaaneista hemofiliasta;2-4 Apertin oireyhtymästä;5 tyypin 1 neurofibromatoosista;6 ja näköhermon surkastumisesta.7 Pidempää luetteloa etsiviä lukijoita pyydetään tutustumaan vuonna 2012 julkaistuun katsaukseen ja sen viitteisiin, jotka on lueteltu jäljempänä viitteenä kahdeksan.
Kliinisiä esiintymiä, jotka liittyvät Alu:n vaikutuksesta tapahtuviin rekombinaatiotapahtumiin, lienee hankalampi yksilöidä varmasti kuin insertiotapahtumista johtuvia kliinisiä esiintymiä, mutta tapauksia on kuitenkin raportoitu (esimerkkinä viitteessä yhdeksän), ja ne ovat luultavasti yleisemmät, kuin tiedämme.
Hoidon näkökulmasta jokainen Alun aiheuttama mutaatio – insertio- tai rekombinaatiotapahtuma – on ainutlaatuinen, ja hoidon (jos sellaista on) on todennäköisesti liityttävä suoriin biokemiallisiin interventioihin vaikutuksen kohteena olevaan reittiin (vaikutusväyliin), jos se on mahdollista, tai kenties geenitekniikan välineisiin, kuten muissa synnynnäisissä geneettisissä häiriöissä. Näin ollen ne jäävät kliinikon kannalta pikemminkin kuriositeetiksi kuin tilatyypiksi, jolla on yhteinen hoito tai ennaltaehkäisy – mutta todennäköisesti sellaiseksi, jonka esiintymistiheys ei ole merkityksetön uudenlaisen geneettisen esitystavan taustalla.
- Alu-repeatit ja ihmisen sairaudet. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- An Alu insert as the cause of a severe form of hemophilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Haemofilia B, joka johtuu ihmiselle spesifisen Alu-aliperheen jäsenen de novo insertiosta tekijä IX -geenin koodaavalla alueella. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exonien skippaus, joka johtuu nuoren Alu Yb9 -elementin intronisesta insertiosta, johtaa vaikeaan hemofilia A:han. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-elementin insertiot FGFR2:ssa tunnistavat Apertin oireyhtymälle erilaisen patologisen perustan. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- De novo Alu-insertio johtaa neurofibromatoosi tyyppi 1:een. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Alu-elementin insertio OPA1:n intronisekvenssissä, joka liittyy autosomaaliseen dominoivaan näköatrofiaan. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu-mobiilielementit: From Junk DNA to Genomic Gems. Dridi S. Scientifica 2012. Artikkeli ID 545328, 11 sivua.
- Mutaatio LDL-reseptorissa: Alu-Alu-rekombinaatio poistaa transmembraania ja sytoplasmista domeenia koodaavat eksonit. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.