Siirry sisältöön

Geeni

Muokkaa linkkejä
Wikipediasta

Geeni on DNA-jakso, joka ulottuu transkription aloituskohdasta sen loppukohtaan.[1] Geeni toimii valmistusohjeena RNA-molekyylille, joka voi olla lähetti-RNA, ribosomaalinen RNA tai siirtäjä-RNA.[2] Lähetti-RNA toimii edelleen proteiinien valmistusohjeena translaatiossa.[2]

Geenien sijainti ja määrä

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
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.[3] 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.[4]

Geenin rakenne

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

DNA-juosteen suunta määritellään perinteisesti "ylävirtaan" (5'-suunta) ja alavirtaan (3'-suuntaan) DNA:n fosfodiesterisidosten suunnan mukaisesti.[1] Koodaavaksi juosteeksi nimitetään sitä juostetta, jonka emäsjärjestys on sama kuin muodostuvalla lähetti-RNA:lla.[1] Vastakkaista juostetta nimitetään ei-koodaavaksi juosteeksi.[1]

Geeniä reunustavat molemmin puolin DNA-jaksot, joita nimitetään 5' reunustavaksi alueeksi ja 3' reunustavaksi alueeksi.[1] Nämä alueet eivät ole osana transkriptiota, mutta niissä on usein siihen vaikuttavia säätelyalueita.[1]

5' reunustavalla alueella, välittömästi ylävirtaan transkription aloituskohdasta sijaitsee promoottorialue.[1] Muita säätelyalueita voi sijaita kauempana ylävirrassa.[1]

Transkription aloituskohdassa voi olla muunnelma emäsjärjestyksestä 5'-ACTT(T/C)TG-3'.[1] Englanniksi tätä voidaan kutsua nimellä cap site.[1] Geenin lopussa, välittömästi ylävirtaan transkription lopetuskohdasta sijaitsee polyadenylaatiosignaali (usein 5'-AATAAA-3').[1]

Transkriptiossa muodostuu ensin RNA:n esiaste (engl. primary transcript), jossa on sama määrä nukleotideja kuin geenissä.[1] Kuitenkin aitotumaisilla tätä esiastetta muokataan transkription jälkeen mm. silmukoimalla.[1] Niitä geenin osia, joita vastaavat emässekvenssit tulevat osaksi lopullista lähetti-RNA:ta, kutsutaan eksoneiksi.[1] Niitä geenin osia, joita vastaavat emässekvenssit poistetaan lopullisesta lähetti-RNA:sta silmukoinnin yhteydessä, kutsutaan introneiksi.[1]

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

Geenin ilmentyminen

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Transkriptio

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pääartikkeli: Transkriptio

DNA:n kaksoisjuoste avautuu tilapäisesti.[5] RNA-polymeraasi etenee geenin 5'-päästä 3'-päähän (alavirtaan)[6] ja liittää RNA-nukleotideja toisiinsa yhtenäiseksi ketjuksi.[5] Muodostuvan RNA:n emässekvenssi on geeniin nähden vastakkainen: geenissä oleva guaniini vastaa RNA:n sytosiinia, sytosiini guaniinia, adeniini urasiilia ja tymiini adeniinia.[5] Jokainen kolmen emäksen sarja lähetti-RNA:ssa on kodoni, joka määrittää myöhemmin translaatiossa aminohappojen järjestyksen muodostuvassa proteiinissa.[5]

Lähetti-RNA:n esiasteen muokkaus transkription jälkeen

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäiseksi RNA-ketjun 5'-päähän liitetään epätyypillinen, 7-positiostaan metyloitunut guanosiini (m7G).[1] Englanniksi tätä kutsutaan nimellä methyl cap.[1] Ilman sitä lähetti-RNA:ta ei voi kuljettaa tumasta solulimaan.[1]

Toiseksi RNA-ketju katkaistaan noin 20 nukleotidia polyadenylaatiosignaalista alavirtaan, läheltä ketjun 3'-päätä.[1]

Kolmanneksi RNA-ketjun 3'-päähän liitetään 100-200 adenosiinia (rakenteen nimi englanniksi poly(A) tail).[1] Tämä vakauttaa lähetti-RNA:ta.[1]

Neljänneksi RNA-ketjua voidaan muokata silmukoinnilla, jossa geenin introneita vastaavat osat poistetaan.[1]

RNA-ketjun molempiin päihin jää edelleen jaksot, joita ei lueta translaatiossa: 5' kääntämättömät alueet ja 3' kääntämättömät alueet.[1]

Translaatio

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pääartikkeli: Translaatio

Solulimaan siirtynyt lähetti-RNA kiinnittyy ribosomiin (joskus useaan samanaikaisesti).[5] Mikäli muodostuvan proteiinin alkupäässä on sopiva aminohappojärjestys, se voi kiinnittyä solulimakalvoston pinnalla oleviin reseptoreihin.[5] Tällöin proteiini valmistuu soluliman sijaan solulimakalvoston sisälle.[5] Kuitenkin rauhassoluja lukuun ottamatta suurin osa proteiineista valmistuu solulimassa.[5]

Translaatio alkaa aina aloituskodonista AUG, joka koodaa metioniinia.[1][5] Reaktio etenee lähetti-RNA:n 5'-päästä 3'-päähän, kunnes vastaan tulee lopetuskodoni (UAG, UAA tai UGA).[1] Lähetti-RNA:n 5'-päästä tulee lopulta proteiinin N-pää ja 3'-päästä proteiinin C-pää.[1] Siirtäjä-RNA:ssa on lähetti-RNA:lle vastakkaisia kolmen emäksen sarjoja (antikodoneita), joiden perusteella se tuo paikalle kodoneita vastaavia aminohappoja.[5] Ribosomissa oleva peptidyylitransferaasi liittää uudet aminohapot peptidisidoksilla osaksi valmistuvaa proteiinia.[5]

Geenien löytämisen historiaa

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Perinnöllisyys ja geenit

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[7] 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

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Eliöiden ominaisuuksien periytyminen yhdistettiin vuonna 1944 Oswald Averyn tutkimusryhmässä deoksiribonukleiinihappo DNA:han.[8] Alfred Hershey osoitti 1952, että virusten kopioituminen tapahtui DNA:n avulla tartunnan saaneissa soluissa, ja hän osoitti näin, että geeni koostuu DNA:sta.[9]

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.”[10]

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.[11]

Ensimmäinen geenin nukleotidisekvenssi sekvensoitiin Gentin yliopistossa Belgiassa vuonna 1972. Kyseinen sekvensoitu geeni oli MS2-bakteriofagin kuoren proteiinin koodaava geeni.[12]

Geenien säätely

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

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.

Geenituotteiden ominaisuuksia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Walter F. Boron, Emile L. Boulpaep: Medical physiology: a cellular and molecular approach, s. 118-119. Philadelphia, Pa: Elsevier Saunders, 2005. ISBN 978-1-4160-2328-9 Teoksen verkkoversio Viitattu 17.4.2026.
  2. 1 2 Geenit Solunetti. Viitattu 17.4.2026.
  3. ↑ Pearson, Helen: What is a gene? Nature, 24.5.2006, 2006. vsk, nro 441, s. 398–401. doi:10.1038/441398a (englanniksi)
  4. ↑ What is noncoding DNA? Genetics Home Reference. National Institutes of Health. Arkistoitu 18.2.2020. Viitattu 12.6.2020. (englanniksi)
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 John E. Hall, Arthur C. Guyton: Guyton and Hall textbook of medical physiology, s. 30-35. Philadelphia, Pa: Saunders/Elsevier, 2011. ISBN 978-1-4160-4574-8 (englanniksi)
  6. ↑ Nukleiinihappoketjujen polaarisuus (suunta) Solunetti. Viitattu 17.4.2026.
  7. ↑ N. H. Horowitz: One-gene-one-enzyme: Remembering biochemical genetics (pdf) (koko teksti, free full text) Protein Science. (1995) 4:1017–1019. Printed in the USA: Cambridge University Press. Viitattu 19.4.2011. [(englanniksi)
  8. ↑ James D. Watson et al, Cold Spring Harbor Laboratory: Concept 17: A gene is made of DNA (html, flash-video) (animoitu DNA:n historia) DNA from the Beginning. 2002-2011. Dolan DNA Learning Center, Cold Spring Harbor Laboratory. Viitattu 19.4.2011. (englanniksi)
  9. ↑ James D. Watson et al, Cold Spring Harbor Laboratory: Concept 18: Bacteria and viruses have DNA too (html, flash-video) (animoitu DNA:n historia) DNA from the Beginning. 2002-2011. Dolan DNA Learning Center, Cold Spring Harbor Laboratory. Viitattu 19.4.2011. (englanniksi)
  10. ↑ Rheinberger, Hans-Jörg and Müller-Wille, Staffan: Gene, 2. The Gene in Classical Genetics (html) The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2010 Edition), Edward N. Zalta (ed.). Viitattu 19.4.2011. (englanniksi)
  11. ↑ Jo Ann Lane: History of Genetics Timeline (html) (vuosittain) Access Excellence. 1994. National Health Museum. Viitattu 19.4.2011. (englanniksi)
  12. ↑ New Scientist ed: "Genes speak in flowery language", New Scientist 8, June 1972, page 545 (html) (koko teksti, free full text) Google Books. Viitattu 19.4.2011. (englanniksi)[vanhentunut linkki]

Kirjallisuutta

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Perinnöllisyystiede
Peruskäsitteitä
Osa-alueita
Sovellutuksia
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Geeni&oldid=24293600”