Mis on geen ja kuidas ta töötab?

Toivo Maimets

Joonis. Geeni ekspressiooni põhiskeem. DNA (punane) informatsiooni alusel tehakse transkriptsiooni käigus RNA (roheline), mis modifitseeritakse ning viiakse tuumast tsütoplasmasse. Tsütoplasmas toimuva translatsiooni tulemusena valmistatakse RNA informatsiooni alusel aminohapete järjestusest koosnev valk

Geenide kaudu kanduvad organismi omadused vanematelt lastele. Kuidas aga geenides olev info kätte saadakse ja mismoodi areneb ühestainsast rakust keeruline organism?

TEE RAKKUDE MITMEKESISUSE MÕISTMISENI

1902. aastal avaldas August Weismann raamatu "Evolutsiooniteooria", milles ta pani kahtluse alla tollal laialt levinud seisukoha, et organismide eluajal omandatud tunnused pärandatakse järglastele. Ta ei suutnud kuidagi leida mehhanismi, mis kannaks informatsiooni näiteks sepa hästiarenenud lihaste kohta tema seemnerakkudele, nii et ka sepa poegadele tuleksid võimsad musklid. "Niiviisi eeldada," kirjutas ta, "oleks sama hea kui oodata, et ingliskeelne telegramm Londonist Pekingisse jõuaks sihtkohta hiinakeelsena."

Ometigi sarnanevad järglased vanematega üsnagi.

Peale selle koosnevad organismid suurest hulgast väga erineva välimuse ja funktsioonidega rakkudest; nii isadel kui poegadel on vere-, närvi-, lihas- ja muud rakud, mis on kõik isesuguse ehitusega ja täidavad täiesti eri ülesandeid. Kõik nad on aga tekkinud vaid ühe raku - viljastatud munaraku pooldumiste tulemusena.

KUIDAS RAKUD TEAVAD, MILLISED NAD PEAVAD OLEMA?

Weismann seisis küsimuse ees, kuidas on võimlik, et üheainsa raku järglased on nii erinevad? Kuidas organismi diferentseerumise käigus rakud mitmekesistuvad?

Weismann pakkus välja kaks võimalust.

Esimene, mida ta ise eelistas, pakkus, et keharakkude jagunemisel - mitoosil - ja edasisel eristumisel ei kandu kõik geenid (Weismann nimetas neid idudeks) kõikidele järglasrakkudele edasi võrdselt. Ajurakkude jagunemisel kanduvad tütarrakkudele vaid geenid, mis määravad ära nende olemuse ajurakkudena. Maksarakkude mitoosil pärandatakse noortele rakkudele neile vajalikud geenid. Ainult sugurakkude tekkel kandub üle täielik geenikomplekt, mis liigub sel moel vanematelt järglastele.

Teine võimalus. Kõikidele rakkudele kanduvad edasi kõik geenid. Ent üheski rakus ei ole kõik geenid samaaegselt aktiivsed, vaid eri rakkudes on kasutusel eri geenikomplektid (maksarakkudes maksarakkude geenid, ajus aga ajurakkude omad). Weismannile teine variant ei meeldinud, sest see eeldas tohutu suure hulga geene aktiveerivate erinevate signaalide olemasolu. Sellised signaalid peaksid tulema väljastpoolt rakku, eelkõige naaberrakkudelt.

KRIIS BIOLOOGIATEADUSES

Teise võimaluse eitamise tõttu sattus Weismann (ja paljud teisedki käesoleva sajandi alguse bioloogid) üha rohkem raskustesse. Mitoosi käigus oli näha, et raku pooldumise tulemusena kanduvad tütarrakkudele edasi kromosoomide täielikud koopiad. Samuti oli teada, et mitmetelt taimedelt võib lõigata tüki, mis vette panduna kasvatab alla juurestiku. See ei oleks võimalik, kui taime kõikides osades puuduksid juurte tekkeks vajalikud geenid.

Nii jõudiski tolleaegne rakubioloogia paradigma kriisini.1927.aastal ajakirjas Science avaldatud artiklis tõdes F. Lillie, et bioloogia on jõudnud lahendamatu paradoksini. Ühest küljest oli selge, et kõik rakud sisaldavad sarnase komplekti geene. Teisalt oli aga kõigile teda rakkude suur morfoloogiline ja funktsionaalne mitmekesisus.

KRIISI LAHENDUS

1934.aastal oletas T. H. Morgan, et õige on Weismanni pakutud teine variant: ehkki kõikides rakkudes (mõne üksiku erandiga) on täpselt samasugused geenid, aktiveeruvad eri tüüpi rakkudes eri geenikombinatsioonid. Erinevaid geene aktiveerivad kõige mitmekesisemad väljastpoolt rakku tulevad signaalid.

Eksperimentaalseid tõestusi sellele oletusele kogunes alles 1960-ndatel aastatel ja täna, peaaegu sada aastat pärast Weismanni tööd, oleme ikkagi alles nende signaalide olemuse ja ülekandemehhanismide mõistmise alguses.

MILLEST GEEN KOOSNEB?

NELJAST TÄHEST KOOSNEV KEEL

Lõppeva sajandi kõige olulisem avastus geneetika vallas oli James Watsoni ja Francis Cricki järeldus, et geenid koosnevad desoksüribonukleiinhappest (DNA ), mis kujutab endast erilise struktuuriga pikki polümeerseid ahelaid. DNA sisaldab kombinatsioone neljast erinevast keemilisest ühendist, lämmastikalusest, mida tähistatakse tähtedega A, T, C ja G.

Igas rakus (mõne üksiku erandiga) on olemas rakutuum, rakutuumas asub genoom - organismi DNA täielik komplekt, mis on koondatud kromosoomidesse. Inimesel on 23 paari kromosoome, kusjuures igas paaris on üks kromosoom pärit emalt ja teine isalt.

Eesti keeles kasutatakse 27 tähte, et kirja panna kõik, alates koogiretseptidest kuni Shakespeare`i teosteni. Geneetilises keeles on vaid neli tähte, millega "pannakse kirja" kõik, mis organismi võimaluste määramiseks vajalik. Neljast "tähest" kirjutatud genoom koosneb kolmest miljonist "tähemärgist".

RAAMAT 23 PEATÜKIGA

Kolme miljonit tähemärki sisaldav tekst oleks kirja panduna nii suur, et vajaks umbes 800 piiblisuurust raamatut. Selline tekst sisaldub igas meie rakus.

Tänaseni ei ole täpselt kindlaks tehtud, kui palju on inimeses geene. Erinevate hinnangute järgi on neid 80 kuni 120 tuhat. Praegu tunneme neist vaid napilt kümnendikku, ent kaasaegsete lugemismeetoditega kiireneb uute geenide avastamine ning paari aasta pärast on ilmselt teada inimese kogu genoomi järjestus.

Matt Ridley on tabavalt võrrelnud inimese genoomi suure raamatuga.

Millest koosneb raamat, kus on kirjas kogu info inimese kohta?

Selles raamatus on 23 peatükki, mida nimetatakse kromosoomideks.

Iga peatükk on koostatud tuhandetest lugudest, mida nimetatakse geenideks.

Iga lugu koosneb erinevatest lõikudest - eksonitest.

Eksonite vahele on puistatud reklaamkuulutusi, millel pole raamatu sisuga eriti pistmist. Need vahelugemised on intronid.

Iga paragrahv on kokku pandud sõnadest, mida kutsutakse koodoniteks.

Iga koodon aga koosneb kolmest meile teada tähest. Koodonid on näiteks ATC, TCG, CGA jne.

GEENI KAKS ÜLESANNET

Iga geen peab olema võimeline täitma kahte ülesannet.

Selleks, et geen võiks päranduda uutesse tekkivatesse rakkudesse ja järglastesse, peab ta tootma täpseid endasarnaseid koopiaid. Säärast koopiakirjutamist nimetatakse replikatsiooniks.

Et iga raku genoom saaks anda eri rakkudele eri kuju ja funktsiooni, on neis rakkudes vajalik mingite kindlate geenikomplektide avaldumine ehk ekspressioon.

MIS ON GEENI EKSPRESSIOON?

VALGUD - GEENI AVALDUMISE VÕTMED

Geenid määravad ära võimalused, mida organism saab kasutada, mitte aga konkreetse looma/taime/seene saatuse. On selge, et inimene ei saa linnu kombel õhku tõusta. Aga oma maapealseid asju võime ajada mitmel viisil.

Geenid ise harilikult ei ole rakus mingite konkreetsete ülesannete täideviijad. Nad on vaid informatsiooni panipaigad, mille põhiülesanne on hoida kiivalt neis peituvat miljardite aastate jooksul tekkinud sõnumit ning seda veatult järglastele edasi anda.

DNA-s sisalduva teabe alusel teevad tööd valgud .Just valgud viivad läbi ensüümreaktsioone, valkudest koosneb enamik keha struktuure ning ka põhilised arenguprotsessid reguleeritakse valkude kaudu. Eelnevale lisaks on ka geenide endi ekspressioon valkudeta võimatu: valgud osalevad kõigis põhilistes geeni ekspressiooni etappides.

DNA KOPEERIMINE

Geenide avaldumine algab hetkest, kui rakus on olemas kõik vajalikud komponendid DNA transkriptsiooni alustamiseks (vt. joonis). Transkriptsiooni käigus kopeeritakse DNA-s olev informatsioon keemiliselt üsna sarnase polümeeri - RNA järjestuseks. Keemilises mõttes erineb RNA DNA-st väga vähe - veidi modifitseeritud on molekuli koosseisus olevad suhkrud ning DNA-s oleva nukleotiidi T asemel on RNA-s vastaval kohal U.

Raku funktsiooni seisukohalt erineb RNA DNA-st väga oluliselt - RNA suudab rakutuumast väljuda ning liikuda tsütoplasmasse. Just tsütoplasma on koht, kus asuvad ribosoomid - masinad valgusünteesi läbiviimiseks.

RNA INFO KONTSENTREERUMINE

Tsütoplasmasse ei jõua RNA sugugi sellisena, nagu ta DNA-lt kopeeritakse. Raamat nimega "Genoom" sisaldas lisaks olulistele lõikudele - eksonitele - ka otseselt mittevajalikke tekste ehk introneid. Ajal, kui RNA liigub tsütoplasmasse, lõikavad spetsiaalsed ensüümid intronid välja.

Lõpuks sõlmitakse pärast intronite väljalõikamist järele jäänud eksonid omavahel kokku nii, et geneetilises tekstis ei ole enam tarbetuid katkestusi (meie toodud analoogias reklaamkuulutusi). Vaid sel kujul RNA on ribosoomide jaoks informatiivne.

Samuti "märgistatakse " RNA nii, et ta oleks valgusünteesi masinavärgile äratuntav. Näiteks lisatakse RNA-le rida U-nukleotiide.

VALGUSÜNTEES - KÕIGE KEERULISEM PROTSESS RAKUS

Ribosoomide kaasabil toimuv valkude süntees RNA-lt - translatsioon - on üks keerulisemaid molekulaarseid protsesse rakus. Translatsioon koosneb paljudest omavahel koordineeritud sündmustest. Ainuüksi ribosoom ise koosneb kümnetest erinevatest valkudest ja mitmest erinevast RNA-st ning lisaks ribosoomile on vaja veel paljusid translatsiooni abistavaid valke ja nukleiinhappeid.

Ühe valgumolekuli valmistamisel osaleb vähemalt paarsada erinevat molekuli. Sõna translatsioon tähendab tõlkimist. Valgusünteesil tõlgitakse geneetiline nukleotiidide järjestusena kirja pandud informatsioon hoopis teise - valgumolekuli keelde.

TÕLK - GENEETILINE KOOD

Valk koosneb erinevatest aminohapetest. Aminohappeid on kokku 20, seega on valkude järjestuse keel hulga lähem 27 tähe abil kirja pandavale eesti keelele.

Ühest keelest teise tõlkimiseks on vaja koodi - samamoodi kui salakirja tõlkimisel. Geneetiline kood kasutab tõlkimiseks koodoneid.

Koodon on kolmest nukelotiidist (ehk "tähest") koosnev järjestus RNA-l, millele vastab üks aminohape valguahelas. Ribosoom teab, et RNA koodoni GUU alusel tuleb valguahelasse lülitada aminohape valiin, aga näiteks ACA alusel hoopis treoniin.

Loomulikult peab ribosoom teadma ka seda, millisest kohast infot lugema hakata. Kui meil on näiteks RNA järjestus ...GUUACAC..., siis võiks konkreetset alguspunkti teadmata lugeda mitmeti: ...GUU ACA C... või ka ...G UUA CAC... jne.

Esimesel juhul vastaks neile koodonitele aminohappejärjestus valiin-treoniin, teisel juhul aga leutsiin-histidiin. Seetõttu on olemas spetsiaalsed koodonid, mis tähistavad valgusünteesi alguspunkti (ATG,vastav aminohape on metioniin) ja lõpetamiskohta RNA-l (näiteks UGA).

SÕNAST SAAB TEGU

Muidugi on see kood keerulisem kui siin seletatu. On lihtne välja arvutada, et erinevaid kolmetähelisi kombinatsioone neljast tähest on mitte 20, vaid 64. See- tõttu vastab ka ühele aminohappele tavaliselt mitu erinevat koodonit, kusjuures erinevad organismid eelistavad tihti kasutada sama aminohappe jaoks erinevaid koodoneid.

Aga see pole siinkohal oluline. Tähtis on, et geeni ekspressiooni tulemusena moodustatakse DNA-s oleva informatsiooni alusel valk, mis võib läbi viia mitmesuguseid ensüümreaktsioone, moodustada erinevaid keha struktuure jne.

Teiste sõnadega, "sõnast" (tuumas talletatavast informatsioonist) on saanud "tegu" (aktiivne valk).

KUIDAS SAAVUTATAKSE RAKKUDE MITEMEKESISUS?

ERI RAKUD KASUTAVAD ERI GEENE

Nagu eelnevast mäletate, oli teadlastele pikka aega mõistatuseks, kuidas on võimalik samasuguseid geene sisaldavate rakkude suur mitmekesisus. Ainuüksi inimeses on enam kui 200 erinevat rakutüüpi.

Tänased teadmised võimaldavad kinnitada T. H. Morgani hüpoteesi - erinevates rakkudes on tõepoolest kasutusel väga erinevad geenikomplektid, ning mitte üheski rakus ei ole aktiivsed kaugeltki kõik raku geenid. Veelgi enam - üks ja sama rakk võib kasutada oma eluea jooksul erinevaid geenikomplekte.

KUMB ON ENNE - GEEN VÕI VALK?

Erinevad geeni ekspressiooni regulatsioonimehhanismid kindlustavad selle, et kõik vajalikud geenid oleksid aktiivsed ainult õigel ajal ja õiges kohas. Geenide avaldumist saab reguleerida kõigil joonisel näidatud geeni ekspressiooni etappidel.

Näiteks valk hemoglobiini on ainult punastes vererakkudes (erütrotsüütides), müoglobiini aga ainult lihasrakkudes. Teistes rakkudes ei ole vajalikke komponente, et vastavate globiinigeenide transkriptsioon saaks toimuda.

Taolised vajalikud komponendid - transkriptsioonifaktorid - on enamasti ise valgud. Seega tekib omamoodi muna ja kana probleem: kui mingi valgu valmistamiseks on vaja teist valku, siis kust saadakse organismi esimene valk, mis lülitaks sisse järgmiste geenide transkriptsiooni. Ka sellele küsimusele on lahendus leitud: munarakus on ema poolt kaasas mitmeid erinevaid valke, mis sattusid rakku juba siis, kui muna küpses ema organismis. Sellised emalt pärit valgud asuvad geenide ekspressiooni reguleerima kohe, kui toimub munaraku viljastamine. Nemad päästavad valla suurejoonelise molekulaarsete protsesside ahela, mille tulemusena tekib ainsast rakust täiuslik inimene.