Sukupuoli on evoluution tuote

Heidi Viitaniemi tutkii Turun yliopiston genetiikan laitoksella kolmipiikin sukupuolen määräytymisen molekulaarisia mekanismeja.
Heidi Viitaniemi tutkii Turun yliopiston genetiikan laitoksella kolmipiikin sukupuolen määräytymisen molekulaarisia mekanismeja.

– Me saimme kalaa! riemuitsee Heidi Viitaniemi Turun yliopistolta. Tutkijan saalis, neljätoista kolmipiikkiä, on matkalla genetiikan laboratorioon. Siellä selvitetään, mitkä geenit saavat kolmipiikkikoiraan ryhtymään pesänrakennukseen.

Kolmipiikki on yleinen rannikkovesien pikkukala. Koiras, joka huolehtii jälkeläisistään ja houkuttelee naaraita tanssimalla, on jo pitkään ollut käyttäytymistutkimuksen kohteena. Kun kolmipiikin perimän emäsjärjestys avattiin eli sekvensoitiin David M. Kingsleyn laboratoriossa Stanfordissa vuonna 2006, lajista tuli myös hyvin käyttökelpoinen evoluutiotutkimuksen mallieläin.

Turussa tutkitaan erityisesti kolmipiikin sukupuolten evoluutiota. Työtä johtaa Alaskassa, Juneaussa uransa aloittanut akatemiatutkija Erica Leder. Tutkimuksessaan hän on tehnyt merkittäviä löytöjä sukupuoleen sitoutuneista geeneistä ja niiden ominaisuuksien säätelystä.

Evoluution väliasemalla

Luonnosta löytyy laaja kirjo erilaisia sukupuolen määräytymismekanismeja, ja ratkaiseva tekijä voi olla geeni, ympäristötekijät tai näiden yhdistelmä. Esimerkiksi ankeriaan sukupuoleen vaikuttaa ympäristö sekä sosiaalinen verkosto, jossa kala elää. Linnuilla naaraan perimään on kehittynyt ZW-kromosomipari ja koiraalle ZZ. Nisäkkäiden sukupuolievoluutio, joka johti X- ja Y-kromosomeihin, alkoi satoja miljoonia vuosia sitten.

– Myös kolmipiikiltä löytyvät X ja Y, mutta ne kehittyivät vasta äskettäin, joitakin miljoonia vuosia sitten. Ne ovat eräänlainen kehityshistorian välimuoto ja voivat auttaa ymmärtämään myös sitä, miten ihmisen sukupuolet ovat syntyneet, Heidi Viitaniemi selittää.

Kolmipiikin sukupuolikromosomit löydettiin vasta 2008. Kate Piechelin johtamassa seattlelaisessa laboratoriossa havaittiin, että kahden tavalliselta autosomilta näyttävän kromosomin geenijärjestys poikkesi toisistaan. Toinen oli kehittymässä Y:ksi.

– Piechelin ryhmä etsii nyt koirasgeenin tarkkaa paikkaa. Stanfordissa taas avattiin naaraskalan emäsjärjestys eli geneettinen koodi. Me pyrimme avaamaan koiraan perimän ja löytämään sen käyttäytymistä ohjaavat geenit, Leder kertoo.

Roska-DNA:ta ja geenihuoltoa

Jälkeläisiä hoivaava koiras on luonnossa harvinainen. Evoluutio arvottaa ominaisuuksia kuitenkin lajin, ei sukupuolen näkökulmasta.

– Lajin selviytymisen kannalta koiraan ja naaraan kannattaa panostaa jälkeläisiinsä eri tavoilla. Sukupuolikromosomeissa on se etu, että esimerkiksi koiraalle hyödyllisten mutta naaraalle hyödyttömien ominaisuuksien perimä voi säilyä lajin sisällä, tutkijat kuvailevat.

Y:n evoluutio kuljettaa sen pois muiden kromosomien yhteydestä. Yleensä solujen jakautuessa kromosomit letittyvät toistensa lomiin kuin pullapitkon hännät. Näin syntyy uusia geenipareja. Mekanismi varmistaa, että DNA:n virheet voivat korjautua ja haitalliset mutaatiot peittyä toimivan kopion alle. Y-kromosomilla tämä geenien määräaikaishuolto ei enää toimi.

– Y-kromosomin kehittyessä suuri osa geeneistä häviää ja siihen kertyy roska-DNA:ta, joka ei koodaa mitään ominaisuutta. Ihmisen Y:stä suuri osa tästä geneettisestä jätteestäkin on jo hävinnyt, Leder kertoo.

Sammuva X ja hienosäätöä

Sukupuolten ominaisuudet eivät ole pelkkää mekaanista DNA-koodia, vaan geenien ilmenemiseen liittyy monitahoinen säätelyjärjestelmä. Ihmisen Y-kromosomin tärkein tehtävä on käynnistää yksilön kehitys miespuoliseksi. Naisen perimässä on kaksi X-kromosomia, joista toinen inaktivoituu. Näin luonto varmistaa, että X:n geenit eivät ole yliedustettuina naisessa verrattuna miehen perimään, joka sisältää Y:n lisäksi vain yhden X:n.

Leder havaitsi, että kolmipiikkinaaraan X-kromosomin sammutusmekanismi ei ole vielä kehittynyt. Tämän kalan sukupuoleen sitoutuneiden ominaisuuksien ilmenemistä voidaankin kuvailla naaraspainotteiseksi.

– Ilman kolmipiikkiä emme voisi tunnistaa näitä evoluution välivaiheita ja sukupuolten historia jäisi pelkän teorian asteelle, Leder sanoo.

Leder ja Viitaniemi pitävät hyvin todennäköisenä, että kolmipiikin evoluutio kulkee samansuuntaisesti kuin ihmisen ja muiden nisäkkäiden.

– Vielä emme pysty sanomaan, milloin kolmipiikkinaaraan toinen X sammuu ja suuri osa Y-kromosomissa vielä olevista geeneistä häviää, mutta näin todennäköisesti tapahtuu, tutkijat ennustavat.

Geeneistä kokonaisuuksiin

Lisää mielenkiintoa kolmipiikkitutkimukseen tuovat Alaskasta kerätyt näytteet, joita verrataan Suomen rannikon kaloihin.

– Koska populaatiot ovat olleet kauan eristyksissä, on mielenkiintoista nähdä toimivatko niissä lisääntymisaikana samat geenit, vai onko evoluutio löytänyt vaihtoehtoisia teitä. Yksittäiset geenit eivät ole kiinnostavia, vaan se, mikä säätelee niiden ilmenemistä ja mikä lopulta ohjaa eliöiden käyttäytymistä luonnossa, Viitaniemi pohtii.

Tähän yhtyy myös Erica Leder.

– Kun opimme ymmärtämään geenien säätelyjärjestelmiä, ymmärrämme paremmin niitä riskejä, joita esimerkiksi ympäristömuutokseen liittyy. Ymmärrämme myös paremmin oman perimämme historiaa, sitä kokonaisuutta josta omatkin geenimme ovat peräisin.

MARJATTA SIHVONEN

Kolmipiikki on tärkeä, mutta vielä vähän tutkittu pikkukala rannikkovesien ravintoketjussa.
Kolmipiikki on tärkeä, mutta vielä vähän tutkittu pikkukala rannikkovesien ravintoketjussa.
Akatemiatutkija Erica Leder (vas.) ja jatko-opiskelija Heidi Viitaniemi pyrkivät löytämään kolmipiikin koirasgeenin tarkan paikan sen perimässä.
Akatemiatutkija Erica Leder (vas.) ja jatko-opiskelija Heidi Viitaniemi pyrkivät löytämään kolmipiikin koirasgeenin tarkan paikan sen perimässä.