Eläinten yksilönkehityksen geneettisen säätelyn perusteet.

1. 6. Yksilönkehityksen geneettinen säätely
Aihetta käsittelevät videoluentoni ovat osoitteissa:
http://bit.ly/2p08JWY (Osa 1)
http://bit.ly/2p0cyf7 (Osa 2)
6.1 Embryologia (alkionkehitysoppi), taksonomia (luokittelu) ja evolutiikka
(lajinkehitysoppi) ovat toistensa tukitieteitä
Ykköskurssin verkkosivuillani tutustutin sinut siihen, miten yksilönkehityksen vaiheita voidaan
käyttää eläinkunnan luokittelun välineenä. Yksilönkehitys tuottaa anatomiset rakenteet, joihin
luokittelu eli taksonomia suuresti perustuu. Luokittelulla pyritään kuvaamaan eliöryhmien välisiä
evolutiivisia sukulaisuussuhteita.
Tässä kappaleessa tutustumme eläinten yksilönkehitystä nimenomaan solutasolla ohjaaviin
tapahtumiin. Ymmärtääksesi seuraavassa läpikäytävät asiat, sinun kenties kannattaisi
kertausmielessä palauttaa mieleesi edellä mainitsemani ykköskurssin asiat. Samoin suosittelen
kertaavaa katsausta geenien toimintaan eli proteiinisynteesiin, mikäli tämänkin aihepiirin
kohdalla tunnet tiedollista epävarmuutta.
6.2. Solujen välinen viestintä yksilönkehityksen aikana
Onnistuneen yksilönkehityksen edellytyksenä on, että solut pystyvät viestimään toistensa
kanssa. Solusta toiseen siirtyviä viestimolekyylejä kutsutaan ensioläheteiksi.
Tyypillisiä ensiolähettejä ovat hormonit. Nämä ovat umpirauhasten (aivolisäke, käpyrauhanen,
kilpirauhanen, lisäkilpirauhanen, kateenkorva, haima, lisämunuainen ja sukurauhaset) erittämiä
vereen vapautuvia viestimolekyylejä. Useimmiten ensiolähetit ovat rakenteeltaan proteiineja.
On myös rasva-ainerakenteisia ensiolähettejä, esimerkiksi steroidihormonit. Nämäkin
valmistetaan tuottamalla ensin proteiinirakenteisia entsyymejä. Valmistamisessa on siis vain
yksi työvaihe enemmän kuin niiden aineiden, jotka suoraan valmistuvat geenituotteina eli
proteiineina.
Lähinaapuruksina sijaitsevien solujen välistä viestiliikennettä hoitavia molekyylejä kutsutaan
kasvutekijöiksi tai kudoshormoneiksi. Näitä nimityksiä käytetään myös yksilönkehityksen
varhaisimpien vaiheiden (tsygootti, morula, blastula, gastrula, neurula) aikana kehitystä
ohjaavista ensioläheteistä.
Kasvutekijät, kuten ensiolähetit yleensäkin, käynnistävät tai sulkevat geenejä kohdesolujensa
tumassa. Riippuen siitä, mitkä geenit käynnistyvät ja mitkä sulkeutuvat, alkion soluista kehittyy
kaikkia niitä solutyyppejä, joita valmiissa elimistössä tarvitaan.
Yksilönkehityksessä ja solutyyppien erilaistumisessa on siis kyse geenien oikea-aikaisesta ja -
paikkaisesta käynnistämisestä ja sulkemisesta. Jotta tämä olisi mahdollista, geeneissä tulee
olla säätelyosa. Yksi sellainen sijaitsee välittömästi proteiinin rakenneohjeen eli geenin
rakenneosan edessä. Monissa geeneissä säätelyosia on useita ja ne voivat sijaita kaukanakin
geenin rakenneosasta, jopa kokonaan toisessa kromosomissa (kuva 11 tiedostossa ”Karmea
totuus proteiinisynteesistä”).

2. 6.1. Geenien toiminnan säätelemiseen tarvitaan ensiolähettien ja geenien säätelyosien
lisäksi toisiolähettejä ja transkriptiofaktoreita
Ensiolähetit kiinnittyvät yleensä vastaanottajaproteiiniin eli reseptoriin, joka sijaitsee kohdesolun
solukelmulla. Siksi ne eivät itse pääse käsiksi geenien säätelyosiin. Tähän ensiolähetit
tarvitsevat solun sisäisiä viestinviejiä: toisiolähettejä. Myös toisiolähetit ovat tavallisesti
rakenteeltaan proteiineja.
Yleensä ensimmäinen toisiolähetti sijaitsee reseptoriproteiinin välittömässä läheisyydessä solun
sisäpuolella. Ensiolähetin kiinnittyminen reseptoriinsa saa toisiolähetin liikkeelle. Usein
ensimmäinen toisiolähetti aktivoi joukon toisenlaisia toisiolähettejä. Jokainen näistä puolestaan
aktivoi vielä suuremman joukon kolmannen vaiheen toisiolähettejä jne.
Näin jo yksikin ensiolähettimolekyyli voi saada liikkeelle kokonaisen toisiolähettien parven
kohdesolunsa sisällä. Solujen välisen viestinnän yleisperiaate kiteytyy kuvassa 24.
Yksityiskohtaisen katsauksen soluissa tavattavista reseptorityypeistä ja niille ominaisista
toisiolähettijärjestelmistä saat tiedostosta ”Solujen välinen viestintä”.

3. Viimeisenä aktivoituvia toisiolähettejä kutsutaan transkriptiofaktoreiksi (suoraan suomennettuna
“geenien toimintaan vaikuttava tekijä”). Transkriptiofaktorit ovat proteiineja, jotka siirtyvät
tumaan ja kiinnittyvät kohdegeeninsä säätelyosaan. Tämän tuloksena kohdegeeni joko
käynnistyy tai sulkeutuu. Näin käynnistyviä geenejä, jotka vastaavat solujemme arkisesta
hyvinvoinnista, kutsutaan taloudenhoitajageeneiksi. (Kuvat 24 ja 25a)
Yleensä toisiolähettien toiminta kuluttaa ATP:tä. Näin aikaisemmilla biologian kursseilla
oppimamme energia-aineenvaihdunta-asiat tulevat vastaamme myös geenien toiminnan
säätelyssä. Muistutukseksi tästä olen piirtänyt kuvaan 24 myös mitokondrion.
1 = Tämä solu täällä…
2 = tuottaa proteiinia, joka…
3 = on ensiolähetti, joka…
4 = kiinnittyy kohdesolunsa pinnalla
olevaan proteiinirakenteiseen reseptoriin,
joka…
5 = saa liikkeelle toisiolähettimolekyylin,
joka…
6 = aktivoi ATP:n avulla
proteiinirakenteisen transkriptiofaktorin,
joka…
7 = kiinnittyy kohdegeeninsä säätelyosaan
käynnistäen…
8 = geenin rakenneosan, joka…
9 = alkaa tuottaa uutta proteiinia (10)…
…tässä solussa täällä!
mRNA
P
ATP
ADP
P
1
2
3
4
5
6
7
8 ja 9
10
Mitokondrio
DNA
Kasvisolu
Viherhiukk.nen
Tuma
Sokeria Happea
CO2:ta H2O:ta
6. Transkriptio-
faktori
Toisio-
lähetti
Ensiolähetti
Kuva 24. Solujen välinen viestintä
ja sen yhteydet solujen
energiatalouteen
(yhteyttäminen ja soluhengitys).

4. 6.2. Soluun saapuu samanaikaisesti suuri määrä ensiolähettiviestejä eri lähteistä
Soluihin saapuu jatkuvasti ja samanaikaisesti ensiolähettiviestejä useista eri lähteistä. Näitä
voivat lähetellä umpirauhaset hormoneineen, solua ympäröivä soluväliaine (hyvänä esimerkkinä
veriplasma, jossa valkosolut viestittelevät lymfokiinien välityksellä) tai solut, jotka elelevät solun
lähinaapureina. Näin solun sisällä pörisee vilisemällä monien eri ensiolähettien käynnistämiä
toisiolähettijärjestelmiä transkriptiofaktoreineen. (Kuva 25b).
Viestintätilanteen muuttuessa tumaan siirtyvien transkriptiofaktoreidenkin valikoima muuttuu.
Näin eri geenien säätelyosiin muodostuu eri hetkinä erilaisia transkriptiofaktoreiden kertymiä eli
transkriptiokomplekseja. Transkriptiofaktoreiden luokittelusta ja transkriptiokompleksien
rakenteesta on tarkempi katsaus tiedostossa ”Karmea totuus proteiinisynteesistä”.
Transkriptiofaktori (TF)
Taloudenhoitaja-
proteiini
Reseptori
Transkriptiofaktorin (TF)
ulokkeita koodaava osa TF:n selkäpuolta
koodaava osa
2
1 3
Kuva 25a.
Solujen välisessä viestinnässä tarvittavat geenit ja niiden koodaamat
proteiinit
1 = Reseptorin rakennetta koodaava geeni
2 = Transkriptiofaktorigeeni
3 = Taloudenhoitajageeni
Toisesta solusta peräisin oleva
ensiolähetti aktivoi toisiolähettien
(= katkonuoli) välityksellä
transkriptiofaktorin (TF).

5. Kannustukseksesi haluan mainita, että tämä perusmalli toimii kaikessa solujen välisessä
viestinnässä. Opettelemalla nämä käsitteet ja näiden molekyylien keskinäiset vaikutussuhteet
avautuu tiesi modernin biologian hämmästyttävimpiin hienouksiin.
6.3. Transkriptiofaktoreiden rakenne
Transkriptiofaktorit (lyhennettynä TF) ovat proteiineja. Ne ovat syntyneet tavallisen
proteiinisynteesin eli geenien toiminnan tuloksena. Ne jäävät syntysolunsa solulimaan.
Transkriptiofaktoreissa tulee olla muotoja, joiden avulla ne kiinnittyvät DNA-molekyyliin omien
kohdegeeniensä toimintaa säädellessään. Nämä muodot ovat usein raajamaisia ulokkeita
muuten pallomaisen proteiinin kyljessä. Voit kuvitella transkriptiofaktorin nallekarhuksi, joka
roikkuu jalkojensa (ulokkeet) avulla puun rungossa (DNA) (kuvat 25 ja 26).

6. Kuva 26. Transkriptiofaktoreiden synty, rakenne ja
toimintaperiaate. Transkriptiofaktorit ovat geenien
säätelyosiin kiinnittyviä proteiineja.
Transkriptiofaktorin (= TF)
rakennetta koodaava geeni
TF:n kohdegeeni
TF:n
ulokkeet
TF:n
”selkäpuoli”
TF kiinnittyy
kohdegeeninsä
säätelyosaan
ulokeosansa
avulla
DNA
TF
Proteiinien muoto määräytyy sen perusteella, mitä aminohappoja ja missä järjestyksessä ne
sisältävät. Koska transkriptiofaktorit ovat proteiineja, on mahdollista jäljittää niiden rakennetta
koodaavia geenejä. Jäljitystyön tuloksena on havaittu, että eri transkriptiofaktorigeeneissä on
usein samantapaisia emäsjärjestyksiä varsinkin kohdassa, jossa raajamaisten ulokkeiden
rakenneohjeet sijaitsevat.
6.4. Transkriptiofaktoreiden luokittelu
Transkriptiofaktorit voidaan jakaa kahteen ryhmään toiminta-ajankohtansa perusteella (kuva
27). Ensimmäinen ryhmä ovat transkriptiofaktorit, joita tarvitaan yksilönkehityksen ohjaamiseen.
Ne toimivat vain alkionkehityksen aikana. Toisen ryhmän muodostavat sellaiset
transkriptiofaktorit, joita tarvitaan aikuisen yksilön arkielämässä tapahtuvaan solujen väliseen
viestintään.

7. Yksilönkehitystä ohjaavien transkriptiofaktoreiden rakenne on paljastunut tavattoman
samankaltaiseksi yli laji- ja jopa kuntarajojen. Niinpä esimerkiksi banaanikärpäsellä tavataan
joitakin yksilönkehitystä ohjaavia transkriptiofaktoreita, jotka ovat täsmälleen samanlaisia
ihmisen vastaavien kanssa. Näiden faktoreiden geenejä voidaan siirtää ihmisestä
banaanikärpäsen munasoluun ja tuloksena ei ole hedelmöityksen ja alkionkehityksen jälkeen
mikään ”kärpästen herra”, vaan täysin normaali banaanikärpänen.
Erityisen samankaltaisia yksilönkehitystä ohjaavissa transkriptiofaktoreissa ovat DNA:han
kiinnittymiseen tarvittavien ulokkeiden aminohappojaksot. Monissa eri transkriptiofaktoreissa
jakso on paljastunut 180 nukleotidin (vierekkäisen emäksen) mittaiseksi. Erityislaatuisuutensa
vuoksi jaksolle on annettu nimi Homeobox (kuvat 25 ja 26). Jakson sisältäviä proteiineja
kutsutaan ryhmänimellä Homeobox-proteiinit. Niiden rakennetta koodaavia geenejä kutsutaan
Homeobox-geeneiksi. Geeneissä olevaa Homeobox-jaksoa voidaan kutsua myös Homeo-
sekvenssiksi.
6.5. Homeobox-geenit ja lajien kehityshistoria
Koska Homeobox-geenit ovat hyvin samankaltaisia läpi koko eläinkunnan, voidaan niitä käyttää
lajien evoluutiohistorian päättelemiseen. Jos kahdella nykyisin elävällä lajilla on täsmälleen
1-vaiheen transkriptiofaktori-geenit,
jotka toimivat emon munarauhasen
soluissa, tuottavat…
…proteiineja (TF:iä), jotka
käynnistävät…
…2-vaiheen transkriptiofaktori-geenit,
jotka tuottavat…
…proteiineja (TF:iä), jotka
käynnistävät…
…taloudenhoitajageenit, jotka
tuottavat…
…taloudenhoidossa tarvittavia
proteiineja...
Nämä ohjaavat
valmiin yksilön
elämää
Nämä ohjaavat
yksilönkehitystä
….erilaisiin tarkoituksiin soluissa.
Kuva 27. Transkriptiofaktoreiden luokittelu
toiminta-ajankohdan perusteella.

8. samoja Homeobox-geenejä, voidaan päätellä, että kyseiset geenit ovat syntyneet jo lajien
yhteisessä kantamuodossa.
Homeobox-geenien rakennetta vertaamalla on havaittu, että banaanikärpäsellä ja eräällä
sammakkolajilla on peräti kuusi täysin samaa Homeobox-geeniä. Esimerkiksi sydämen,
hermoston ja jaokkeiden syntyä ohjaavat geenit ovat hyvin samantapaisia, vaikka
sammakkoeläimillä ja hyönteisillä kyseiset elimistön osat ovat hyvin erilaisia. Mainittujen kahden
lajin yhteinen kantamuoto on elänyt Kambrikaudella n. 600 miljoonaa vuotta sitten, joten on
todennäköistä, että jo sen yksilönkehitystä ovat ohjanneet samaiset geenit (kuva 28).
Kuuden samanlaisen homeobox-geenin on täytynyt
olla olemassa jo banaanikärpästen ja sammakoiden
yhteisellä kantamuodolla kambrikaudella.
Deuterostomaatit
Protostomaatit
Banaanikärpänen
Sammakko
Kuusi samanlaista
Hox-geeniä
Nykyaika
Siluuri
Ordoviki
Kuva 28. Homeobox-geenit lajien välisten
evolutiivisten suhteiden päättelemisessä.
Kambri
Merivuokko on säteittäissymmetrinen meduusojen sukulainen. Se kököttää paikallaan pohjassa
koko elämänsä ajan. Kuten kaikille säteittäissymmetrisille, sillekin kehittyy vain kaksi
alkiokerrosta. Kaikesta huolimatta merivuokollakin on jo monta Homeobox-geeniä, jotka
määräävät esimerkiksi ylä-alapuoli-akselin “koordinaatit”.
6.6. Yksilönkehityksen geneettisen säätelyn nykyinen malli on yllättävän vanhaa perua
Edellä kuvattuun tapaan lajeja ja lajipareja tutkimalla on päädytty tulokseen, että eläinten
yksilönkehityksen perusmalli on syntynyt Kambrikaudella. Evoluutiotutkijat puhuvat usein
Kambrin lajistoräjähdyksestä. Tällä viitataan fossiilien runsauteen kyseisellä aikakaudella
syntyneissä kivilajikerrostumissa.
Kambrin lajistoräjähdyksen syynä on yleensä pidetty kovakuoristen eläinten kehittymistä.
Tämän taas katsotaan ilmentävän petomaisen elämäntavan syntymistä. Voi kuitenkin olla, että
lajistoräjähdys on nimenomaan johtunut muunteluun hyvin sopineen yksilönkehitystavan,
Homeobox-geenien, synnystä.

9. 6.7. Geenien toiminnan säätely yksilönkehityksen aikana
Seuraavaksi tutustumme yksilönkehityksen aikaisiin tapahtumiin solu- ja alkiotasolla. Asian
ymmärtämistä helpottaaksemme tulemme käymään läpi samoja tapahtumia monesta eri
näkökulmasta.
Yksilönkehityksen aikana alkioon muodostuu transkriptiofaktoreista väkevyysasteikkoja, jotka
toimivat paikanmäärityskoordinaatteina alkion eri osissa oleville soluille. Väkevyysasteikoista
ensimmäinen ja tärkein määrää, mihin syntyy kehittyvän yksilön etu- ja takapää. Estämällä
tämän asteikon normaali syntyminen voidaan tuottaa banaanikärpäsiä, joilla on kaksi takapäätä.
Eräissä kokeissa kärpäsille on saatu syntymään yksi ylimääräinen keskivartalo ja ylimääräinen
pari siipiä. Tuntosarvien tilalle keskelle päätä saadaan kasvamaan jalat. On jopa onnistuttu
tuottamaan kokonaan päättömiä hiiriä. Yhteistä kaikille edellisille tapauksille on, että oikea
rakenne on syntynyt (tai jäänyt kokonaan syntymättä) väärään paikkaan. Löydät netistä
esimerkkejä edellä mainituista kummallisuuksista laittamalla hakupalvelimeesi hakusanan
”homeotic mutations” ja etsimällä aiheesta kuvia.
6.8. Etu-taka-napaisuuden määräävän väkevyysasteikon synty
Etu-takanapaisuuden määräävä transkriptiofaktori tuntee selkärangattomilla nimen Bicoid.
Selkärankaisilla saman asteikon muodostava transkriptiofaktori on nimeltään Goosecoid.
Munasolu kypsyy munarauhasen pinnalla. Kypsymistä ohjaavat ns. seurasolut (nurse cells).
Seurasolut erittävät munasoluun Bicoidin rakennetta koodaavia lähetti-RNA-molekyylejä (kuva
29).
Se puoli kypsyvästä munasolusta, joka osoittaa seurasoluihin päin, saa osakseen runsaasti
Bicoid-lähetti-RNA-molekyylejä. Munasolun vastakkaiselle puolelle Bicoid-lähetti-RNA:ta kertyy
vain vähän. Munasolun sisälle muodostuu siis Bicoid-väkevyysasteikko.

10. Munasolun
tuma
Kypsyvää munasolua ravitsevat solut
(tuottavat munasolun toiseen päähän
Bicoid-proteiinin rakennetta
koodaavaa mRNA:ta).
Munarakkulan
pinnalla olevat
solut
Kypsyvä munasolu
Banaani-
kärpäsen
munarauhanen
Kuva 29. Bicoid-väkevyysasteikon
muodostuminen kypsyvän munasolun
sisälle banaanikärpäsellä.
Kun munasolu hedelmöityksen jälkeen alkaa jakautua, jatkaa väkevyysasteikko
olemassaoloaan myös kasvavassa alkiossa (kuvat 30 sekä 31a ja b). Bicoid-pitoisuus (aluksi
mRNA-pitoisuus, myöhemmin proteiinipitoisuus) määrää paikan, johon gastrulaation aloittava
alkusuu syntyy. Etu-takanapaisuus määräytyy siis jo ennen hedelmöitystä munasolun
kypsyessä emon munanrauhasen pinnalla.
Samalla tavalla kuin etu-taka-napaisuus, määräytyy myös alkion selkä-vatsa-napaisuus. Asialla
ovat vain toisen nimiset transkriptiofaktorit (niitä on nimittäin kaksi). Jos asia alkaa kiinnostaa,
näpyttele hakupalvelimeesi samanaikaisesti sanat dorsal ja cactus. Varaudu kuitenkin siihen,
että selkä-vatsa-akselin määräytyminen on huomattavasti etu-taka-napaisuutta
monimutkaisempaa.
6.9. Bicoid-proteiinin vaikutus kohdesolujensa geenien toimintaan
Bicoid-pitoisuus määrää, mitkä geenit kussakin alkion solussa alkavat toimia. Bicoid kiinnittyy
sellaisten geenien promoottoriosiin (ja / tai enhansereihin tai silensereihin), joissa esiintyy
emäsjärjestys: 5´-TCTAATCCC-3´. Bicoidia sitova emäsjärjestys voi toistua promoottoriosassa
useita kertoja peräkkäin.
Geenien herkkyys Bicoid-proteiinien määrälle vaihtelee. Eräät geenit alkavat toimia vasta, kun
promoottorin jokaisessa 5´-TCTAATCCC-3´ kohdassa on Bicoid-proteiini. Jonkin toisen geenin
käynnistymiseen tarvitaan esimerkiksi vain kolme Bicoid-proteiinia ja jonkin kolmannen
käynnistymiseen riittää jo yksikin Bicoid-proteiini (kuva 30).

11. Luomme vielä katsauksen transkriptiofaktoreiden toimintaan alkion ja yksilön elämän eri
vaiheissa. Kuvassa 27 jo totesimmekin, että alkionkehitystä ohjaavat transkriptiofaktorit
voidaan jakaa toiminta-ajankohtansa perusteella kahteen pääryhmään: 1-, ja 2-vaiheen
transkriptiofaktoreihin. Lisäksi kaaviossa esiintyi taloudenhoitajiksi kutsumiani geenejä ja
proteiineja. Perimmiltään tämä jako on epätäydellinen, sillä oikeasti yksilönkehitykseen sisältyy
huomattavan monia peräkkäisiä kehitysvaiheita. Yksinkertaistava käsittelytapa kuitenkin
helpottaa asian perusluonteen ymmärtämistä.
Bicoid-molekyylien lukumäärästä riippuu, mitä yksilönkehitystä ohjaavia toisen vaiheen
transkriptiofaktoreita soluun muodostuu (kuva 31 a). Nämä taas määräävät, mitkä
taloudenhoitajageenit kyseisessä solussa myöhemmin käynnistyvät.
5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´….5´- TCTAATCCC-3´…
Geenin rakenneosa
Promoottorissa toistuvia emäsjärjestyksiä, jotka Bicoid tunnistaa
(=Bicoid binding sites)
Kuva 30.
Väkevyysasteikoihin perustuva geenien säätelyn perusmalli.
Bicoid-proteiini

12. Alla olevassa kuvasarjassa 31 b esitän saman tapahtuman yhtä aikaa sekä koko alkion että
siinä olevien yksittäisten solujen näkökulmasta.
Kuva 31 a. Gastrulaation jälkeen jokainen alkion sisältämä jaoke koostuu useista sadoista
soluista. Se, miten runsaasti Bicoidia (= kuvassa olevat E-kirjaimen muotoiset symbolit) kussakin
solussa on, määrää, millaisia toisen vaiheen transkriptiofaktoreita (= risti, vinosuunnikas,
kuusikulmio jne. ) soluun syntyy.
Kun solu gastrulaation jälkeen saa kudoshormoniviestejä ympäristöstään, toisen vaiheen TF-
valikoimasta riippuu, mitkä taloudenhoitajageenit solussa käynnistyvät. Näin solu saa lopullisen
identiteettinsä kehittyen esim. hermo-, iho, luu- tai lihassoluksi.
Alkion peräpää
- vähän Bicoidia (= mustat
pisteet yläkuvassa ja E-
kirjaimen muotoiset symbolit
alakuvassa)
Alkion etupää
- paljon Bicoidia
(mustat pisteet
yläkuvassa ja E-
kirjaimen muotoiset
symbolit alakuvassa)
Alkion peräpäässä oleva
yksittäinen solu.
Alkion etupäässä oleva
yksittäinen solu.

14. Alla (kuva 32), varmuuden välttämisen ehkäisemisen eliminoimiseksi, pikkuisen samantapainen
esitys vielä kerran koko alkion näkökulmasta.

15. Munasolu
Morula
Blastula
Gastrulaatio
Gastrula
Neurula
Tsygootti
Hedelmöitys
Elinten synty,
jaokkeellinen
ruumiinrakenne
Valmis yksilö
1. Bicoid-asteikon synty
emon munasolun sisälle
2. Bicoid-proteiinit kiinnittyvät toisen vaiheen TF:iä
koodaavien geenien säätelyosiin → toisen vaiheen
transkriptiofaktoreita alkaa syntyä
3. Alkusuun paikka
määräytyy Bicoid-asteikon
perusteella
4. Hormonaalista viestintää
eli induktioita tapahtuu
alkiokerrosten välillä
5. Toisen vaiheen TF:ät
kiinnittyvät kohdegeeniensä
säätelyosiin, alkio saa
jaokkeelllisen rakenteen.
6. Taloudenhoitaja-geenien
toiminta alkaa.
Munarauhanen
Munasolu
Kuva 32. Bicoid-
väkevyysasteikon
vaikutusperiaate koko alkion
näkökulmasta.

16. 6.10. Bithorax- ja Antennapedia-geeniryhmät esimerkkeinä toisen (tai oikeastaan
viidennen) vaiheen transkriptiofaktorigeenien toiminnasta banaanikärpäsillä
Bithorax- ja Antennapedia-geeniryhmiä kutsutaan nimellä homeoottiset geenit. Nämä
Homeobox-geenit löydettiin ihan ensimmäisinä ja niistä alettiin käyttää lyhennettä Hox-geenit.
Kaikissa Hox-geeneissä (siis Bithorax- ja Antennapedia-geeniryhmissä) on homeobox-jakso.
Mutta kaikki homeobox-jaksoja sisältävät geenit eivät ole Hox-geenejä (esimerkiksi Bicoid ja
Goosecoid-geenissä on homeobox-jakso, mutta niistä ei käytetä lyhennettä Hox).
Tämä on vähän hassua sikäli, että ilman muutahan sitä voisi luulla, että Hox olisi vain näppärä
lyhenne sanalle Homeobox. Mutta näin ei ole. Historiallisista syistä lyhenne Hox pyhitettiin vain
Bithorax- ja Antennapedia-geeniryhmän geeneille. Tässä vastaava esimerkki: Kuorma-autot
ovat autoja, mutta kaikki autot eivät ole kuorma-autoja.
Seuraavassa esittelen Homeobox-geenien toimintatapaa käyttäen havaintoesimerkkinä ns.
homeoottisia mutaatioita. Kuten tekstin alkupuolella mainitsin, niille on tyypillistä, että
oikeanlaisia rakenteita ilmaantuu väärään paikkaan (esim. kuva 34).
6.10.1. Antennapedia-geeniryhmä
Hyönteisten ruumis koostuu kolmesta osasta. Nämä ovat pää, keskiruumis ja takaruumis (kuva
33).
Antennapedia-geenejä on yhteensä viisi: Lab, Pb, Dfd, Scr ja Antp. Nämä geenit vastaavat
alkion etupäässä olevien solujen erilaistumisesta. Luettelossa ensimmäisenä oleva geeni
vastaa äärimmäisen etupään ja viimeisenä oleva keskiruumiin etuosaan kuuluvien solujen
erilaistumisesta. Kolme keskimmäistä geeniä vastaa kukin omasta vyöhykkeestään alkion pään
ja keskiruumiin etuosan alueella.
Antennapedia-geenit koodaavat toisen vaiheen transkriptiofaktorien rakennetta (kuva 34).
Pää Keskiruumis Takaruumis
Kuva 33. Hyönteisen perusrakenne

17. Viidennen jaokkeen alueelle ominainen
Bicoid-proteiinipitoisuus käynnistää …..
….Antennapedia-nimisen homeobox-geenin.
Geenin koodaama Antennapedia-proteiini
käynnistää soluissa…
…keskimmäisen jalkaparin syntyyn tarvittavien
taloudenhoitajageenien toimintaryöpyn eli…
… raaja-
geeni 1 ON
… raaja-
geeni 2 ON
… jne… … esim. silmä-
geenit OFF
Kukin homeobox-proteiini
vaikuttaa eri tavoin eri
kohdegeeneihin.
Tuloksena raajat.
Kuva 34. Homeobox-geenien ja –proteiinien
toimintaperiaate.
6.10.2. Bithorax-geeniryhmä
Bithorax on Antennapedia-geeniryhmän tapaan toimiva toinen kuuluisa geenien joukko. Myös
Bithorax –geenit koodaavat toisen vaiheen transkriptiofaktoreiden rakennetta. Nämä geenit
ilmenevät alkion keskiruumiin takaosassa ja takaruumiin alueella.
Bithorax-geenejä on yhteensä kolme: Ultrabithorax, Abdominal-A ja Abdominal-B.
Ensimmäinen geeneistä ohjaa alkion keskiruumiin takaosaan päätyvien solujen erilaistumista.
Toinen geeneistä ohjaa takaruumiin etuosaan päätyvien solujen kehitystä ja kolmas ohjaa
kehitystä alkion äärimmäisen takapään muodostavissa soluissa.
6.10.3. Antennapedia ja Bithorax-geenien sijainti banaanikärpäsen kromosomistossa

18. Kukin Bithorax- ja Antennapedia-geeni aloittaa toimintansa samanaikaisesti, mutta siis alkion eri
osissa. Geenit sijaitsevat kaikki samassa vastinkromosomissa vieläpä samassa peräkkäisessä
järjestyksessä kuin on niiden tuleva ilmenemisjärjestys alkion peräkkäisissä osissa (kuva 35).
Kun Bithorax-geeneissä tapahtuu mutaatioita, ne aiheuttavat tavallisesti muutoksia, jotka
ilmenevät kehittyvän alkion takaruumiin alueella. Antennapedia-geeneissä tapahtuvat mutaatiot
aiheuttavat kehityshäiriöitä alkion pään ja keskiruumiin etuosan alueella.
Antennapedia- ja Bithorax-geenien toiminta käynnistyy alkujaan Bicoid-proteiinin vaikutuksesta.
Tämän vaikutussuhteen toiminnassa on neljä erilaista virhemahdollisuutta (kuva 36).
Ubx Abd-A Abd-B
Kehityksen alkuvaiheen aikana jokainen alkion sisältämä
jaoke koostuu useista kymmenistä soluista.
Kuva 35. Antennapedia ja Bithorax-
geeniryhmään kuuluvien geenien
ilmenemispaikat alkion eri osissa.
Antp
Scr
Dfd
Pb
lab
Takapää
Etupää

19. 6.10.4. Raajasilmujen kehitys selkärankaisilla
Selkärankaisilla myös raajojen kehitys perustuu Homeobox-geenien tuottamiin
väkevyysasteikoihin. Raaja alkaa muodostua silmumaisena pullistumana, joka ilmestyy alkujaan
makkaramaisen alkion kylkeen. Raajasilmujen poikkileikkauksia tutkimalla on havaittu, että
niiden kehittymisen aloittaa kaksi homeobox-geeniä. Toinen geeneistä toimii soluissa, jotka ovat
silmun pyrstönpuoleisella laidalla (= posteriorisesti), toinen taas soluissa, jotka ovat silmun
päänpuoleisella laidalla (= anteriorisesti). Näin silmun vastakkaisille laidoille muodostuu erilaiset
pitoisuudet kyseisten geenien tuottamia proteiineja. Kahden eri proteiinin väkevyysasteikoiden
yhteisvaikutuksena jokainen silmun alueella oleva solu saa tietää tarkan sijaintinsa silmun
alueella. Näin peukalo syntyy raajan etupuolelle ja kyynerpää takapuolelle.
On todettu, että täsmälleen samat Homeobox-geenit säätelevät raajojen kehitystä kaikissa
selkärankaisryhmissä, myös kaloilla (eviä voidaan pitää kalojen raajoina). Havainto tukee
teoriaa, jonka mukaan kaikkien selkärankaisten raajat olisivat samaa kehityshistoriallista
alkuperää.
6.10.5. Jos kiinnostaa, niin…
Proteiinin rakennetta koodaava alue
DNA
Enhan-
seri
Enhan-
seri
Mikä tahansa Antp- tai Bith-geeneistä
Promoottori
Promoottori
1. Väärä emäsjärjestys Antennapedia- tai
Bithorax-geenien säätelyalueissa estää Bicoid-
proteiinin kiinnittymisen niihin.
2. Bicoid-proteiinin virheellinen rakenne estää
sen kiinnittymisen Antp- ja Bith-geenien
säätelyalueisiin.
4. Väärä emäsjärjestys proteiinien rakennetta koodaavassa geenin
osassa tuottaa toimintakyvyttömiä Antp- tai Bith–proteiineja.
Virheelliset proteiinit eivät voi kiinnittyä taloudenhoitajageenien
säätelyalueisiin. Tällöin taloudenhoitajageenit eivät käynnisty ja
solujen erilaistuminen keskeytyy.
Kuva 36. Antennapedia- ja Bithorax-geeniryhmien toiminnassa
ilmenevien häiriöiden mahdolliset syntymekanismit.
3. Väärä Bicoid-proteiinien pitoisuus estää
säätelyalueiden kunnollisen toiminnan.

20. Kuten aikaisemmin mainitsin, on edellä käyttämäni luokittelu 1-vaiheen, 2-vaiheen ja
taloudenhoitajageeneihin lievästi yksinkertaistava. Tosiasiassa yksilönkehitys tapahtuu ainakin
viidessä eri vaiheessa. Kunkin vaiheen aikana kehityksestä vastaa tietty homeobox-geenien
joukko. Tehtävänsä hoidettuaan nämä taas puolestaan käynnistävät seuraavassa vaiheessa
tarvittavien geenien toiminnan. Geenien ryhmänimet ja geeneistä kuuluisimmat olen koonnut
alla olevaan taulukkoon (Kuva 37).
Banaanikärpäsellä kehitys etenee seuraavasti (Kuva 38):
1. Munasolun seurasoluissa toimivat Maternal effect –geenit (= ”emovaikutusgeenit”)
muodostavat kypsyvään munasoluun alkion etu-taka-, selkä-vatsa-, vasen-oikea-
napaisuuden määrittelevät väkevyysasteikot.
2. Alkion omissa soluissa ns. GAP-geenit aloittavat toimintansa. Näistä ensimmäisenä
aktivoituu Hunchback ja se tuottaa alkioon uuden väkevyysasteikon. Asteikon perusteella
alkioon muodostuu kolme poikittaista, osin päällekkäistä vyöhykettä, joissa kussakin
käynnistyy oma GAP-geeninsä.
3. GAP-geenien tuottamat proteiiniasteikot käynnistävät puolestaan seuraavassa vaiheessa
ns. Pair rule –geenit. Pair rule –geenien toiminta jakaa alkion seitsemään poikittaiseen
vyöhykkeeseen. Näiden määräämiltä kohdilta alkio alkaa muuttua vaikkapa
kastemadoista tutulla tavalla jaokkeelliseksi.
4. Pair rule –geenien tuottamat proteiinit käynnistävät puolestaan jaokkeiden etu-taka-
napaisuuteen vaikuttavat Segment polarity –geenit. Näiden tuottamat proteiinit ja
mRNA-molekyylit jakavat alkion 14 poikittaiseen vyöhykkeeseen, joista kustakin syntyy
yksi jaoke lopulliseen hyönteiseen.
Maternal
effect
genes
Bicoid
Dorsal
Cactus
Nanos
Oskar
Staufen
Caudal
Pumillo
GAP
genes
Pair rule
genes
Segment
polarity
genes
HOX-
genes
Krüppel
Hunchback
Giant
Tailless
Knirps
Even skipped
Fushi tarazu
Sloppy paired
Hairy
Engrailed
Wingless
Hedgehog
Gooseberry
Antennapedia-
ryhmä (5 geeniä)
Bithorax-ryhmä (3
geeniä)
Kuva 37. Yksilönkehitystä ohjaavien geenien ryhmänimet ja
aktivaatiojärjestys sekä esimerkkigeenejä kunkin ryhmän
edustajista. Perinjuurin syvällistä tietoa aiheesta on osoitteissa:
http://ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/D_m_segment_l.ht
ml
http://courses.biology.utah.edu/bastiani/3230/DB%20Lecture/Lect
ures/Lec9FlyZygotic.html

21. 5. Samanaikaisesti kaiken edellä luetellun kanssa Maternal effect, GAP-, Pair rule ja
Segment polarity –geenit säätelevät meille jo aikaisemmin tutuksi tulleita Bithorax- ja
Antennapedia-geeniperheitä (yhteisnimeltään homeoottiset geenit tai Hox-geenit).
Nämä viimeistelevät kehityksen oikeanlaiseksi kunkin erillisen jaokkeen alueella.
1. Emovaikutusgeenit
(mm. Bicoid)
2. Hunchback-
proteiiniasteikko
3. GAP-geenit
4. Pair rule -geenit
5. Homeoottiset geenit
(Antennapedia ja
Bithorax) eli Hox-geenit
5. Segment polarity -
geenit
Kuva 38. Yksilönkehitystä ohjaavien geenien toimintajärjestys
banaanikärpäsalkiossa.

22. Peräpää
Etupää
Proteiinien
määrä
NANOS
BICOID
Kuva 39. Bicoidin ja Nanosin määrä alkion pituusakselin eri osissa
kehityksen varhaisimpien vaiheiden aikana.

23. Peräpää
Etupää
Proteiinien
määrä
NANOS
HUNCHBACK 1
Kuva 40. Hunchbackin ja Nanosin määrä alkion pituusakselin eri osissa
seuraavan kehitysvaiheen aikana. Nanos-proteiinit kiinnittyvät
Hunchbackin mRNA-molekyyleihin ja estävät niiden translaation alkion
peräpäähän kuuluvissa soluissa.
Siksi alkujaan tasaisesti esiintyvä Hunchback-mRNA (HUNCHBACK 1)
tuottaa proteiinia vain alkion etupäähän kuuluvissa soluissa ja
Hunchback vähenee peräpäähän päin (HUNCHBACK 2).
HUNCHBACK 2

24. Kuva 41. Hunchback käynnistää GAP-geenit alkion pituusakselin eri osissa.
Se, mitkä GAP-geenit (esim. GIANT, KRÜPPEL ja KNIRPS) missäkin
soluissa käynnistyvät, määräytyy Hunchback-pitoisuuden perusteella: GIANT
vaatii käynnistyäkseen korkean Hunchback-pitoisuuden, Knirpsin riittää
käynnistämään jo vähäinenkin Hunchbackin määrä.
Peräpää
Etupää
Proteiinien
määrä
HUNCHBACK
GIANT
KRÜPPEL
KNIRPS

25. Edellä esitettyjen perustietojen avulla sinulla on jonkinmoiset valmiudet jatkossa myös
itsenäisesti tutustua yksilönkehityksen geneettistä säätelyä käsittelevään kirjallisuutteen. Usein
tällaisten kirjojen kannessa lukee esim. sanat Developmental Biology tai Embryology. Onnea
matkaan!
Kuva 42. Seuraavassa vaiheessa käynnistyvät Pair rule –geenit. Se, missä
alkion osissa mikäkin Pair rule –geeni käynnistyy, määräytyy GAP-geenien
toimintavyöhykkeiden päällekkäisyyksien perusteella (viivoitukset ja
aaltosulut).
Peräpää
Etupää
Proteiinien
määrä
HUNCHBACK
GIANT
KRÜPPEL
KNIRPS
Eri PAIR RULE –geenien
toimintavyöhykkeet