Epigenetiikka eli miten ympäristö muokkaa perimäämme

Tämä artikkeli julkaistiin Springeri-lehdessä 1/2018. 

Marraskuun kalseuteen tuli koiraihmisille hieman valoa, kun Nokialla järjestettiin jalostusneuvojien jatkokurssi aiheena koirien luonne ja käyttäytyminen. Marjukka Kotirannan kanssa osallistuimme jo perinteeksi muodostuneille jalostusneuvojien päiville. Viikonloppuun oli mahdutettu monta loistavaa luentoa, joita olisi kuunnellut pidempäänkin. Tässä artikkelissa paneudutaan näistä kahteen eli Kirsi Sainion ja Katariinan Tiiran puheisiin aiheinaan uusi tieteenala epigenetiikka.

DNA – elämän puheoperaattori

Kuten aina geeneistä ja perinnöllisyydestä puhuttaessa on syytä hieman kerrata perusteita. Kaikki geenit niin ihmisessä kuin koirassakin on sijaitsevat DNA:ssa, jota voidaan hyvällä syyllä kutsua elämän puheoperattoriksi. Koiran DNA eli deoksiribonukleiinihappo koostuu noin 2,5 miljardista emäsparista. Kukin koira perii toisen emäspareista isältään ja toisen emältään ja ne kiinnittyvät toisiinsa vetysidoksin, mutta ainoastaan A – T (adeniini – tymiini) ja C – G (sytosiini – guaniini) voivat muodostaa parit keskenään, koska A – T kytkeytyvät toisiinsa kahdella ja C – G kolmella vetysidoksella. Nämä emäsparit muodostavat pitkän ketjun, josta muodostuu monelle oppikirjoista tuttu kierteinen kaksoishelix.

Koiralla on 19 300 geeniä, joista jokainen koodaa emäsjärjestyksensä perusteella yhden tai useampia proteiineja. Geenejä voidaankin verrata keittokirjoihin, jotka sisältävät proteiinien reseptit. Proteiinit eli valkuaisaineet ovat yksi elimistön perusaineista toimien entsyymeinä, signaalin välittäjinä ja vastaanottajina, rakennusaineina jne. Esimerkiksi solut ja soluväliaine koostuvat tuhansista erilaisista proteiineista. Jos jokin resepti muuttuu, voi proteiinin puuttuminen tai muuttuminen muuttaa koko rakennetta. 

Sikiökehityksen jälkeen osa resepteistä laitetaan ”kirjaston hyllyyn” odottamaan. Esimerkiksi kiiman kierron aikana tai immuunipuolustuksen aktivoituessa valmistetaan eri proteiineja kuin muutoin.

Mikä sitten säätelee mitä geenejä genomista luetaan? Tähän vaikuttaa transkriptio eli geenien luenta, joka toimii ketjureaktiona ja jota transkriptiotekijä aktivoi. Perimä siis vaikuttaa siihen, mitä geenejä on luettavissa ja mitä proteiineja ne tuottavat. 

DNA voidaan ”leimata”, jolloin sen toimintaa voidaan hiljentää tai herättää. Se toimii ikään kuin volyyminappina, joka säätelee millä voimakkuudella geeni toimii. Tätä kutsutaan epigenomiksi eli silloin geneettinen epigeneesi säätelee fenotyyppiä. Toisin sanoen ympäristö vaikuttaa geenien luentaan ja nämä muutokset näkyvät yksilössä itsessään ja voivat periytyä myös seuraaville sukupolville. Epigeneettiset muutokset voivat vaikuttaa ulkonäköön, käyttäytymiseen tai ilmetä sairauksina. 

Toisinaan pätkä kromosomia voi katketa ja jossain tapauksessa geenimutaatio voi vaikuttaa eri tavoin riippuen siitä onko se peritty isältä vai äidiltä. Tästä esimerkkinä on ihmisillä kromosomissa 15 ilmenevä geenivirhe, joka isältä perittynä aiheuttaa Prader-Willin oireyhtymän. Nämä ihmiset kärsivät kielellisistä ja motorisista häiriöistä ja ovat useimmiten ylipainoisia.  Äidiltä perittynä lapset sairastavat Angelmanin oireyhtymää piirteinään vaikea henkinen vajaakehitys, he eivät opi puhumaan, mutta ovat käytökseltään iloisia.

Epigeneettiset muutokset

DNA-rihma on pakattu tiukasti histoniproteiinin ympärille muodostaen kromosomin. Jotta DNA voidaan kopioida, tulee se ensin avata. Tähänkin sopii vertaus kirjasta, joka tulee avata ennen kuin sitä voidaan lukea.

Kromosomin paukkausta voidaan siis löysentää tai kiristää. Geeni voidaan aktivoida, jolloin sytosiinin metylaatio puretaan ja samalla tapahtuu histoniproteiinin asetylaatio. Vastaavasti geeni voidaan hiljentää, jolloin tapahtuu sytosiinin metylaatio ja histoproteiinin asetylaation poisto. Metylaatiossa metyyliryhmä (-CH₃) kiinnittyy sytosiiniin. Tämä geenien aktivoituminen ja hiljentyminen periytyvät myös sukupolvelta toiselle ja siksi puhutaan epigenetiikasta.

Kuvan lähde: https://en.wikipedia.org/wiki/Epigenetics

Erityisesti ravinnosta saatavien vitamiinien on todettu vaikuttavan tähän metylaatioon. B-ryhmän vitamiinit kuten folaatit, koliini ja betaiini vaikuttavat suoraan metylaation lisääntymiseen eli geenien hiljentymiseen. Osan geeneistä (esimerkiksi juuri sikiön kehitykseen vaikuttavien geenien) tulisi olla koko elämän hiljentyneinä. Jos ne avautuvat myöhemmin, aiheuttavat ne sairauksia kuten syöpää.

Mielenkiintoinen esimerkki on agouti-värin epigeneettinen periytyminen hiirillä. Samassa pentueessa värivaihtelua voi olla vaaleasta ruskeaan. Agouti-geenin aktiivisuudesta riippuen väri vaihtelee feomelaniinista johtuvan keltaisen ja eumelaniinista johtuvan mustan värin vaihdellessa samassa karvassa raitoina. Karvan kärki on normaalisti musta, mutta karvassa on vaaleampia raitoja kuten huskeilla. Vaaleilla yksilöillä agouti-alleeli on koko päällä, kun taas tummemmilla geeni on vuoron perään päällä ja pois päältä. 

Tätä väritystä on pystytty säätelemään emän ravinnon avulla. Kun emälle annettiin tyroestrogeeniä ja muita DNA:n metylointia haittaavia aineita, saatiin agouti-alleeli pidettyä koko ajan päällä. Poikaset olivat keltaisia ja niillä lisääntyi taipumus ylipainoon ja diabetekseen. Tavallisilla tummilla poikasilla näitä ongelmia ei ilmennyt. Kun vaalean yksilön agouti-alleeli taas hiljennettiin ruokinnan avulla, se tervehtyi ja tummui. Koirilla epigenetiikan vaikutusta tutkitaan esimerkiksi metabolomiikan saralla, jolloin tutkitaan miten ruokinta vaikuttaa genomiin. Näistä tutkimuksista on ollut juttua muun muassa Springeri-lehdessä 1/2017 ja epigenetiikasta voi lukea lisää Springeri-lehdestä 1/2016.

Agouti-värisistä hiiristä voi lukea lisää täältä.

Epigenetiikan vaikutus käyttäytymiseen

Aiemmin yksilön elinaikana tapahtuneiden geneettisten muutosten oletettiin pyyhkiytyvän pois meioosin eli solujakautumisen aikana, mutta näin ei täysin tapahdukaan.

Katariina Tiira kertoi luennollaan tutkimuksista, joita on tehty epigenetiikasta liittyen käyttäytymiseen. Useimmat näistä tutkimuksista on tehty hiirillä tai rotilla ja osa ihmisillä. Samat prosessit toimivat kuitenkin kaikilla nisäkkäillä. Onkin uskomatonta, kuinka emon hoiva, stressi, ruokinta, ympäristömyrkyt ja liikunta voivat vaikuttaa paitsi yksilöön myös niiden jälkeläisiin useammassa polvessa. Useimmiten geenien säätelyn muuttuminen periytyy sitä helpommin, mitä nuorempana se tapahtuu.

Emon hoivan vaikutus

Nisäkkäillä on luonnostaan erilaisia emoja: toiset nuolevat ja hoitavat paljon jälkeläisiään (hyvä hoito), toiset puolestaan vain vähän (huono hoito). Emon hoidon laatu olikin ensimmäisiä ympäristötekijöitä, joilla havaittiin olevan epigeneettisiä vaikutuksia. Hyvässä hoidossa olleilla poikasilla on korkeampi stressinsietokyky ja ne ovat rohkeampia ja dominantimpia. Huonolle hoidolle jääneet ovat arempia, stressiherkempiä sekä vähemmän aggressiivisia ja dominantteja. Tämä näkyi myös seuraavassa ja kolmannessa polvessa, jolloin huonosti hoidettu yksilö hoiti omia poikasiaan myös huonosti. Näin on muodostunut huonosti ja hyvin hoitavia linjoja, joissa osa käytöksestä on myös opittua. Tärkeimmäksi syyksi löytyi kuitenkin glukokortikoidi reseptorin muuttunut säätely, joka vaikuttaa voimakkaasti hoivaominaisuuksiin. Hoivakäyttäytymisellä on erityisen suuri merkitys ensimmäisten viikkojen aikana ja emon hoidolla on todettu olevan vaikutusta yli 900 geenin ilmentymiseen. 

Hyvässä hoidossa olleilla poikasilla on korkeampi stressinsietokyky ja ne ovat rohkeampia ja dominantimpia

Rotilla ja kädellisillä on voitu todeta huonommalla hoidolla olevien jälkeläisten olevan pelokkaampia, ahdistuneita ja niillä on puutteita sosiaalisessa käyttäytymisessä kuten yhtäkkistä aggressiota. Näiden lisäksi myös alentuneet kognitiiviset kyvyt ja muuttunut stressivaste vaikuttavat olevan epigeneettisiä muutoksia, jotka saattavat periytyä jälkeläisille.

Suomalaisessa kyselytutkimuksessa todettiin koirien, joilla oli enemmän stereotyyppistä käytöstä, saaneen huonompaa hoitoa pentuina. Toisessa suomalaisessa tutkimuksessa todettiin emon hoivan olevan sosiaalistamisen lisäksi suurin arkuuteen vaikuttava ympäristötekijä.

Videotutkimuksessa saksanpaimenkoirilla todettiin huonolla hoidolla olleiden pentujen 18 kuukauden iässä olevan vähemmän sosiaalisia ihmistä kohtaan, vähemmän sinnikkäitä ja omaavan huonomman taistelutahdon. Erään tutkimuksen mukaan huonolla hoidolla olleet beaglen pennut 58–60 vuorokauden iässä tutustuivat vähemmän uuteen tilaan ja omasivat enemmän stressikäyttäytymistä kuin enemmän hoivaa saaneet. Hoidon laadussa ja määrässä tuntuu olevan myös rotukohtaisia eroja: pienen aineiston tutkimuksessa labradorinnoutajat olivat hoitaneet pentujaan paremmin kuin saksanpaimenkoirat.  

Ihmisillä pysäyttävä esimerkki ovat Romanian lastenkotien lapset, jotka olivat jääneet täysin ilman rakastavaa hoivaa ja välittävää ihmiskontaktia. 18 kuukauden iässä adoptoiduilla lapsilla todettiin 20-vuotiana olevan edelleen heikentyneet kognitiiviset kyvyt ja pienemmät aivot.

Kaikki erot pentujen rohkeudessa eivät kuitenkaan selity vain hyvällä hoivalla. Laajassa kyselytutkimuksessa (300 sijoitusnarttua ja 1000 kasvattajan omistamaa) todettiin sijoitusnarttujen pentujen olevan rohkeampia kuin omassa kodissa synnyttäneiden narttujen pennut, vaikka sijoitusnartut eivät hoitaneet pentujaan sen paremmin kuin muutkaan. Selitys lienee se, että kasvattajien luonnekriteerit ovat korkeammat sijoitusnarttujen kuin omien koirien kohdalla ja kyse on suoraan perinnöllisyydestä.

Stressi

Stressin vaikutusta epigenetiikkaan on tutkittu erottamalla hiiriä emosta. Kyseessä oli jatkuva ja epäennustettava erottaminen 1–14 päivän ikäisenä kolmen tunnin ajan joka päivä. Tätä tehtiin vain ensimmäisessä sukupolvessa (F1) ja jatkojalostukseen valittiin uros. Käyttäytymistä testattiin aina kolmen kuukauden ikäisellä poikasilla liittyen pelokkuuteen ja stressiherkkyyteen. Ahdistunutta käytöstä esiintyi eritoten uroksissa (F1 ja F3 sukupolvet). Erotetut naaraat (F1) hoitivat huonosti poikasiaan juuri silloin kun poikaset eniten tarvitsivat huolenpitoa.

Tyypillisesti pieni stressi kuten pennuille ensiviikkoina tehty Biosensor-ohjelma parantaa stressinsietokykyä, kun taas pitkään jatkunut stressi heikentää sitä. Kun vasikoita erotetaan lehmistä vastasyntyneinä, eivät lehmät sukupolvien erottamisen jälkeen aina edes osaa hoitaa jälkeläisiään. Tässä voi olla kyse sekä geeneistä että epigenetiikasta.

Pelkoehdollistuminen

Pelkoehdollistumisella tarkoitetaan sitä, että eläin opetetaan reagoimaan pelokkaasti johonkin muuten vaarattomaan asiaan esimerkiksi sähköshokkien avulla. Kahden kuukauden ikäiset kloonatut uroshiiret oli jaettu kolmeen ryhmään: yksi ryhmä haistoi asetonin hajun (tiedättehän kynsilakan poistoaineen selkeän hajun?) saadessaan sähköshokkeja, toinen altistui sähköshokeille propanolin tuoksuessa ja kolmannessa ryhmässä sähköshokkeja ei yhdistetty mihinkään hajuun. Missään ryhmässä näiden hiirien jälkeläiset eivät saaneet minkäänlaista hajukoulutusta eikä mihinkään hajuihin yhdistynyt negatiivisia tuntemuksia. Siitä huolimatta niiden poikaset ja toisen polven jälkeläiset pelkäsivät juuri sitä hajua, mille niiden esi-isä oli altistettu. Tietyn geenipaikan sukusoluissa voitiinkin todeta olevan vähemmän metylaatiota, jolloin se oli herkistynyt toimimaan täysillä.

Varhainen sosiaalinen kasvuympäristö

Varhainen sosiaalinen kasvuympäristö voi tutkimusten mukaan vaikuttaa myös seuraavan sukupolveen. Tällä kertaa tutkittiin seeprakaloja, joista osa kasvoi eristyksessä, toiset 30 kalan ryhmässä ja kolmas porukka 100 kalan joukkiossa hedelmöittymisestä lisääntymiseen saakka. Kalojen pelokkuutta ja aggressiivisuutta testattiin kolmen kuukauden iässä ja todettiin eristyksissä kasvaneiden poikaisten oleva pelokkaita ja vähemmän aggressiivisia.

Kaikkien kalojen poikaset yhdistettiin 30 kalan akvaarioihin ja eri ryhmien poikasia testattaessa voitiin todeta, että myös ryhmässä kasvaneet eristyksissä eläneiden poikaset olivat vähemmän aggressiivisia kuin muut. Vanhempien sosiaalinen ympäristö näkyi siis jälkeläisten käytöksessä. 

Torjunta-aineet

Eräässä tutkimuksessa nuoria urosrottia altistettiin torjunta- ja homeenestoaineille. Niiden jälkeläisillä jopa neljännessä sukupolvessa esiintyi kohonnutta rintasyöpäriskiä, munuaissairauksia, immuunipuutoksia ja eturauhassairauksia.  F3 naarasjälkeläisillä 1473 ja urosjälkeläisillä 368 neurogeenin säätely oli muuttunut. Kummallista kyllä F3-jälkeläisista urokset oli huomattavasti kontrollia pelottomampia, kun taas naarat olivat huomattavasti pelokkaampia. Kolmannen sukupolven rotat eivät halunneet pariutua ”käsitellyn linjan” kanssa riippumatta siitä tulivatko ne itse torjunta- ja homeenestoaineille altistuneesta vai kontrollilinjasta.

Lääkkeet

Autismilla sanotaan olevan korkea periytyvyysaste. Valproid acid, (VPA), on epilepsialääke, jonka tiedetään aiheuttavan hiirillä ja ihmisillä autismin kaltaista stereotyyppistä käytöstä. Kun uroshiiriä altistettiin tälle epilepsialääkkeelle, nähtiin niillä useita oireita kuten vähentynyt sosiaalisuus, lisääntynyt stereotyyppinen käytös (kaivaminen), hyperaktiivisuus ja vähemmän pelokkuutta. Kun nämä urokset lisääntyivät normaalien naaraiden kanssa, oli niiden ensimmäisen ja toisen polven jälkeläisissä nähtävissä samoja oireita.

Hormonit kuten oksitosiini

Oksitosiini on hormoni, joka vaikuttaa meidän sosiaalisuuteemme, vähentää aggressiota ja lisää empatiaa. Oksitosiinin lisäys muuttaa käyttäytymistä sekä koirilla että ihmisillä. Oksitoniinia vapautuu tavallista enemmän esimerkiksi imetyksen yhteydessä ja poikasta hoivatessa lisäten emon kiintymystä poikaseen. Oksitoniinin tuotannosta vastaavat geenit (mm. OXT) tiedetään, mutta pelkästään alleelien vaihtelu ei selitä esimerkiksi ihmisen sosiaalisuuden vaihteluja. Onkin todettu, että OXT-geenin metylaatio on suoraan yhteydessä ihmisen sosiaalisuuteen. Jos metylaatiota ilmenee paljon, geeni on hiljennetty ja ihminen on vähemmän sosiaalinen.

Voiko epigeneettiset muutokset peruuttaa?

Ympäristö pystyy muuttamaan geenien säätelyä, joten kuulostaa loogiselta, että ympäristön avulla voidaan myös palauttaa tapahtuneet muutokset. Muutamassa tutkimuksessa näin on onnistuttukin tekemään. Rotilla saatiin ruokavalion metioni-lisän avulla huonon hoivan seurauksena tullut epigeneettinen muutos palautettua. Vastaavasti poikasena stressille altistetut poikaset saatiin ”palautettua” normaaliksi HDAC-histone asetolyysi-pistoksella. Hännänjahtaajat ovat usein pelokkaampia kuin muut koirat. Niiden ruokavaliossa todettiin olevan vähemmän B6-vitamiinia.

Kasvattajille ja koiran omistajille ohjenuoraksi:

-          Jalostukseen tulisi käyttää vain hyvin pentujaan hoitavia narttuja ja niiden jälkeläisiä.

-          Koita välttää pentujen pitkäaikaista stressiä ensimmäisinä viikkoina. Sen sijaan esimerkiksi Biosensor-ohjelman lyhytaikainen stressi on hyväksi pennuille.

-          Sosiaalista pennut hyvin ja anna niille sitä kautta hyvät eväät elämään. Myös uudessa kodissa turvallisuus, virikkeellisyys ja positiiviset kokemukset ovat tärkeitä.

-          Koita välttää turhia lääkkeitä sekä torjunta- ja homeenestoaineita.

-          Ruoki mahdollisimman monipuolisesti ja varmista eritoten B-ryhmän vitamiinien tarpeellinen saanti.

Tutkimukset joihin Katariina Tiiran luennolla viitattiin:

Francis et al 1999; Champagne et al. 2003; Cameron et al. 2005, Meaney 2001; Cameron et al. 2005

Weawer et al 1999, 2005 ja 2006

Franklin et al 2010

Dias & Ressler 201

Tamilselvan & Sloman 2017

Anway et al 2006; Skinner et al 2008

Crews et al 2007

Choi et al 2016

Haas et al 2016

Champagne & Curley 2009; Francis & Meaney 1999; Weawer et al 2004

Tiira et al 2012

Tiira & Lohi 2015

Foyer et al 2016