Geeni
Geeni eli perintötekijä on biologisen informaation yksikkö, joka on tallentunut DNA:n tai RNA:n nukleiinihappoketjuun. Geeni voi esimerkiksi sisältää rakennusohjeet tietylle proteiinille. Geneettinen informaatio on tallennettuna DNA:n emästen järjestykseen. Kolme peräkkäistä emästä muodostavat pienemmän informaatioyksikön, kodonin eli kolmikon, joka proteiinisynteesissä tulkitaan tietyksi aminohapoksi valmistuvaan peptidiketjuun. Koska tuotettavaan polypeptidiketjuun liitettävät aminohapot tulevat kodonien perusteella, voivat emästen lukumäärään vaikuttavat mutaatiot muuttaa polypeptidiketjun aminohapot toisiksi, jolloin ei yleensä synny oikein toimivaa proteiinia. Geenien toiminta vaikuttaa siis kaikkien eliöiden ulkoasuun ja ominaisuuksiin, joita myös ympäristötekijät muokkaavat.
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.
Geenien ja niiden säätelyalueiden lisäksi DNA sisältää paljon "tyhjiä" alueita eli osia, jotka eivät sisällä informaatiota. Myös intronit voidaan nähdä tällaisina "tyhjinä" alueina. Tämä DNA on aikoinaan tulkittu ylimääräiseksi tai turhaksi DNA:ksi, mutta nykyisin tätä tulkintaa on voimakkaasti epäilty ja kyseenalaistettu.
Yleisesti ottaen geenit koostuvat pätkästä DNA:a, josta voidaan syntetisoida jotain orgaanista molekyyliä, usein jotain proteiinia. Geenin alussa on tietty emässekvenssi, josta geenin translaatio alkaa. Geenin lopussa on jonkinlainen emässekvenssi, joka saa geenin translaatiossa aikaan proteiinisynteesin päättymisen. Aminohappoja koodaavien kodonien lisäksi on olemassa kolme lopetuskodonia, joita ei vastaa mikään aminohappo. Translaatiossa geenin translointi ja polypeptidiketjun muodostus saattavat kuitenkin päättyä myös muuten kuin pelkästään lopetuskodonin vaikutuksesta. Geenin koodaava osa voi olla alusta loppuun yhtenäinen tai jakautunut lyhyemmiksi pätkiksi eli eksoneiksi, joiden väleissä on geeniä koodaamattomia osia eli introneita.
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 (). Lisäksi jonkin verran ennen geenin koodaavaan osan alkukohtaa on geenin promoottori.
Eukaryooteilla useimmat geenit ovat epäjatkuvia eli eksonien väleissä on introneita. Intronien aluissa ja lopuissa on emäsjaksoja, joiden avulla intronit voidaan ennen proteiinisynteesiä poistaa silmikoimalla syntyvä lähetti-RNA. Silmikoinnin yhteydessä eksonit liitetään peräkkäin kiinni toisiinsa joko samassa järjestyksessä kuin ne olivat ennen silmikointia tai johonkin toiseen järjestykseen. Eksonien liittäminen erilaiseen järjestykseen mahdollistaa esimerkiksi erilaisten proteiinien tuottamisen samasta geenin DNA:n pätkästä.
Prokaryooteilla geeneissä ei ole introneita, vaan geenit ovat kokonaisuudessaan koodaavaa osaa. Useampi geeni voi kuitenkin olla järjestäytynyt operoniksi eli peräkkäin yhteisen säätelyalueen ja promoottorin jatkoksi.
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. 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).
Eliöiden ominaisuuksien periytyminen yhdistettiin vuonna 1944 Oswald Averyn tutkimusryhmässä deoksiribonukleiinihappo DNA:han. Alfred Hershey osoitti 1952, että virusten kopioituminen tapahtui DNA:n avulla tartunnan saaneissa soluissa, ja hän osoitti näin, että geeni koostuu DNA:sta.
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.”
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.
Ensimmäinen geenin nukleotidisekvenssi sekvensoitiin Gentin yliopistossa Belgiassa vuonna 1972. Kyseinen sekvensoitu geeni oli MS2-bakteriofagin kuoren proteiinin koodaava geeni.
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.
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 () (kreik:"tropy", käännös) on geneettinen ilmiö, jossa yksi geeni säätelee useiden, toisistaan näennäisesti riippumattomien ominaisuuksien syntyä.
Pleiotropia jaetaan valepleiotropiaan ja aitoon pleiotropiaan.
Polygenia () tarkoittaa sitä, että yhden fenotyyppisen piirteen syntyminen on seurausta usean geenin vuorovaikutuksessa. Tällöin yhdellä geenillä on yksinään vain pieni vaikutus. Useat geenit vaikuttavat yleensä määrällisiin ominaisuuksiin, kuten pituuteen ja painoon.