DNA-tarina

DNA:n rakenteen löytämisestä tuli tässä kuussa kuluneeksi 50 vuotta. Mutta tarina alkoi monta vuotta aikaisemmin, sanoo Susan Aldridge

25. huhtikuuta 1953 Nature-lehdessä ilmestyi artikkeli, joka muutti biotieteet – biokemiasta ja maataloudesta lääketieteeseen ja genetiikkaan. James Watson ja Francis Crick, jotka tuolloin työskentelivät Cambridgen yliopistossa, raportoivat DNA:n (deoksiribonukleiinihappo) – molekyylin, josta geenit koostuvat – rakenteen löytämisestä.

Crick ja Watson käyttivät mallinrakennusta paljastaakseen DNA:n nyt kuuluisan kaksoiskierteen, mutta ratkaisevaa oli, että Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin King’s Collegessa Lontoossa suorittama röntgenkiteiden tutkimus oli ratkaisevassa asemassa löydön kannalta. Läpimurto oli myös paljolti biokemiallisten tekniikoiden, mikroskopian, kemiallisen analyysin ja kemiallisten sidosten teorioiden kehittymisen ansiota, jotka olivat kehittyneet 1800-luvun puolivälistä lähtien. DNA:n rakenteen todellinen merkitys korostui samoihin aikoihin, kun vuosikymmeniä kestänyt kiista siitä, oliko DNA vai proteiini ”elämän molekyyli”, saatiin lopullisesti ratkaistua.

DNA-saaga alkoi vuonna 1869, kun sveitsiläinen biokemisti Friedrich Miescher eristi uuden aineen valkosolujen ytimistä. Tutkijat olivat vastikään tietoisia siitä, että solut olivat elämän perusyksikkö, ja Miescher oli kiinnostunut niiden kemiallisista komponenteista. Joka aamu hän kävi paikallisella klinikalla hakemassa likaiset siteet, sillä ennen antiseptisten aineiden käyttöä ne olivat liottuneet märkään, joka oli hyvä lähde valkosoluille ja niiden suurille ytimille. Alkalin lisääminen sai solujen ytimet puhkeamaan auki ja vapauttamaan sisältönsä, josta Miescher irrotti DNA:n (jota hän kutsui nukleiiniksi).

Tämän nukleiinin analyysi osoitti, että se oli fosforia sisältävä happo, joten se ei sopinut mihinkään tunnettuun biologisten molekyylien ryhmään, kuten hiilihydraatteihin ja proteiineihin. Miescher laski sen kaavaksi C29H49O22N9P3, mikä oli karkea aliarvio, sillä DNA on pitkä ja hauras molekyyli, joka pirstoutuu helposti. Miescherin on täytynyt käyttää yhtä pirstaleista kaavan määrittämiseen. Nukleiini nimettiin uudelleen nukleiinihapoksi, ja kemiallisesta uutuudestaan huolimatta sen biologista merkitystä ei vielä vuosikymmeniin täysin ymmärretty.

Sillä välin solu jatkoi salaisuuksiensa paljastamista mikroskopian kehityksen ansiosta. Vuonna 1879 saksalainen biologi Walther Flemming löysi tuman sisältä pieniä langanmuotoisia rakenteita, joita kutsuttiin kromatiiniksi (myöhemmin kromosomeiksi) ja joita kutsuttiin kromosomeiksi siksi, että ne imivät helposti väriä uusista väriaineista, joita käytettiin solun osien paljastamiseen. Solunjakautumista koskevat tutkimukset paljastivat kromosomien keskeisen roolin periytymisessä: kromosomit kaksinkertaistuvat ennen solun jakautumista ja jakautuvat sitten kahdeksi sarjaksi, jolloin kumpaankin ”tytärsoluun” tulee uusi kopio.

Jatkotutkimukset osoittivat, että kromosomit sisälsivät DNA:ta, mikä sai toisen saksalaisen tutkijan, Oskar Hertwigin, julistamaan, että ”nukleiini on aine, joka on vastuussa … perinnöllisten ominaisuuksien siirtymisestä”. Kaikki eivät olleet samaa mieltä – esimerkiksi Miescher. Kromosomit sisälsivät myös proteiineja, ja biokemistit olivat vasta alkaneet ymmärtää, miten suuria ja monimutkaisia molekyylejä proteiinit olivat. DNA:n hauraus kätki sen taustalla olevan monimutkaisuuden vielä moneksi vuodeksi.

Ironisesti Miescher oli ehkä ensimmäinen, joka esitti ajatuksen kemiallisesta koodista, joka välittäisi biologista tietoa solusta toiseen, mutta hän, kuten monet muutkin hänen jälkeensä, uskoi, että vain proteiinit kykenivät kantamaan tällaista koodia.

Vuoteen 1900 mennessä tiedettiin, että DNA:n perusrakennuspalikat olivat fosfaatti, sokeri (joka myöhemmin osoittautui deoksiriboosiksi) ja neljä heterosyklistä emästä, joista kaksi oli puriineja ja kaksi muuta pyrimidiiniä.

New Yorkin Rockefeller-instituutissa työskentelevä Phoebus Levene, joka oli venäläisen kemistin ja säveltäjän Aleksandr Borodinin entinen oppilas, osoitti, että DNA:n osat liittyvät toisiinsa järjestyksessä fosfaatti-sokeri-emäs. Hän kutsui kutakin näistä yksiköistä nukleotidiksi ja väitti, että DNA-molekyyli koostuu nukleotidiyksiköistä, jotka on yhdistetty toisiinsa fosfaattiryhmien kautta, jotka muodostavat molekyylin ”selkärangan”.

Mutta kukaan ei arvostanut DNA-molekyylin poikkeuksellista pituutta ennen kuin vasta pitkälle 1900-luvulla. Nyt tiedämme, että yhden ihmissolun DNA muodostaisi noin 1 metrin pituisen molekyylin, jos se asetettaisiin peräkkäin. Jopa E. coli -bakteerin kaltaisen yksinkertaisen organismin DNA-molekyyli on hieman yli 1 mm pitkä. Miescher ei tietenkään ollut tajunnut tätä, eikä myöskään Levene, joka piti kiinni siitä, että DNA oli suhteellisen pieni molekyyli – luultavasti noin 10 nukleotidin pituinen.

Levene oli myös vakuuttunut siitä, että neljän emäksen määrät olivat samat kaikissa DNA-molekyyleissä niiden alkuperästä riippumatta. Niinpä jopa silloin, kun ruotsalaiset tutkijat Torbj?rn Caspersson ja Einar Hammersten osoittivat 1930-luvulla, että DNA oli polymeeri, useimmat uskoivat edelleen Levenen ”tetranukleotidihypoteesiin”. Vaikka DNA:ssa olisikin miljoonia nukleotideja, niiden ajateltiin olevan järjestäytyneet yksitoikkoisella ja ennustettavalla tavalla, jolla ei voinut olla mitään merkityksellistä tietosisältöä. Levenen aikalainen, suuri saksalainen kemisti Emil Fischer, oli osoittanut, että proteiinit koostuvat aminohapoista, jotka liittyvät toisiinsa erilaisin järjestyksin. Näytti yhä enemmän siltä, että proteiinit kantoivat geneettistä koodia, kun taas DNA:lla oli tukeva rooli kromosomeissa.

Läpimurron tekivät Oswald Avery, Colin McLeod ja Maclyn McCarty, New Yorkissa sijaitsevan Rockefeller-instituutin lääketieteellisten mikrobiologien ryhmä. He yrittivät selvittää englantilaisen mikrobiologin Fred Griffithin vuonna 1928 löytämän ”muuntumisperiaatteen” luonnetta. Griffith oli tehnyt kokeita kahdella pneumokokkilajilla, jotka aiheuttavat keuhkokuumetta (jota pelättiin paljon ennen antibiootteja).

Toisen muodon – jota kutsuttiin sileäksi muodoksi sen ulkonäön perusteella, kun sitä viljeltiin Petrimaljoissa – tiedettiin olevan patogeeninen, kun taas toinen, ”karkea” muoto oli vaaraton. Yllätyksekseen Griffith havaitsi, että elävien karkeiden bakteerien sekoittaminen tapettuihin sileisiin pneumokokkeihin saattoi muuttaa karkeat pneumokokit virulentiksi sileäksi muodoksi. Ilmeisesti jokin aine – muuntumisperiaate (toisin sanoen geenit) – oli siirtynyt sileistä bakteereista karkeisiin bakteereihin. Käyttämällä entsyymejä, jotka hajottivat tiettyjä solun osia, Avery ja hänen tutkimusryhmänsä osoittivat eliminointimenetelmällä, että DNA, ei proteiini, oli muuntumisperiaate.

Fyysikot olivat myös osallistuneet tähän keskusteluun – esimerkiksi Erwin Schr?dinger esitti ”aperiodisen kiteen” käsitteen vaikutusvaltaisessa kirjassaan What is life? Yksinkertaiset kiteet, kuten natriumkloridi, eivät voi kuljettaa geneettistä informaatiota, koska niiden ionit ovat järjestäytyneet jaksolliseen kuvioon. Schr?dinger esitti, että elämän ”pohjapiirros” löytyisi yhdisteestä, jonka komponentit olivat järjestäytyneet pitkäksi epäsäännölliseksi sarjaksi ja joka sisälsi tietoa geneettisen koodin muodossa, joka oli upotettu sen kemialliseen rakenteeseen. Proteiinit olivat olleet ilmeinen ehdokas aperiodiseksi kiteeksi, ja aminohapposekvenssi tarjosi koodin. Nyt, Averyn löytöjen myötä, valokeilaan joutui DNA, joka oli vaihtoehtoinen valinta geneettiseksi materiaaliksi.

Tutkimukset DNA:n rakenteen selvittämiseksi tulivat entistä kiireellisemmiksi (vaikka lopullinen vahvistus DNA:n keskeisestä roolista oli vasta tulossa Alfred Hersheyn ja Martha Chasen Yhdysvalloissa 1950-luvun alussa tekemistä kokeista). Esimerkiksi itävaltalainen kemisti Erwin Chargaff oli syvästi vaikuttunut Averyn työstä. Hän kirjoitti: ”Näin edessäni tummissa ääriviivoissa biologian kieliopin alun. Avery antoi meille uuden kielen ensimmäisen tekstin, tai pikemminkin hän näytti meille, mistä sitä voi etsiä. Päätin etsiä tätä tekstiä. Chargaff oli edelläkävijä nukleiinihappojen paperikromatografiassa, jonka avulla hän pystyi määrittämään, kuinka paljon kukin nukleotidikomponentti sisältyi DNA-näytteeseen. Hän romutti nopeasti Levenen tetranukleotidihypoteesin. A:n, C:n, G:n ja T:n määrä vaihteli lajien välillä, mutta lajien sisällä niiden osuus oli sama riippumatta siitä, mistä kudoksesta DNA:ta otettiin. Se oli juuri sitä, mitä voisi odottaa molekyyliltä, joka on lajin biologinen tunnusmerkki.

Vielä merkittävämpi oli Chargaffin lisähavainto, että A:n osuus missä tahansa DNA-molekyylissä oli aina yhtä suuri kuin T:n osuus, ja samoin G:n ja C:n määrä vastasi aina toisiaan – sääntö, joka tuli tunnetuksi nimellä Chargaffin suhdeluvut. Vaikka Chargaff itse näyttää hyödyntäneen havaintojaan vain vähän, ajatus emäspareista (A ja T, C ja G) oli ratkaiseva askel DNA:n kolmiulotteisen rakenteen selvittämisessä.

DNA:n rakenteen arvoituksen ratkaisemisen viimeinen vaihe perustui röntgenkristallografiaan. Röntgensäteiden käyttö suurten biologisten molekyylien rakenteiden ratkaisemiseen alkoi Dorothy Hodgkinin penisilliiniä, lysosyymiä ja B12-vitamiinia koskevista töistä ja Max Perutzin hemoglobiinia koskevista töistä 1930-luvulta. Vuoteen 1938 mennessä William Astbury, William Braggin (joka oli yhdessä poikansa Lawrencen kanssa keksinyt tekniikan vuonna 1913) oppilas, sai röntgenkuvia DNA:sta, mutta niitä oli vaikea tulkita.

1940-luvun lopulla kolme erillistä ryhmää työskenteli intensiivisesti DNA:n rakenteen parissa. Lontoon King’s Collegessa Maurice Wilkins oli kiinnostunut pitkistä kuiduista, joita DNA muodostaa, kun sitä vedetään vesiliuoksesta lasisauvalla, ja pohti, tarkoittaisiko tämä, että DNA:n rakenteessa oli jotain säännönmukaisuutta. Hän tuotti lisää röntgenkuvia käyttäen tilapäislaitteita, joiden kaltaista on vaikea kuvitella nykyään. Vuonna 1951 Wilkinsin seuraan liittyi Rosalind Franklin, brittiläinen fysikaalinen kemisti, joka oli jo saanut kansainvälistä mainetta hiilen röntgenkristallografiaa koskevasta työstään. Hän ryhtyi rakentamaan King’siin erityistä röntgenlaboratoriota ja tuotti pian parhaita kuvia DNA:sta. Nämä johtivat hänet ajatukseen, että ehkä DNA-molekyyli oli kierretty spiraalin muotoon.

Linus Pauling, yhdysvaltalainen kemisti ja The nature of the chemical bond -teoksen kirjoittaja, alkoi ajatella samansuuntaisesti. Olihan Pauling jo havainnut kierteisiä motiiveja proteiinirakenteissa. Samoihin aikoihin Francis Crick, jolla oli matematiikan ja fysiikan tausta, ja nuorempi James Watson, jolla oli asiantuntemusta faagien (bakteereja infektoivien virusten, joita käytettiin sittemmin geneettisten tutkimusten laboratoriovälineenä) molekyylibiologiasta, yhdistivät voimansa Cambridgen Cavendish-laboratoriossa aikomuksenaan itse murtaa DNA:n rakenne mallinrakentamisen avulla.

Heillä oli ajatus, että DNA:n rakenteen piti sallia molekyylin kopioida itseään solunjakautumisen aikana, jotta tarkka kopio sen koodista – joka taas oli upotettu rakenteeseen – voisi siirtyä jokaiseen uuteen soluun. Chargaffin vierailu Cavendishiin vuonna 1952 herätti ajatuksen siitä, että emästen järjestys voisi kenties edustaa kemiallisen koodin geenejä. Samaan aikaan Pauling julkaisi artikkelin DNA:n rakenteesta, mutta se sisälsi suuren virheen (hän laittoi fosfaattiryhmät sisäpuolelle). Tämän tieteellisen jättiläisen tulo mukaan kisaan kannusti Crickiä ja Watsonia suurempiin ponnisteluihin, kun taas Wilkins ja Franklin eivät oikein tulleet toimeen keskenään eivätkä edistyneet juurikaan DNA:n kanssa.

Vaikuttava hetki koitti, kun Wilkins näytti Watsonille yhden Franklinin valokuvan DNA:n niin sanotusta B-muodosta. Aiemmissa tutkimuksissa oli käytetty A-muotoa, joka sisältää vähemmän vettä ja oli johtanut vaikeasti analysoitaviin kuviin. Tämä kuva sen sijaan oli kauniin yksinkertainen ja näytti selvästi viittaavan molekyylin kierteiseen rakenteeseen. Kuten Watson toteaa kuuluisissa muistelmissaan: ”Heti kun näin kuvan, suuni loksahti auki ja sydämeni alkoi hakata”.

Mallin rakentaminen – käyttäen metallilevyjä nukleotideja ja sauvoja niiden välisiä sidoksia varten – alkoi nyt toden teolla. Crick ja Watson eivät kuitenkaan tienneet, rakentaisivatko he kierteensä niin, että fosfaatit olisivat sisä- vai ulkopuolella, eivätkä he tienneet, miten sisällyttää Chargaffin ajatuksia emäspareista.

Viimeinen johtolanka tuli toiselta Cavendishin vierailijalta, yhdysvaltalaiselta kemistiltä Jerry Donohuelta, joka huomautti, miten vetysidoksen avulla A voi sitoutua T:hen ja C:hen ja G:hen. Tämä mahdollistaa DNA:n kaksoiskierteisen rakenteen, jossa emäkset ovat sisäpuolella pariliitoksina ja fosfaatit ulkopuolella.

Crickin ja Watsonin rakentaman mallin todellinen kauneus oli siinä, että rakenne viittasi välittömästi toimintaan. Kuten he vihjasivat Nature-julkaisussaan: ”Meiltä ei ole jäänyt huomaamatta, että postuloimamme erityinen paritus viittaa geneettisen materiaalin mahdolliseen kopiointimekanismiin”.

DNA-molekyyli on itsestään monistuva (kuten muutamaa vuotta myöhemmin tehdyt kokeet osoittivat), koska se voi purkautua kahdeksi yksittäiseksi säikeeksi. Sen jälkeen kukin emäs vetää puoleensa komplementaarista emästä vetysidoksen avulla, jolloin kaksi uutta kaksoiskierrettä muodostuu.

Franklin ja Wilkins eivät jääneet täysin vaille kunniaa DNA:n rakenteesta; heidän omat erilliset artikkelinsa julkaistiin peräkkäin Crickin ja Watsonin kanssa samassa Nature-lehdessä. Crick, Watson ja Wilkins saivat Nobelin palkinnon työstään vuonna 1962 (Franklin kuoli syöpään 37-vuotiaana vuonna 1958).

DNA:n rakenteen löytäminen oli uuden aikakauden alku biologiassa, joka johti seuraavien kahden vuosikymmenen aikana geneettisen koodin murtamiseen ja sen ymmärtämiseen, että DNA ohjaa proteiinien synteesiä. Myös teknisiä edistysaskeleita, kuten DNA:n sekvensointi, geenitekniikka ja geenien kloonaus, tapahtui. Viime aikoina on ratkaistu monien organismien täydelliset sekvenssit – myös ihmisen genomi kesäkuussa 2000. Seuraavat 50 vuotta DNA:n tarinassa on kyse Crickin ja Watsonin keksinnön käytännön hyödyistä ihmiskunnalle – teollisuudessa, lääketieteessä, elintarvikkeissa ja maataloudessa.

Lähde: Chemistry in Britain

Kiitokset

Susan Aldridge

Lisälukemista