Mutta sitten hän törmäsi tutkimuksiin, jotka viittaavat siihen, että geenit eivät aina kehity olemassa olevista geeneistä, kuten biologit pitkään olettivat. Sen sijaan jotkut muotoutuvat genomin autioista osista, jotka eivät koodaa mitään toiminnallisia molekyylejä. Kun hän tarkasteli kalojen genomeja, hän näki viitteitä siitä, että näin saattoi olla: turskan eloonjäämisen kannalta välttämätön jäätymisenestoproteiini oli ilmeisesti rakennettu tyhjästä1. Siihen mennessä toinen tutkija oli päätynyt samanlaiseen tulokseen.2

Turska on hyvässä seurassa. Viimeisten viiden vuoden aikana tutkijat ovat löytäneet lukuisia merkkejä näistä äskettäin syntyneistä ”de novo” -geeneistä jokaisesta tutkimastaan sukulinjasta. Näihin kuuluu malliorganismeja, kuten hedelmäkärpäsiä ja hiiriä, tärkeitä viljelykasveja ja ihmisiä; osa geeneistä ilmentyy aivo- ja kiveskudoksessa, osa erilaisissa syövissä.

De novo -geenit saavat jopa ajattelemaan uudelleen evoluutioteorian joitakin osia. Perinteisen käsityksen mukaan uusia geenejä syntyy yleensä silloin, kun olemassa olevat geenit vahingossa monistuvat, sekoittuvat toisiin tai hajoavat, mutta jotkut tutkijat ovat nyt sitä mieltä, että de novo -geenit voisivat olla varsin yleisiä: joidenkin tutkimusten mukaan ainakin kymmenesosa geeneistä voisi syntyä tällä tavoin; toiset arvioivat, että de novo -geenejä voisi syntyä enemmän kuin geenien monistumisesta. Niiden olemassaolo hämärtää rajoja sen suhteen, mikä on geeni, ja paljastaa, että joidenkin uusien geenien lähtömateriaali on koodaamatonta DNA:ta (ks. ”Geenin synty”).

Organismien kyky hankkia uusia geenejä tällä tavoin on osoitus evoluution ”plastisuudesta, jolla se kykenee tekemään jostakin mahdottomalta tuntuvasta mahdollisesta mahdollisen”

, sanoo Pekingissä sijaitsevan kiinalaisen tiedeakatemian eläintieteellisen instituutin genetiikan tutkijana työskentelevä Yong Zhang, joka on tutkinut de-novo -geenien roolia ihmisaivoissa.

Tutkijoiden on kuitenkin vielä selvitettävä, miten geeni voidaan lopullisesti tunnistaa de novo -geeniksi, ja kysymyksiä herättää edelleen se, miten – ja kuinka usein – niitä tarkalleen ottaen syntyy. Tutkijat ihmettelevät myös, miksi evoluutio vaivautuisi tekemään geenejä tyhjästä, kun niin paljon geenivalmista materiaalia on jo olemassa. Tällaiset peruskysymykset ovat merkki siitä, miten nuori ala on. ”Ei tarvitse mennä kovin montaa vuotta taaksepäin, ennen kuin de novo -geenievoluutio hylättiin”, Baalsrud sanoo.

Uudet tulokkaat

Taaksepäin 1970-luvulla geneetikot pitivät evoluutiota melko konservatiivisena prosessina. Kun Susumu Ohno esitti hypoteesin, jonka mukaan suurin osa geeneistä kehittyi monistumalla3 , hän kirjoitti, että ”tiukassa mielessä evoluutiossa mitään ei synny de novo. Jokaisen uuden geenin on täytynyt syntyä jo olemassa olevasta geenistä.”

Geenien monistuminen tapahtuu, kun DNA:n monistumisprosessissa tapahtuvat virheet tuottavat useita geeniesimerkkejä. Sukupolvien kuluessa versiot kerryttävät mutaatioita ja eroavat toisistaan niin, että ne lopulta koodaavat eri molekyylejä, joilla kullakin on oma tehtävänsä. Tutkijat ovat 1970-luvulta lähtien löytäneet lukuisia muita esimerkkejä siitä, miten evoluutio muokkaa geenejä: olemassa olevia geenejä voidaan hajottaa tai siirtää lajien välillä. Kaikilla näillä prosesseilla on jotain yhteistä: niiden tärkein ainesosa on olemassa oleva koodi hyvin öljytystä molekyylikoneesta.

Mutta genomit sisältävät paljon muutakin kuin pelkkiä geenejä: itse asiassa vain muutama prosentti esimerkiksi ihmisen genomista koodaa itse asiassa geenejä. Sen rinnalla on huomattavia DNA-jaksoja – usein ”roska-DNA:ksi” leimattuja – joilla ei näytä olevan mitään funktiota. Joillakin näistä pätkistä on yhteisiä piirteitä proteiineja koodaavien geenien kanssa ilman, että ne itse ovat geenejä: ne ovat esimerkiksi täynnä kolmikirjaimisia koodoneja, jotka voisivat teoriassa käskeä solua kääntämään koodin proteiiniksi.

Vasta 2000-luvulla tiedemiehet alkoivat nähdä viitteitä siitä, että DNA:n ei-koodaavista osista voisi syntyä uusia toiminnallisia koodeja proteiineille. Kun geneettinen sekvensointi kehittyi niin pitkälle, että tutkijat pystyivät vertailemaan lähisukulaisten kokonaisia genomeja, he alkoivat löytää todisteita siitä, että geenit saattoivat kadota melko nopeasti evoluution aikana. Tämä sai heidät miettimään, voisivatko geenit syntyä yhtä nopeasti.

Vuosina 2006 ja 2007 Kalifornian yliopistossa Davisissa työskentelevä evoluutiogenetiikan tutkija David Begun julkaisi monien mielestä ensimmäiset artikkelit, joissa esitettiin näyttöä siitä, että tietyt geenit ovat syntyneet de novo hedelmäkärpäsissä4,5. Tutkimukset liittivät nämä geenit urosten lisääntymiseen: Begun havaitsi, että ne ilmentyivät kiveksissä ja siemennesteen rauhasessa, jossa seksuaalisen valinnan voimakas evolutiivinen voima näytti ajavan geenien syntyä.

Lyhyt aika ennen tätä evoluutiogenomiikan tutkija Mar Albà Hospital del Marin lääketieteellisestä tutkimusinstituutista Barcelonassa Espanjassa oli osoittanut, että mitä nuorempi geeni on evolutiivisesti katsottuna, sitä nopeammin se pyrkii kehittymään6. Hän arveli, että tämä saattaa johtua siitä, että nuorempien geenien koodaamat molekyylit ovat vähemmän hiottuja ja vaativat enemmän viritystä, ja että tämä voi olla seurausta siitä, että geenit ovat syntyneet de novo – ne eivät ole sidoksissa aiempaan tehtävään yhtä tiukasti kuin vanhemmista geeneistä kehittyneet geenit. Sekä Albà että Begun muistelevat, että heidän varhaisen työnsä julkaiseminen aiheesta oli haastavaa. ”Skeptisyyttä oli paljon”, Albà sanoo. ”On hämmästyttävää, miten asiat ovat muuttuneet.”

Tutkimuksissa on alettu myös selvittää, mitä de novo -geenit tekevät. Yksi geeni mahdollistaa esimerkiksi sen, että ohdakekasvi (Arabidopsis thaliana) voi tuottaa tärkkelystä, ja toinen auttaa hiivasoluja kasvamaan. Sen ymmärtäminen, mitä ne tekevät isäntänsä hyväksi, auttaa selittämään, miksi ne ovat olemassa – miksi on edullista luoda ne tyhjästä sen sijaan, että ne kehittyisivät olemassa olevasta materiaalista. ”Emme ymmärrä, miksi nämä geenit kehittyvät, jos emme ymmärrä, mitä ne tekevät”, Begun sanoo.

Geenit odottamassa

De novo -geenien tutkiminen osoittautuu osittain genetiikaksi, osittain ajatuskokeeksi. ”Miksi alamme on niin vaikea?” kysyy Anne-Ruxandra Carvunis Pennsylvanian Pittsburghin yliopistosta. ”Se johtuu filosofisista kysymyksistä.” Sen ytimessä on kysymys, jota Carvunis on pohtinut jo vuosikymmenen ajan: mikä on geeni?

Geni määritellään yleisesti DNA- tai RNA-sekvenssiksi, joka koodaa toiminnallista molekyyliä. Hiivan genomissa on kuitenkin satojatuhansia sekvenssejä, niin sanottuja avoimia lukukehyksiä (open reading frames, ORF), jotka voitaisiin teoriassa kääntää proteiineiksi, mutta joiden geneetikot olettivat olevan joko liian lyhyitä tai näyttävän liian erilaisilta kuin lähisukulaisorganismeissa olevilla sekvensseillä, jotta niillä olisi todennäköinen funktio.

Kun Carvunis tutki väitöskirjatutkimustaan varten hiivan ORF:iä, hän alkoi epäillä, että kaikki nämä jaksot eivät olleet lepotilassa. Vuonna 2012 julkaistussa tutkimuksessa7 hän tutki, transkriboitiinko nämä ORF-osat RNA:ksi ja käännettiinkö ne proteiineiksi – ja geenien tavoin monet niistä transkriboitiinkin – vaikka oli epäselvää, oliko proteiineista hyötyä hiivalle vai käännettiinkö niitä tarpeeksi korkealla tasolla, jotta niillä olisi jokin tehtävä. ”Mikä siis on geeni? En tiedä”, Carvunis sanoo. Hän uskoo kuitenkin löytäneensä ”raaka-ainetta – säiliön – evoluutiota varten”.

Jotkut näistä odottavista geeneistä, joita Carvunis ja hänen kollegansa kutsuivat protogeeneiksi, muistuttivat enemmän geeniä kuin toiset, ja niissä oli pidempiä sekvenssejä ja enemmän ohjeita, joita tarvittiin DNA:n muuttamiseksi proteiineiksi. Protogeenit voisivat tarjota evoluutiolle hedelmällisen testialustan koodaamattoman materiaalin muuttamiseksi todellisiksi geeneiksi. ”Se on kuin beta-laukaisu”, ehdottaa Aoife McLysaght, joka työskentelee molekyylievoluution parissa Trinity College Dublinissa.

Jotkut tutkijat ovat menneet havainnointia pidemmälle manipuloidakseen organismeja niin, että ne ilmentävät koodaamatonta materiaalia. Michael Knopp ja hänen kollegansa Uppsalan yliopistossa Ruotsissa osoittivat, että lisäämällä ja ilmentämällä satunnaisesti syntyneitä ORF-koodeja Escherichia coli -bakteeriin voitiin lisätä bakteerin vastustuskykyä antibiootteja vastaan; yksi sekvenssi tuotti peptidin, joka lisäsi vastustuskykyä 48-kertaisesti8. Samanlaista lähestymistapaa käyttäen Diethard Tautz ja hänen ryhmänsä Max Planck Institute for Evolutionary Biology -instituutissa Plönissä Saksassa osoittivat, että puolet sekvensseistä hidasti bakteerin kasvua ja neljäsosa näytti nopeuttavan sitä9 – tosin tästä tuloksesta kiistellään. Tällaiset tutkimukset viittaavat siihen, että satunnaisista sekvensseistä peräisin olevat peptidit voivat olla yllättävänkin toimivia.

Mutta satunnaiset DNA-sekvenssit voivat koodata myös peptidejä, jotka ovat ”reaktiivisia ja ilkeitä ja joilla on taipumus kasautua ja tehdä pahoja asioita”, sanoo evoluutiobiologi Joanna Masel Arizonan yliopistosta Tucsonista. Näiden sekvenssien ilmentäminen alhaisilla tasoilla voisi auttaa luonnonvalintaa karsimaan potentiaalisesti vaaralliset osat – ne, jotka luovat sotkuisia tai väärinmuodostuneita proteiineja – niin, että lajiin jää jäljelle suhteellisen hyvänlaatuisia osia.

Ei-koodaavista alueista peräisin olevien geenien luomisella voisi olla joitain hyötyjä muihin geeninmuodostusmenetelmiin verrattuna, Albà sanoo. Geenien monistaminen on hänen mukaansa ”hyvin konservatiivinen mekanismi”, joka tuottaa hyvin sopeutuneita proteiineja, jotka on leikattu samasta kankaasta kuin niiden esi-isät; de novo -geenit sen sijaan tuottavat todennäköisesti selvästi erilaisia molekyylejä. Tämän vuoksi niiden voi olla vaikea sopeutua vakiintuneisiin geenien ja proteiinien verkostoihin – mutta ne voivat myös soveltua paremmin tiettyihin uusiin tehtäviin.

Uusi geeni voi esimerkiksi auttaa organismia reagoimaan ympäristön muutoksiin. Näin näyttää käyneen turskalle, joka hankki jäätymisenestoproteiininsa pohjoisen pallonpuoliskon viilentyessä noin 15 miljoonaa vuotta sitten.

Synnynnäinen määrä

Voidakseen jäljittää, mitkä eliön geeneistä ovat syntyneet de novo, tutkijat tarvitsevat kattavat sekvenssit eliöstä ja sen lähisukulaisista. Yksi tähän tarkoitukseen sopiva viljelykasvi on riisi. Etelä-Kiinassa sijaitsevan trooppisen Hainanin saaren paahtava kuumuus on täydellinen ympäristö sadon kasvattamiseen – vaikka työolot voivat olla koettelevat. ”Se on kamalaa”, sanoo evoluutiogenetiikan tutkija Manyuan Long Chicagon yliopistosta Illinoisissa. Siellä on niin kuuma, että ”kananmunan voi keittää hiekassa”.

Longin ryhmä halusi tietää, kuinka monta geeniä Oryza sativa japonica -kannassa oli syntynyt de novo ja mitä proteiineja nämä geenit mahdollisesti valmistavat. Niinpä ryhmä vertasi sen genomia lähisukulaistensa genomiin ja käytti algoritmia poimimaan alueet, jotka sisälsivät geenin joissakin lajeissa, mutta joista se puuttui toisista lajeista. Näin tutkijat pystyivät tunnistamaan ei-koodaavan DNA:n, joka johti kyseiseen geeniin, ja seuraamaan sen matkaa geeniksi. He pystyivät myös laskemaan yhteen kantaan ilmestyneiden de novo -geenien määrän: 175 geeniä 3,4 miljoonan evoluutiovuoden aikana10 (saman ajanjakson aikana kanta sai kahdeksan kertaa enemmän geenejä monistumalla).

Tutkimus pureutuu yhteen alan suurimmista huolenaiheista: miten päätellä, onko geeni todella de novo. Vastaukset vaihtelevat suuresti, ja lähestymistavat kehittyvät edelleen. Esimerkiksi eräässä varhaisessa tutkimuksessa löydettiin 15 de novo -geeniä koko kädellislajistosta11 ; myöhemmässä tutkimuksessa löydettiin 60 pelkästään ihmisistä12. Yksi vaihtoehto de novo -geeniehdokkaiden löytämiseksi on käyttää algoritmia, jolla etsitään samankaltaisia geenejä sukulaislajeista. Jos mitään ei löydy, on mahdollista, että geeni on syntynyt de novo. Jos sukulaista ei löydy, se ei kuitenkaan tarkoita, ettei sukulaista ole: geeni on voinut kadota matkan varrella tai se on saattanut muuttaa muotoaan kauas sukulaisistaan. Riisitutkimuksessa tämä ohitettiin tunnistamalla nimenomaisesti ei-koodaavan DNA:n osat, joista tuli de novo -geenejä.

Pitkillä evoluutioajoilla – jotka ovat paljon pidempiä kuin riisin evoluution muutama miljoona vuotta – on vaikea erottaa toisistaan de novo -geeniä ja sellaista geeniä, joka on yksinkertaisesti vain poikennut liian kauas esivanhemmistaan, jotta se olisi enää tunnistettavissa, joten sellaisten geenien absoluuttisen lukumäärän määrittäminen, jotka ovat syntyneet pikemminkin de novo kuin monistumisen tuloksena, ”on lähes mahdoton kysymys”, Tautz sanoo.

Voidakseen osoittaa, miten vaihtelevia eri menetelmien tulokset voivat olla, evoluutiogenetiikan tutkija Claudio Casola Texas A&M -yliopistossa College Stationissa käytti vaihtoehtoisia lähestymistapoja aiempien tutkimusten tulosten uudelleenanalysoimiseksi, eikä pystynyt todentamaan 40:tä prosenttia ehdotetuista de novo -geeneistä13. Casolan mielestä tämä osoittaa, että testit on standardoitava. Tällä hetkellä, hän sanoo, ”se näyttää olevan hyvin epäjohdonmukaista”.

De novo -geenien laskemiseen ihmisen genomissa liittyy samoja varoituksia. Mutta siellä missä de novo -geenejä on tunnistettu, tutkijat ovat alkaneet tutkia niiden roolia terveydessä ja sairauksissa. Zhang ja hänen kollegansa ovat havainneet, että eräs ihmiselle ominainen geeni ilmentyy voimakkaammin Alzheimerin tautia sairastavien aivoissa14 , ja aiemmassa työssä15 geenin tietyt variantit oli yhdistetty nikotiiniriippuvuuteen. Zhangille tutkimus, joka yhdistää de novo -geenit ihmisen aivoihin, on kutkuttavaa. ”Tiedämme, että aivomme tekevät meistä ihmisiä”, hän sanoo, ”joten on oltava jokin geneettinen paketti, joka ajaa aivojemme evoluutiota”. Tämä antaa aihetta tuleviin tutkimuksiin. Zhang ehdottaa, että tutkijat voisivat tutkia geneettistä pakettia kokeilla ihmisen organoideilla – viljellyillä soluilla, jotka toimivat mallielimenä.

De novo -geeneillä voisi olla vaikutuksia myös syövän ymmärtämiseen. Yksi tällainen geeni – joka on ainutlaatuinen ihmisillä ja simpansseilla – on yhdistetty syövän etenemiseen neuroblastooman hiirimalleissa16. Ja ihmisen papilloomaviruksen syöpää aiheuttaviin versioihin sisältyy geeni, jota ei esiinny muissa kuin syöpää aiheuttavissa muodoissa17.

Monet de novo -geenit ovat edelleen tuntemattomia, joten prosessin mahdollinen merkitys terveydelle ja sairauksille on epäselvä. ”Kestää jonkin aikaa ennen kuin ymmärrämme täysin, missä määrin se vaikuttaa ihmisen terveyteen ja missä määrin se vaikuttaa ihmislajin syntyyn”, Carvunis sanoo.

Vaikka de novo -geenit ovat edelleen arvoituksellisia, niiden olemassaolo tekee yhden asian selväksi: evoluutio voi helposti tehdä jotain tyhjästä. ”Yksi de novo -geenien kanssa työskentelyn hienouksista”, sanoo Casola, ”on se, että se osoittaa, miten dynaamisia genomit ovat.”