795 Duodecim 2021;137:795–801 KATSAUS Juha Asteljoki ja Noora Kotaja Ympäristön ja elintapojen vaikutus miesten sukusolujen epigenomiin Elintavoista ja ympäristöaltistuksista johtuvat terveyden häiriöt muodostavat suuren ongelman teollis- tuneessa länsimaisessa nyky-yhteiskunnassa. Näihin lukeutuvat myös miesten lisääntymisterveyden on- gelmat, kuten siittiöiden laadun ja määrän laskeminen, joiden yhtenä tärkeänä aiheuttaja pidetään ym- päristötekijöitä. Epigeneettisellä geenisäätelyllä on merkittävä rooli hedelmöityskykyisen siittiön muo- dostuksessa. Sukusolujen epigenomi on altis ympäristön vaikutuksille, ja on selvää, että epigenomin häi- riöillä voi olla vakavia seurauksia siittiön muodostukseen. Sukusolujen epigenomin häiriöillä saattaa olla myös kauaskantoisempia vaikutuksia aina seuraaviin sukupolviin saakka, sillä eläinkokeilla on osoitettu, että tieto hankitusta ominaisuudesta voi siirtyä jälkeläiselle siittiöiden epigeneettisen tiedon välityksellä. V aikka elimistömme kaikkien solutyyp-pien sisältämä geneettinen informaatio on identtinen, solutyypit poikkeavat toi- sistaan sekä ulkonäöltään että toiminnaltaan. Nämä erot johtuvat geenien erilaisesta ilmen- tymisestä eri solutyyppien välillä. Geenien il- mentymisen säätely onkin keskeisessä asemas- sa sekä solun erilaistumisen että sen toiminnan aikana. Geenien ilmentymisen muutoksilla solu pystyy myös vastaamaan ympäristön är- sykkeisiin ja sopeutumaan muuttuneisiin olo- suhteisiin. Geenien ilmentymisen säätely tapahtuu pitkälti epigeneettisten muutosten avulla. Epigenetiikalla tarkoitetaan sellaisia muutok- sia geenien ilmentymisessä, jotka eivät johdu emäsmuutoksista DNA-juosteessa. Epigeneet- tinen geenisäätely vaikuttaa sen sijaan kroma- tiinin rakenteeseen, eli DNA:n pakkautumista ja järjestäytymistä hallitseviin tekijöihin ja tätä kautta geenien ja niiden säätelyalueiden tavoi- tettavuuteen (1). Erilaisten kemiallisten ryhmien lisääminen joko DNA-sekvenssiin tai DNA:ta pakkaavien nukleosomien histoniproteiineihin toimii tär- keänä epigeneettisen säätelyn mekanismina (1) (KUVA 1). DNA metyylitransferaasien välittämä DNA:n sytosiiniemäksen metylaatio 5-me- tyylisytosiiniksi on yksi parhaiten tunnettu epigeneettinen muutos, jonka tiedetään taval- lisesti hiljentävän geenin luentaa muun muassa estämällä transkriptiota aloittavien proteiinien sitoutumisen geenin promoottorialueelle tai aiheuttamalla kromatiinin tiukemman pakkau- tumisen. Metyylisytosiini voidaan asteittain välivaiheiden kautta palauttaa sytosiiniksi TET (ten-eleven translocation) -entsyymien avulla. Tämä lisää säätelyn monitasoisuutta, sillä eri välimuodoilla voi olla erilaisia vaikutuksia gee- nien ilmentymiseen. Myös histoneiden aminohappojen sivuket- jujen kemialliset modifikaatiot ovat keskeisessä osassa epigeneettisessä säätelyssä. Eniten tutkit- tuja muunnoksia ovat asetylaatio, metylaatio ja fosforylaatio, ja niillä voi olla monenlaisia vai- kutuksia riippuen siitä, mihin aminohappoon ryhmä liitetään. Tietyt entsyymit katalysoivat eri kemiallisten ryhmien liittämistä, ja toiset entsyymit voivat poistaa modifikaatiot, eli ne ovat palautettavissa olosuhteiden niin vaatiessa. Erilaisten kemiallisten ryhmien lisäksi epige- neettisiä säätelijöitä ovat myös proteiinit, jotka pystyvät sitoutumaan kromatiiniin ja muok- kaamaan nukeosomien sijaintia ja kromatiinin 796 järjestäytymistä (KUVA 1). Näistä esimerkkinä ovat erilaiset ATP-riippuvaiset kromatiinin muokkauskompleksit, jotka löysentävät histo- ni-DNA-välisiä vetysidoksia. Myös ei-koodaa- vat-RNA-molekyylit toimivat epigeneettisinä säätelijöinä (KUVA 1) (2). Ne voivat sekvens- sinsä avulla tunnistaa tiettyjä geenin alueita, ja niiden sitoutuminen saa aikaan geenin epige- neettisen tilan muutoksen. Esimerkiksi paljon tutkittu HOTAIR (HOX transcript antisense RNA) sitoo epigeneettisiä hiljentäjäproteiineja geenialueelle ja näin vaimentaa geenin luennan (2). Kaiken kaikkiaan epigenomi, eli solutyyp- pispesifinen kokonaisuus genomia pakkaavista ja säätelevistä epigeneettisistä tekijöistä, on hy- vin monitahoinen, ja epigenomin kokonaistila määrää geenien ilmentymisen aktiivisuuden. Epigeneettiset muutokset geenien luennassa voivat olla stabiileja ja epigeneettisen muis- tin ansiosta solujakautumisessa syntyvät solut muistavat emosolunsa epigeneettisen tilan. Toisaalta, epigenomi on altis ympäristön ärsyk- keille (1). Miten ympäristö vaikuttaa epigenomiin? Yksi epigeneettisen säätelyn tärkeistä piirteis- tä on kyky reagoida muuttuviin olosuhteisiin. Muutokset solun epigeneettisessä tilassa ja tätä kautta geenien ilmentymisessä mahdollistavat solun toiminnan fysiologisen mukautumisen uusiin olosuhteisiin (3). Tästä hyvänä esimerk- kinä on energia-aineenvaihdunnan sopeutumi- nen ruokavalion vaihtumisen tai säännöllisen urheilun seurauksena. Ympäristön aikaansaama vaikutus perustuu muutoksiin epigenomia säätelevien proteiinien toiminnassa, mikä puolestaan johtaa muutok- siin geenialueen DNA-metylaatiossa tai histo- nimuokkauksessa. Epigenomin säätelyproteii- nit tarvitsevat usein toimiakseen kofaktoreita, jotka ovat pitkälti samoja molekyylejä, joita J. Asteljoki ja N. Kotaja H2A H2B H4 H1 H3 1. DNA-metylaatio 2. Histonien modifikaatiot 3. Ei-koodaavat RNAt 4. Kromatiinin rakennetta muokkaavat proteiinit Nukleosomi RNA-juoste EUKROMATIINI - Löyhästi pakattu - Aktiivisesti ilmentyvät geenit HETEROKROMATIINI - Tiukkaan pakattu - Geeni-ilmentymisen kannalta hiljaiset alueet 5-metyylisytosiini KUVA 1. Epigeneettinen säätely kohdistuu DNA:n pakkautumista ja järjestäytymistä hallitseviin tekijöihin. DNA- kaksoisjuoste on tumassa kiertynyt nukleosomirakenteiden ympärille, jotka koostuvat histoneista H2A, H2B, H3 ja H4. Tämän lisäksi nukleosomeihin pakattu DNA järjestäytyy vielä edelleen monimutkaisemmiksi rakenteiksi. Pakattua DNA:ta sanotaan kromatiiniksi. Yleisempiä epigeneettisen geenien ilmentymisen säätelyn mekanis- meja ovat 1) DNA-metylaatio, 2) histonien häntien kemialliset modifikaatiot, 3) ei-koodaavien RNA-molekyylien välittämät kromatiinin muutokset ja 4) kromatiinin rakennetta muokkaavat proteiinit. On selvää, että jos tietyn geenin sisältämä DNA on kovin tiukkaan pakattua heterokromatiinia, geenin ilmentyminen hankaloituu. Toisaal- ta löyhästi pakatussa eukromatiinissa olevia geenejä on helpompi lukea. KATSAUS 797 syntyy erilaisten metabolisten prosessien tuot- teina. Näitä ovat muun muassa asetyyli-COA, S-adenosyylimetioniini, flaviiniadeniinidinuk- leotidi, a-ketoglutaraatti ja nikotiiniadeniinidi- nukleotidi. Metaboliittien käyttö kofaktoreina mahdollistaa aineenvaihdunnan ja epigenomin välisen viestinnän ja ympäristövasteen (4). Sekä fysiologiset signaalit (ruokavalio, vuo- rokausirytmi, ikääntyminen, energiatasapaino) että patologinen stressi (UV-säteily, patogeenit, ympäristömyrkyt) voivat saada aikaan muutok- sia epigenomissa. Sen lisäksi, että ympäristön aikaansaamat epigeneettiset vaikutukset ovat tärkeitä fysiologisessa mukautumisessa, ne voivat myös toisaalta johtaa häiriintyneeseen epigenomiin ja tätä kautta terveysongelmiin. Poikkeavuudet epigenomissa, kuten muutokset DNA:n metylaatioprofiilissa, histoneiden mo- difikaatioissa ja kromatiinin pakkautumisessa onkin yhdistetty lukuisiin sairauksiin, joista yksi on miesten hedelmättömyys (5). Miesten sukusolujen epigeneettiset erityispiirteet Miesten sukusolut käyvät läpi useita epigeneet- tisiä muutoksia, joita tapahtuu niiden koko elinkaaren ajan (KUVA 2). Kaikista mittavin epigeneettinen myllerrys tapahtuu alkion suku- soluissa. Näissä soluissa genomi käy läpi epige- neettisen uudelleenohjelmoinnin, jolloin lähes kaikki DNA:n metylaatiot poistetaan ja DNA metyloidaan uudelleen miehen sukusoluille tyypillisellä tavalla (6). Tämä mahdollistaa muun muassa sellaisten geenien leimaamisen (genomic imprinting), joiden halutaan olevan Ympäristön ja elintapojen vaikutus miesten sukusolujen HedelmöitysPuberteettiSyntymä Hiiri Ihminen Alkion sukusolujen kehitys Spermatogeneesi Kypsyminen Varhainen alkionkehitys E7.5 E12.5 G4 G7 G11 G16 4–6 viikkoa 12–14 vuotta 35 päivää 74 päivää E3.5 E7.5 G1 Alkion sukusolujen epigeneettinen uudelleenohjelmointi DNA-metylaatio- profiilin muodostus Meioosin aikaiset kromatiini- muutokset Histonien korvaus protamii- neilla Siittiön RNA- profiilin muokkautuminen lisäkiveksessä Protamiinien vaihto histoneihin, alkion kanta- solujen epigeneettinen uudelleenohjelmointi DNA- metylaation määrä Alkion sukusolut Spermatogonia Spermatosyytti Spermatidi Siittiö (lisäkives)(kives) Meioosi I Meioosi II 2N2N2N2N2N N N KUVA 2. Miesten sukusolut käyvät läpi mittavia epigeneettisiä muutoksia erilaistumisen aikana, ja ne ovat ovat alttiita ympäristön häirinnälle. Alkion sukusoluissa tapahtuu epigeneetiinen uudelleenohjelmointi, jolloin lähes kaikki DNA-metylaatio poistetaan. Tämä mahdollistaa uuden, miesten sukusoluille tyypillisen DNA-metylaatio- profiilin muodostuksen. Aikuisiässä spermatogeneesin aikana sukusoluissa tapahtuu myös tärkeitä kromatiinin muutoksia. Näistä esimerkkeinä meioottiseen solujakautumiseen tarvittavat prosessit ja meioosin jälkeen tapah- tuva histonien korvaus protamiineilla. Kun siittiöt kulkeutuvat lisäkiveksen läpi, niihin siirretään vielä suuri määrä ei-koodaavia RNA-molekyylejä. Hedelmöityksessä siittiön sisältämä epigeneettinen tieto siirretään munasoluun. Alkion kantasolut käyvät läpi toisen epigeneettisen uudelleenohjelmoinnin, joka ei ole niin mittava kuin alkion sukusoluissa, ja muun muassa isän tai äidin ohjeiden mukaan geneettisesti leimatut (imprinted) geenit säästyvät uudelleenohjelmoinnilta (vihreä katkoviiva). E: sikiökehityksen päivä (embryonic day), G: raskausviikko (gesta- tional week). 798 joko hiljaisia tai aktiivisia spesifisesti vain isän puolelta periytyvässä genomissa. Siittiön muodostus, spermatogeneesi, alkaa murrosiässä ja jatkuu aktiivisena koko aikuis- iän. Myös spermatogeneesin aikana sukusoluis- sa tapahtuu laajamittaisia epigeneneettisiä muutoksia. Esimerkiksi meioosisin aikana suu- ri osa nuk leosomin perushistoneista vaihde- taan histonivarianteiksi, joista useat ovat suku- soluspesifisiä. Histonivariantit poikkeavat omi- naisuuksiltaan perushistoneista, mikä muuttaa kromatiinin tilaa. Sukupuolikromosomit myös pakataan tiiviisti ja hiljennetään. Nämä mei- oosin aikaiset epigeneettiset muutokset mah- dollistavat kromosomien pariutumisen ja re- kombinaation (7). Meioosin jälkeen siittiön muodostumisen loppuvaiheessa suurin osa his- toneista ja histonivarianteista vaihdetaan siitti- öille spesifisiin kromatiinia pakkaaviin proteii- neihin, protamiineihin. Protamiinit ovat pieniä, paljon arginiiniaminohappoja sisältäviä proteii- neja, jotka mahdollistavat siittiöille tyypillisen kromatiinin erittäin tiukan pakkautumisen (8). Histonit säilyvät vain pienessä osassa kroma- tiinia. Muun muassa ne geenit, jotka ovat tär- keitä varhaisessa alkionkehityksessä, pysyvät pakkautuneena histoneihin, minkä oletetaan tärkeällä tavalla säätelevän hedelmöityksen jäl- keisiä tapahtumia (9). Geenien ilmentyminen on erittäin aktiivista miesten erilaistuvissa sukusoluissa, ja varsin- kin meioosin aikana sekä varhaisissa meioosin jälkeisissä haploideissa soluissa genomia lue- taan epätavallisen laajasti. Näissä soluissa on monipuolinen kokoelma sekä proteiineja koo- daavia että ei-koodaavia RNA-molekyylejä, joiden kohtalon säätely on hedelmällisyyden kannalta olennaisen tärkeää (10,11). Säätelyn tehostamiseksi miesten sukusoluissa on erityi- siä RNA-säätelykeskuksia (germ granules), jot- ka keräävät yhteen RNA:ita ja niitä sääteleviä proteiineja (12). Sukusoluissa myös tuotetaan monia RNA:ita, joita ei muissa solutyypeissä juuri havaita. Näitä ovat muun muassa PIWI- proteiineihin sitoutuvat pienet ei-koodaavat RNA:t, piRNA:t, joilla on keskeinen rooli esi- merkiksi genomin eheyden säätelyssä, sillä ne hiljentävät liikkuvia elementtejä (13). Toisaalta siittiön loppuvaiheessa tapahtuva kromatiinin tiivis pakkautuminen estää geenien luennan suurelta osin, ja kypsät siittiöt ovatkin geenien ilmentymisen kannalta hiljaisia. Ympäristöaltisteet ja sukusolujen epigenomi Miesten sukusolujen erilaistumisen aikana ta- pahtuvat mittavat epigeneettiset muutokset ovat alttiita ympäristön signaaleille (14). Ympä- ristöaltistuksen ajankohta vaikuttaa sen aikaan- saamaan vasteeseen ja fenotyyppiin. On selvää, että alkiokehityksen aikana, jolloin solulinjat määräytyvät ja epigenomit vakiintuvat vastaa- maan määrättyjen solutyyppien tarvitsemaa geenien ilmentymistä, ympäristöaltistumisilla on usein erilaiset seuraukset, kuin jos altistumi- nen tapahtuu aikuisessa elimistössä. Nykyään tiedetään, että miesten lisääntymisterveyden kannalta kriittisin altistusajankohta ovat tietyt alkionkehityksen vaiheet, jolloin sukupuolieli- met kehittyvät ja niiden solulinjat määräytyvät, ja jolloin sukusolut käyvät läpi epigeneettistä uudelleenohjelmointia (15). Toisaalta myös aikuisen sukusolujen epi- genomi voi reagoida ympäristöön ja aiheuttaa häiriöitä spermatogeneesissä tai siittiön toimin- nassa. Niin elämätapaan liittyvien tekijöiden kuin ympäristömyrkkyjen, sairauksien ja lääk- keidenkin (esimerkiksi kemoterapia) tiedetään aiheuttavan epigeneettisiä muutoksia suku- soluissa ja vaikuttavan hedelmällisyyteen (14). Näitä muutoksia on havaittu muun muassa siit- tiön DNA-metylaatioprofiilissa, sekä kromatii- nin koostumuksessa ja kromatiinia pakkaavien proteiinien modifikaatioissa (9,14). Vaikka kypsässä siittiössä ei tapahdu geenien luentaa, on siittiöön pakkautunut suuri määrä erilaisia ei-koodaavia RNA:ita, jotka välittävät epige- neettistä tietoa. Viime vuosina näiden siittiön ei-koodaavien-RNA-molekyylien on näytetty reagoivan herkästi ympäristön altisteisiin (16). Uuden eläinmalleilla tehdyn kokeellisen tutkimuksen ansiosta on käynyt ilmi, että su- kusolujen epigenomin muutokset eivät vaikuta pelkästään altistuneeseen yksilöön vaan vaiku- tukset voivat ylettyä seuraavaan sukupolveen asti (9,17). Eläinkokeet ovat osoittaneet, että geneettisen materiaalin lisäksi myös siittiöiden J. Asteljoki ja N. Kotaja KATSAUS 799 sisältämän epigeneettinen informaatio siirtyy munasoluun hedelmöityksessä, ja vaikuttaa muun muassa varhaisen alkionkehityksen ta- pahtumiin ja tätä kautta jälkeläisen terveyteen. Ilmiötä kutsutaan epigeneettiseksi periytymi- seksi, ja se mahdollistaa isän hankittujen omi- naisuuksien siirtymisen jälkeläiselle siittiön epigenomin muutosten välityksellä (9,17). Lukuisat korrelaatiot vanhempien altistusten ja jälkeläisten terveyden välillä tukevat ilmiön ole- massaoloa myös ihmisillä, vaikka mekanistista näyttöä ei vielä olekaan (Raitakari ym. tässä numerossa). Elintavat Ylipaino ja liikalihavuus, sekä niihin liittyvät muut terveysongelmat kuten tyypin 2 diabetes ja sydän- ja verisuonisairaudet ovat yleistyneet. Miesten ylipaino on myös linkitetty miesten lisääntymisterveyden ongelmiin ja hedelmät- tömyyteen, mikä voi johtua muun muassa yli- painon aiheuttamasta hormonitoiminnan häi- riöstä (18,19). Myös siittiöiden epigenomin on näytetty olevan erilainen normaalipainoisilla ja ylipainoisilla miehillä, ja eroja on löydetty sekä siittiöiden DNA-metylaatiossa että RNA- profiilissa (20,21). Interventiotutkimuksilla on saatu selville, että siittiön epigenomi reagoi sekä painonmuutoksiin että ruokava lioon ja lii- kuntaan. Sairaalloisen lihavien miesten siittiöi- den DNA-metylaatio muuttui mahalaukun pie- nennysleikkauksen jälkeen painon pienemisen myötä (20). Myös normaalipainoisten miesten liikuntainterventiolla saatiin aikaan muutoksia siittiön DNA-metylaatiossa ja RNA-profiilissa (22). Tuoreessa ihmistutkimuksessa näytettiin, että vain viikon pituinen ruokavalion vaihto terveellisestä sokeripitoiseen ruokaan muutti siittiöiden RNA-profiilia (23). Varsinkin siir- täjä-RNA:sta (tRNA) tuotetut pienet RNA:t (tsRNA:t) reagoivat ruokavalioon (23). Vas- teen ollessa näin nopea on selvää, että pienten RNA:iden muutokset eivät voi syntyä pelkäs- tään spermatogeneesin aikana, vaan siittiöiden RNA-profiilia muokataan vielä niiden matkalla lisäkiveksen läpi. Hiiritöissä onkin näytetty, että suurin osa siittiön sisältämistä dieettiin reagoi- vista tsRNA:ista ovat peräisin lisäkiveksen epi- teelin soluista eritetyistä tsRNA:ta sisältävistä vesikkeleitä, jotka vapauttavat sisältönsä siit- tiöihin (24). Lukuisat eläinkokeet vahvistavat ihmisillä saatuja tuloksia ravinnon vaikutuksista siit- tiön epigenomiin. Jyrsijätutkimuksissa on esimerkiksi näytetty, että sekä runsasrasvai- nen (25,26) että pienen proteiinipitoisuuden (27) ravinto muuttaa siittiöiden epigenomia. Siittiö-RNA-profiileissa on nähty muutoksia edellä mainittujen tsRNA:iden lisäksi myös mikroRNA:issa (miRNA) ja piRNA:issa. Hiiri- kokeiden avulla on myös pystytty todistamaan, että ruokavalion aiheuttaman hankitun feno- tyypin (aineenvaihduntahäiriö) aikaansaamat muutokset siittiöiden RNA-profiilissa voivat siirtää tiedon aineenvaihduntahäiriöstä seu- raavaan sukupolveen, ja tällöin jälkeläiset ovat myös alttiimpia häiriöille (17,21,25,27,28). Myös esimerkiksi tupakointi on liitetty heikentyneeseen hedelmällisyyteen, ja ei-tu- pakoivien ja tupakoivien miesten siittiöiden DNA-metylaatioita vertailemalla havaittiin kor- relaatio tupakoinnin ja useiden alueiden mety- laatiomuutosten välillä (29). Mielenkiintoista kyllä, kannabikselle altistumisen yhteys siittiöi- den DNA-metylaatiomuutoksiin näyttäisi ole- van jopa monikymmenkertainen tupakointiin Ydinasiat 8 Ympäristön signaalit muuttavat geenien luentaa epigeneettisten muutosten kaut- ta. 8 Erilaiset ympäristöaltisteet, kuten ravin- to, ympäristön kemikaalit tai psyykkinen stressi voivat aiheuttaa muutoksia miesten sukusolujen epigenomissa. 8 Ympäristöaltisteiden aiheuttamat muu- tokset sukusolujen epigenomissa saatta- vat johtaa lisääntymisterveyden ja hedel- mällisyyden häiriöihin. 8 Siittiöiden epigenomi ja ympäristön sii- hen aiheuttamat muutokset voivat siirtää epigeneettistä tietoa seuraavaan sukupol- veen hedelmöityksessä. Ympäristön ja elintapojen vaikutus miesten sukusolujen 800 verrattuna (30), ja kannabiksen käyttö on myös yhdistetty vähentyneeseen siittiöiden määrään sekä morfologisten poikkeavaisuuksien lisään- tymiseen (31). Ympäristön kemikaalit Joudumme elämään teollistuneessa maailmassa monenlaisten kemikaalien keskellä, ja useiden niistä tiedetään vaikuttavan fysiologisiin pro- sesseihin epigeneettisen säätelyn kautta. Näistä hyvänä esimerkkinä on endokriinista järjestel- mää häiritsevät ympäristöstä peräisin olevat yhdisteet, joita yleisesti kutsutaan hormonaali- siksi haitta-aineiksi (endocrine-disrupting che- micals) (32). Rotta- ja hiirimalleilla on tutkittu paljon hormonaalisten haitta-aineiden prenataalisen altistuksen vaikutuksia altistamalla raskaana olevia naaraita erilaisille yhdisteille ja tutki- malla vaikutuksia seuraavissa sukupolvissa. Lukuisten hormonaalisten haitta-aineiden on näytetty aiheuttavan lisääntymisterveyden ongelmia jyrsijöillä, varsinkin kun altistus ta- pahtuu sikiöaikana sukusolujen epigenomin uudelleenohjelmoinnin ja kiveksen kehityksen aikana (32). Aivan kuten ravinnon aiheutta- mien metabolisten häiriöiden, myös monien ympäristön yhdisteiden (esimerkiksi tuho- laismyrkyt atrasiini, metoksikloori, DDT ja vinklotsoliini sekä muovien lisäaineet kuten ftalaatit ja bisfenoli-A) vaikutusten on näytetty jyrsijöillä siirtyvän sukupolvelta toiselle suku- solujen epigenomin muutosten kautta, usein myös transgenerationaalisesti yli usean suku- polven (32,33). Psykologinen stressi Ympäristön kemikaalien lisäksi myös psyko- loginen stressi, kuten lapsuuden aikainen kal- toinkohtelu, vanhemmista eroon joutuminen tai koettu psyykkinen stressi (esimerkiksi ah- distuneisuus tai masennus), voivat vaikuttaa sukusolujen epigenomiin (34,35). Hiirikokeilla näytettiin, että poikasten stressi, joka aiheu- tettiin vieroittamalla poikaset emostaan sään- nöllisesti tietyksi ajaksi, sai aikaan muutoksia aikuisten poikasten siittiöiden RNA-profiilissa (36). Myös kuuden viikon krooninen uroshiir- ten stressialtistus ennen parituksia muutti siit- tiöiden miRNA-tasoja (37). Krooninen stressi aiheuttaa hypotalamus-aivolisäke-lisämunuai- sakselin (HPA-akseli) toimintahäiriön, ja tä- män muutoksen ajatellaan toimivan signaalina sukusolujen epigenomin muutokselle (37). Mielenkiintoista on, että jopa pelkkä kortikos- teronin antaminen uroshiirille sai aikaan muu- toksia siittiöiden miRNA-pitoisuuksissa (38). Vanhempien stressialtistusmallissa on myös pystytty todistamaan, että stressin aiheuttamat käyttäytymishäiriöt siirtyvät jälkeläisiin siittiöi- den RNA:iden välityksellä (36). Lopuksi On selvää, että epigeneettiset mekanismit ovat tärkeässä asemassa miesten hedelmällisyyden säätelyssä, ja eläinkokeiden tulokset tukevat niiden roolia myös tiedonsiirrossa muuttuneis- ta olosuhteista vanhemmalta jälkeläisille. Mies- ten lisääntymisterveys on huonontunut huoles- tuttavasti viime vuosikymmenten aikana, mikä heijastuu muun muassa siittiöiden määrän ja laadun jatkuvana heikentymisenä (39). Noin puolella pareista, jotka hakeutuvat hedelmöi- tyshoitoihin, vika löytyy miehestä johtuvista tekijöistä, mutta jopa 60–70 % miesten hedel- mättömyystapauksista on idiopaattisia (40). Ympäristöllä on ajateltu olevan tärkeä merkitys miesten hedelmättömyyden taustatekijänä, ja ottaen huomioon ympäristön vaikutuksen su- kusolujen epigenomiin, epigeneettiset häiriöt voisivat mahdollisesti selittää osan ongelmista. Muutokset siittiön epigenomissa onkin yhdis- tetty miehen subfertiliteettiin, ja epigeneettiset määritykset kuten siittiöiden DNA-metylaa- tioanalyysi ja siittiöiden tai siemenplasman ei-koodaavien RNA:iden pitoisuuksien määri- tykset ovat nousseet uudeksi mahdollisuudeksi seuloa siittiöiden laatua. Epigenomin muutosten mahdolliset vai- kutukset jälkeläisten terveyteen entisestään korostavat tarvetta ymmärtää sukusolujen epi- genetiikkaa. Epigeneettinen periytyminen on vakuuttavasti osoitettu eläinmalleilla, mutta tulevaisuudessa on tärkeää selvittää, minkälai- nen rooli sillä on ihmisten terveyden määräy- J. Asteljoki ja N. Kotaja KATSAUS 801 tymisessä. Riippuen altistuksen ajankohdasta ja altistuneesta solutyypistä, sukusolujen epige- neettiset muutokset saattavat joissakin tapauk- sissa olla palautettavissa elämäntapoja muutta- malla. Näin ollen yksi tulevaisuuden haasteista on selvittää, voisiko lisääntymisterveyttä paran- taa ja esimerkiksi metabolisia häi riöitä ehkäis- tä vaikuttamalla siittiön epigenomiin erilaisilla elämäntapainterventioilla ja ympäristöaltistei- den hallinnalla. ■ JUHO ASTELJOKI, fil. yo. NOORA KOTAJA, FT, molekyylilääketieteen professori Turun yliopisto, Biolääketieteen laitos Twitter: @NKotaja @KotajaLab VASTUUTOIMITTAJA Tuomas Mirtti SIDONNAISUUDET Juho Asteljoki: Ei sidonnaisuuksia Noora Kotaja: Ei sidonnaisuuksia KIRJALLISUUTTA 1. Gibney ER, Nolan CM. Epigenetics and gene expression. Hereditary (Edinb) 2010;105:4–13. 2. Holoch D, Moazed D. RNA-mediated epigenetic regulation of gene expression. Nat Rev Genet 2015;16:71–84. 3. Machnik M, Oleksiewicz U. Dynamic sig- natures of the epigenome: friend or foe? Cells 2020;9:653. 4. Berger SL, Sassone-Corsi P. Metabolic signaling to chromatin. Cold Spring Harb Perspect Biol, julkaistu verkossa 1.11.2016. DOI: 10.1101/cshperspect. a019463. 5. McSwiggin HM, O’Doherty AM. Epigene- tic reprogramming during spermatogene- sis and male factor infertility. Reproducti- on 2018;156:9–21. 6. Hackett JA, Zylicz JJ, Surani MA. Parallel mechanisms of epigenetic reprogram- ming in the germline. Trends Genet 2012;28:164–74. 7. Meikar O, Da Ros M, Kotaja N. Epigenetic regulation of male germ cell differentiati- on. Subcell Biochem 2012;61:119–38. 8. Gaucher J, Reynoird N, Montellier E, ym. From meiosis to postmeiotic events: the secrets of histone disappearance. FEBS J 2010;277:599–604. 9. Gold HB, Jung YH, Corces VG. Not just heads and tails: The complexity of the sperm epigenome. J Biol Chem 2018;293:13815–20. 10. Kimmins S, Kotaja N, Davidson I, ym. Testis-specific transcription mechanisms promoting male germ-cell differentiation. Reproduction 2004;128:5–12. 11. Soumillon M, Necsulea A, Weier M, ym Cellular source and mechanisms of high transcriptome complexity in the Mamma- lian testis. Cell Rep 2013;3:2179–90. 12. Lehtiniemi T, Kotaja N. Germ granule- mediated RNA regulation in male germ cells. Reproduction 2018;155:77–91. 13. Czech B, Hannon GJ. One loop to rule them all: the ping-pong cycle and piRNA- guided silencing. Trends Biochem Sci 2016;41:324–37. 14. Marcho C, Oluwayiose OA, Pilsner JR. The preconception environment and sperm epigenetics. Andrology, julkaistu verkossa 4.1.2020. DOI:10.1111/andr.12753. 15. Skakkebaek NE, Rajpert-De Meyts E, Buck Louis GM, ym. Male reproductive disor- ders and fertility trends: influences of environment and genetic susceptibility. Physiol Rev 2016;96:55–97. 16. Lehtiniemi T, Mäkelä M, Kotaja N. Small non-coding RNAs and epigenetic inheri- tance. Kirjassa: Teperino R, toim. Beyond our genes. New York: Springer Internatio- nal Publishing 2020, s. 209–30. 17. Chen Q, Yan W, Duan E. Epigenetic inhe- ritance of acquired traits through sperm RNAs and sperm RNA modifications. Nat Rev Genet 2016;17:733–43. 18. Oliveira PF, Sousa M, Silva BM, ym. Obesi- ty, energy balance and spermatogenesis. Reproduction 2017;153:173–85. 19. Liu Y, Ding Z. Obesity, a serious etiologic factor for male subfertility in modern society. Reproduction 2017;154:123–31. 20. Donkin I, Versteyhe S, Ingerslev LR, ym. Obesity and bariatric surgery drive epige- netic variation of spermatozoa in humans. Cell Metab 2016;23:369–78. 21. Donkin I, Barrès R. Sperm epigenetics and influence of environmental factors. Mol Metab 2018;14:1–11. 22. Ingerslev LR, Donkin I, Fabre O, ym. En- durance training remodels sperm-borne small RNA expression and methylation at neurological gene hotspots. Clin Epigene- tics 2018;10:12. 23. Nätt D, Kugelberg U, Casas E, ym. Human sperm displays rapid responses to diet. PLoS Biol, julkaistu verkossa 26.12.2019. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000559. 24. Sharma U, Sun F, Conine CC, ym. Small RNAs are trafficked from the epididymis to developing mammalian sperm. Dev Cell 2018;46:481–94. 25. Chen Q, Yan M, Cao Z, ym. Sperm tsRNAs contribute to intergenerational inheri- tance of an acquired metabolic disorder. Science 2016;351:397–400. 26. de Castro Barbosa T, Ingerslev LR, Alm PS, ym. High-fat diet reprograms the epigenome of rat spermatozoa and tran- sgenerationally affects metabolism of the offspring. Mol Metab 2016;5:184–97. 27. Sharma U, Conine CC, Shea JM, ym. Biog- enesis and function of tRNA fragments during sperm maturation and fertilization in mammals. Science 2016;351:391–6. 28. Radford EJ. Exploring the extent and scope of epigenetic inheritance. Nat Rev Endocrinol 2018;14:345–55. 29. Jenkins TG, James ER, Alonso DF, ym. Ci- garette smoking significantly alters sperm DNA methylation patterns. Andrology 2017;5:1089–99. 30. Murphy SK, Itchon-Ramos N, Visco Z, ym. Cannabinoid exposure and altered DNA methylation in rat and human sperm. Epigenetics 2018;13:1208–21. 31. Payne KS, Mazur DJ, Hotaling JM, ym. Cannabis and male fertility: a systematic review. J Urol 2019;202:674–81. 32. Brehm E, Flaws JA. Transgenerational effects of endocrine-disrupting chemicals on Male and female reproduction. Endoc- rinology 2019;160:1421–35. 33. Nilsson EE, Sadler-Riggleman I, Skinner MK. Environmentally induced epigenetic transgenerational inheritance of disease. Environ Epigenet 2018;4:dvy016. 34. Yeshurun S, Hannan AJ. Transgenerational epigenetic influences of paternal environ- mental exposures on brain function and predisposition to psychiatric disorders. Mol Psychiatry 2019;24:536–48. 35. Rowold E d’Harcourt, Schulze L, Van der Auwera S, ym. Paternal transmission of early life traumatization through epigene- tics: Do fathers play a role? Med Hypothe- ses 2019;109:59–64. 36. Gapp K, Jawaid A, Sarkies P, ym. Implica- tion of sperm RNAs in transgenerational inheritance of the effects of early trauma in mice. Nat Neurosci 2014;17:667–9. 37. Rodgers AB, Morgan CP, Bronson SL, ym. Paternal stress exposure alters sperm microRNA content and reprograms offspring HPA stress axis regulation. J Neurosci 2013;33:9003–12. 38. Short AK, Fennell KA, Perreau VM, ym. Ele- vated paternal glucocorticoid exposure alters the small noncoding RNA profile in sperm and modifies anxiety and depres- sive phenotypes in the offspring. Transl Psychiatry 2016;6:837. 39. Virtanen HE, Jørgensen N, Toppari J. Se- men quality in the 21st century. Nat Rev Urol 2017;14:120–30. 40. Kothandaraman N, Agarwal A, Abu- Elmagd M, ym. Pathogenic landscape of idiopathic male infertility: New insight towards its regulatory networks. npj Gen- omic Med 2016;1:1–9. Ympäristön ja elintapojen vaikutus miesten sukusolujen