• Suomi
  • English

Harvinainen geeniperimä auttaa löytämään yleisiä tauteja ohjaavia mekanismeja

Pohjoissuomalainen väestö on geeniperimältään ainutlaatuinen. Harvinainen geeniperimä on mahdollistanut harvinaisten tautien tutkimisen sekä uusien geenien, proteiinien ja solun reaktioreittien löytämisen.

 

Oulun yliopiston lääketieteellisen solu- ja molekyylibiologian dosentti Reetta Hinttala yhdessä lastenneurologian professori Johanna Uusimaan kanssa löysivät NHLRC2-geenin mutaatioista aiheutuvan, lapsuusiällä ilmenevän vakavan monielintaudin. Vielä ei tiedetä mitä geenimutaation koodaama proteiini tarkalleen tekee soluissa, mutta se on tunnistettu elintärkeäksi alkionkehityksessä.

”Annoimme tälle taudille nimen FINCA (Fibrosis, Neurodegeneration, and Cerebral Angiomatosis) perustuen potilaiden kudoksissa havaittuihin päälöydöksiin. Tutkimuksemme tuloksena FINCA-potilailta löydettiin mutaatioita ensimmäistä kertaa NHLR2-geenistä”, kertoo Hinttala.

Reetta Hinttala tutkii Oulun yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan PEDEGO-tutkimusyksikössä lapsuusiän perinnöllisiä neurologisia sairauksia. Kyseisen tutkimuksen kohteena olleiden perheiden lapsilla havaittiin aiemmin kuvaamatonta sidekudosmuodostusta keuhkoissa, hermosolujen tuhoutumista sekä verisuonten uudismuodostusta aivoissa. Tauti ilmeni kahden kuukauden iässä ja se eteni nopeasti.

”Kyseessä oli uudentyyppinen tautioireisto, joten epäilimme, että kyseessä täytyy olla uusi tauti,” sanoo Reetta Hinttala.

Tutkituilta sekvensoitiin genomin proteiinia koodaavat alueet eli eksomi. Suurin osa tautia aiheuttavista muutoksista sijaitsee tämän hetkisen tiedon mukaan eksomissa joka kuitenkin kattaa vain noin 1,5 % perimästämme.

”Tuloksista paljastui muutoksia NHLRC2-geenin nukleotidijärjestyksessä. Kyseistä geeniä tai sen muutoksia ei oltu aiemmin liitetty mihinkään tautiin tai ylipäätään kuvattu tieteellisissä julkaisuissa. Aloimme siis tutkia tämän geenin koodaavaa proteiinia ja erityisesti sitä mitä se tekee solussa.”

Hiirimalli apuun

FINCA-taudissa häiriö NHLRC2-proteiinin toiminnassa johtaa vakavaan kudosfibroosiin sekä hermosolujen tuhoutumiseen. NHLRC2-geenin roolia hermostoperäisten sairauksien synnyssä voidaan tutkia esimerkiksi solumallien avulla. Kuvassa on soluviljelmämalli, jonka avulla tutkitaan FINCA-mutaation vaikutuksia erityisesti kehittyviin hermosoluihin. Solumallina käytetään hiiren sikiöstä eristettyjä hermosolun esiasteella olevia soluja (NPC, neural progenitor cells). Mutaation vaikutusta hermosolujen toimintaan tutkitaan vertaamalla FINCA-hiirestä eristettyjä hermosoluja villityyppihiiren eli ”terveen kontrollin” soluihin. Näitä soluja voi myös muokata esimerkiksi geeninsiirrolla. Kuvassa osa soluista ovat värjäytyneet vihreksi, koska niihin on mennyt geenisiirron avulla GFP-proteiinia (vihreä fluoresoiva proteiini). Kaikissa kuvassa näkyvissä soluissa ei ole siirtogeeniä. Soluviljelmässä on siirtogeenisiä ja ei-siirtogeenisiä soluja. Punainen väri puolestaan värjää tubuliini-proteiinia, jota on normaalistikin kaikkien hermosolujen tukirangoissa. Sininen väri sitoutuu tumassa olevaan DNA:han.

Kun halutaan selvittää, miten tauti syntyy ja kehittyy ihmisessä, ainoa vaihtoehto on tutkia sitä elävässä organismissa. Vain siten voidaan seurata, mitä tautia aiheuttava proteiini tekee elimistössä. Nyt luotiin hiirimalli, jossa on sama mutaatioyhdistelmä kuin potilailla. Knock-out hiiri, jossa NHLRC2-geeni on kytketty kokonaan pois päältä, hankittiin Infrafrontier-infrastruktuurin EMMA –pankista. EMMA (The European Mouse Mutant Archive) arkistoi geenimuunneltuja hiirikantoja eri puolilta maailmaa. Tämän lisäksi Hinttala ryhmineen loi CRISPR-Cas9 -tekniikalla hiireen FINCA-potilailta löytyneen pistemutaation. Risteyttämällä pistemutaatiota kantava hiiri knock-out hiiren kanssa saatiin mallijoka ilmentää FINCA-potilaiden mutaatioyhdistelmää.

”Kartoitamme hiirimallimme avulla NHLRC2:n roolia erityisesti keskushermoston kehityksessä Suomen Akatemian rahoittamassa projektissa. Kudostasolla olemme saaneet rohkaisevia viitteitä FINCA-tautiin liittyvistä muutoksista myös hiirellä, mutta ilmiasun kokonaisvaltainen kartoittaminen vie vielä aikaa.”

Tautigeenin toiminnan häiriöstä aiheutuvia solutason muutoksia tutkittiin potilaiden fibroblasteista Biocenter Oulun Elektronimikroskooppi-yksikön läpäisyelektronimikroskoopilla. Fibroblasti on sidekudoksen perussolu, joka tuottaa ympäröivän sidekudoksen soluväliaineen.

”Ensimmäiseksi viitteitä löydetyn muutoksen eli variantin haitallisuudesta antaa tieto, muuttaako variantti proteiinin aminohappokoodia. Tutkittavien tapauksessa NHLRC2-geenin mutaatiot muuttivat koodia. Potilaiden viljellyistä ihosoluista tarkistimme myös NHLRC2-proteiinin ilmentymisen. Terveiden ihmisten ihosoluissa NHLRC2 -proteiinia ilmeni normaalisti kun taas tutkittavilla proteiini oli mutaatioiden johdosta lähestulkoon hävinnyt kokonaan. Tämä viittaa siihen, että mutaatiot muuttavat NHLRC2- proteiinin rakennetta niin paljon, että solu pyrkii hajottamaan haitallisen proteiinin kokonaan. Näin pystyimme varmistamaan, että kyseessä ei siis ollut neutraali variantti.”

Tehdyssä tutkimuksessa löydettiin siis uusi normaalille sikiönkehitykselle välttämätön geeni. Tutkijat tulivat siihen tulokseen, että geeni on elintärkeä soluille jo ensimmäisten solunjakautumisten aikana hiirellä. FINCA -potilaiden löydökset osoittivat myös NHLRC2-proteiinin tärkeän roolin useiden elinten toimintojen ylläpidolle ihmisellä.

Solujen viestintäreitit antavat arvokasta tietoa

Tutkijat ratkaisivat NHLRC2 proteiinikiteen rakenteen (Biterova et al. 2018).

Harvinaisten tautien tutkiminen voi johtaa myös yleisten tautien syiden paikantamiseen sellaisiin proteiineihin, joiden toimintaa ei ole aikaisemmin tunnettu.

”Tutkimalla harvinaista tautia on suuri todennäköisyys selvittää reaktioreittejä, joilla on rooli myös yleisimpien tautien taustalla.”

Solun toiminta perustuu biokemiallisille reaktioille. Reaktiot kytkeytyvät päälle tai pois riippuen solun toiminnasta. Solut muuttavat toimintaansa ympäristöstä saapuvien viestien mukaisesti. Kun esimerkiksi hormoni sitoutuu solun pinnalla olevaan reseptoriin, reseptori aktivoi jonkin solun sisällä olevan molekyylin, joka kuljettaa signaalia eteenpäin. Usein signaali päätyy tumaan säätelemään geenien toimintaa. Erilaisia signalointireittejä on suuri määrä. Esimerkiksi syöpäsolut eivät reagoi moniin niille tarkoitettuihin viesteihin. Sen sijaan syöpäsolut vahvistavat signalointireittejä, jotka aiheuttavat solun jakautumista ja siis kasvaimen kasvua.

NHLRC2-proteiinilla on vaikutusta monissa solujen reaktioreiteissä ja tapahtumissa. Tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa osoittamaan, että NHLRC2:n toiminnan häiriö johtaa solujen tukirangan muutoksiin sekä solunsisäisten kalvorakkuloiden muodostumiseen. Tukirangalla on tärkeä rooli useissa solun eri toiminnoissa, sitä ilman solu ei ole elinkykyinen.

Hinttalan mukaan harvinaisia tauteja tutkimalla voidaankin tehdä löytöjä, joilla on merkitystä myös perussolubiologialle. Kallisarvoista on myös tieto geenin ja proteiinin toiminnanhäiriön yhteydestä ilmiasuun ihmisellä.

”FINCA-taudissa NHLRC2-proteiinin toiminnanhäiriö johtaa vakavaan kudosfibroosiin sekä hermosolujen tuhoutumiseen. Myös yleisemmin ilmenevissä taudeissa, kuten esim. maksakirroosissa sekä Alzheimerin taudissa, havaitaan samantyyppisiä kudosmanifestaatioita.”

Hinttalan mukaan harvinaista tautia tutkimalla on suuri todennäköisyys selvittää niitä reaktioreittejä, jotka ovat myös yleisempien tautien taustalla.

”Lapsuusiällä ilmenevien vakavien tautien taustalla on harvoin kyseessä ympäristötekijät joiden rooli vaikeuttaa aikuisiällä ilmaantuvien tautien syntysyiden ja mekanismien tutkimista. Tutkimuksemme kohteena olevat taudit ovat hyvin todennäköisesti perinnöllisiä ja aiheutuvat ensisijaisesti geenien toimintahäiriöstä.”

Ari Turunen

Lue artikkeli PDF-muodossa

Biocenter Oulu

Biocenter Oulu kuuluu osana suomalaisten biokeskusten muodostamaan Biocenter Finlandin, joka kordinoi merkittävien kansallisten tutkimuksen infrastruktuurien toimintaa. Se on myös jäsenenä eurooppalaisissa tutkimusinfrastruktuureissa. Näitä ovat transgeenisten hiirten (Infrafrontier), biologisen kuvantamisen (Euro-BioImaging), ja proteiinirakennetutkimuksen (Instruct) infrastruktuurit.

https://www.oulu.fi/biocenter/

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
http://www.csc.fi
https://research.csc.fi/cloud-computing

ELIXIR

ELIXIR rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
http://www.elixir-finland.org
http://www.elixir-europe.org