• Suomi
  • English

Hiirimalleista apua ihmisten tautien syntymekanismien selvittämiseen

Pienet erot perimässämme tekevät meistä erilaisia. Monimuotoisuus on hyvä asia, mutta toisinaan geenimuutokset aiheuttavat sairauksia. Hiiret ovat ihmisen sairauksien tutkimiselle hyvä apu, sillä hiiren ja ihmisen genomi on noin 80 prosenttisesti samankaltainen. Hiirikannoista voidaan siksi luoda ihmisen geneettisten tautien malleja, ja näitä malleja voidaan käyttää tautien syntymekanismien tutkimuksessa ja lääkeainesuunnittelussa.

 

Eurooppalainen INFRAFRONTIER-tutkimusinfrastruktuuri tarjoaa yli 6800 erilaista hiirikannan mutaatiota eli käytännössä tuhansien eri sairauksien hiirikantoja. Infrastruktuurissa on 23 jäsenorganisaatiota. Suomea edustaa Oulun yliopistossa toimiva Biocenter Oulu.

Vuonna 2007 lääketieteen ja fysiologian Nobelin palkinnot myönnettiin Mario Capecchille, Olivier Smithiesille ja Martin Evansille tutkimuksesta, jonka ansiosta kantasolujen avulla voidaan luoda muutoksia ja lisäyksiä hiiren omaan, nk. ituradan eli perimän kautta tulevaan genomiin. Evans kehitti menetelmän kasvattaa hiiren alkion kantasoluja. Hän lisäsi kantasoluja hiiren alkioon ja kehittyi hiiriä, joiden soluista osa oli viljeltyjä kantasoluja. Toisin sanoen hiiren perimään saatiin liitettyä kantasolujen avulla toisen hiiren geneettistä materiaalia. Solutasolla hybridit hiiret kehittyivät normaalisti.

Capecchi ja Smithies kehittivät puolestaan menetelmän häiritä tai kokonaan sammuttaa hiiren tietyn geenin ilmentyminen siirtämällä vierasta DNA:ta hiiren kromosomistoon tarkasti määriteltyihin kohtiin. Vieras DNA lopettaa tai merkittäviltä osin sammuttaa geenin toiminnan, jolloin voidaan tutkia mikä geeni vaikuttaa mihinkin hiiren ominaisuuteen. Kohdennettua geenin toiminnan estämistä käytettiin hiiren alkion kantasoluihin. Niiden avulla voitiin kasvattaa hiiri, jonka jälkeläiset olivat kokonaan ns. poistogeenisiä eli niiden perimästä oli poistettu toiminnasta jokin geeni. Tämän tekniikan on nykyään korvannut suurelta osin CRISPR-Cas9- menetelmä.

Koska hiiren yksittäisen geenin toiminta voidaan sammuttaa, pystytään nyt tutkimaan, minkä vaikutuksen kyseisen geenin poiskytkeminen aiheuttaa. Näin on voitu esimerkiksi määrittää geenejä , jotka ohjaavat nisäkkäiden luuston ja tiettyjen sisäelinten kehitystä.

 

Hiirimallit tautien mekanismien tutkimisessa

INFRAFRONTIERin yksiköiden, kuten Biocenter Oulun, tehtävänä on hiirikantojen pakastaminen, säilytys ja jakelu.

 

Geenien toiminnan säätelymenetelmien ansiosta on voitu tehdä hiirimalleja useista ihmisten sairauksista. Näitä hiirimalleja voidaan käyttää tutkittaessa tautien syntymekanismeja, niiden etenemistä ja luonnollisesti myös hoitoa.

”Jos potilaalta löydetään uusi mutaatio ja tauti, me näemme vain taudin lääketieteellisesti luokitellun ilmentymän. On vaikea erottaa, mikä on ensisijainen syy taudin syntyyn tai mikä on toissijainen seuraus, jos kyseessä on pitkälle edennyt tai monielinoireinen tauti,” sanoo dosentti Reetta Hinttala Biocenter Oulusta.

Hinttala on Biocenter Oulun Transgeeniyksikön koordinaattori. Yksikkö on osa eurooppalaista INFRAFRONTIER-infrastruktuuria. IINFAFRONTIER tarjoaa tutkijoille maailmanlaajuisesti pääsyn hiirimalleihin, jotka liittyvät geeniperimän ja sairauksiin tutkimiseen.

Reetta Hinttala tutkii Oulun yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan PEDEGO-tutkimusyksikössä hiirimallien avulla mm. harvinaisia perinnöllisiä sairauksia. Hiirimallit auttavat tunnistamaan tautia aiheuttavat geenit.

”Hiirimallit ovat olennainen osa geenitutkimusta. Niiden avulla pystytään selvittämään organismin tasolla tautigeeniä ja tautimekanismeja. Malli tuo perustietoa siitä, miten tauti etenee. Tutkimalla eri ikäisiä hiiriä saadaan tietoa, mitä eri kudoksissa tapahtuu taudin eri vaiheissa.”

Hinttalan mukaan vastaavanlaista kudostason analyysiä olisi vaikea toteuttaa potilasaineistosta, varsinkin jos kyseessä ovat keskushermostoon vaikuttavat taudit.

”Eläinmalli tuo arvokasta tietoa tapahtumista kudostasolla aivan taudin alkuvaiheessa. Ne voivat olla sellaisia tapahtumia, joita ei välttämättä ihmisellä ole huomattukaan. Kohdentamalla tutkimukset juuri niihin alkuvaiheen muutoksiin on mahdollista löytää taudin varhaiseen vaiheeseen kohdentuvia hoitokeinoja, joita voidaan hyödyntää jatkossa lääkeainekehittelyssä.”

Hiirimallin merkitys tautigenetiikan tutkimukselle on Hinttalan mielestä erityisen arvokasta silloin, kun tutkitaan tuntematonta proteiinia ja taudin mekanismia. Sen avulla päästään tutkimaan oikeassa ympäristössä, mitä kudoksissa taudin edetessä tapahtuu. Koska hiiren ja ihmisen perimä on hyvin samankaltainen, voidaan samoja fundamentaalisia tautia aiheuttavia mekanismeja havaita sekä hiiressä että ihmisessä.

 

 

Kudosten kuvantaminen vaatii tallennustilaa

 

Kudokset rakentuvat soluista ja niitä ympäröivästä soluväliaineesta. Oulussa tutkitaan kudosten rakennetta sekä sitä, miten kudokset järjestyvät muodostaakseen elimiä. Keskeinen apuväline kudosdatan keräämisessä on mikroskooppi, jolla voidaan kuvantaa kudosten rakennetta. Kudosnäytteistä saadaan lisäinformaatiota käyttämällä erilaisia värjäystekniikoita haluttujen rakenteiden osoittamiseksi. Värjäyksissä voidaan käyttää väriaineita, jotka sitoutuvat vain tiettyihin rakenteisiin ja molekyyleihin.

Kuvannetut digitaaliset kudosnäytteet varustetaan metadatalla ja arkistoidaan. Haasteena on kuitenkin kuvannetun datan säilyttäminen ja jakaminen. Slide Scanner- laitteen skannaaman kudosleikkeen kuvatiedoston koko voi jopa nousta kymmeniin gigatavuihin. Haasteena on, miten näitä tiedostoja hallinnoidaan tulevaisuudessa.

Tutkijoilla on suuri tarve säilyttää kuvamateriaali. Data pitää kuitenkin osata kuvailla, jotta se voidaan jakaa tiedeyhteisölle.

”Sekä INFRAFONTIER että ELIXIR-infrastruktuurit tekevät töitä avoimen tutkimustiedon saatavuuden eteen. Jotta esimerkiksi hiiristä tuotettu data olisi maksimaalisesti hyödynnettävissä, se pitää saada käsiteltyä ja analysoitua tutkimusta hyödyntävällä tavalla. Tärkeänä työsarkana pidän myös kuvailua kansainvälisiä standardeja käyttäen, mikä tekee jatkokäytön mahdolliseksi, esimerkkinä tiedon yhdistely täydentäviin tietolähteisiin,” sanoo Tommi Nyrönen, Suomen ELIXIR-keskukseen johtaja CSC:stä.

 

EMMA on hiirimallien laaja arkisto

 

IVF-koeputkihedelmöitys). Hiirten hedelmöittyneitä munasoluja kasvatetaan maljoilla. Kuvassa oleva laite on stereomikroskooppi.

Tieteellisesti merkittävät hiirikannat ovat Euroopassa INFRAFRONTIERin EMMA-arkistossa, joka on yksi maailman johtavista hiirikantojen arkistoista. EMMA (The European Mutant Mouse Archive) arkistoi geenimuunneltuja hiirikantoja eri puolilta maailmaa ilmaiseksi. EMMA:ssa on tällä hetkellä 6800 mutatoitua hiirikantaa eli hiirimallia ja moni näistä hiirimalleista on voitu yhdistää sairauksiin. Münchenissa olevan keskuksen kautta organisoidaan INFRAFRONTIERin eri yksiköiden toimintaa. 12 eri maassa olevien yksiköiden tehtävänä on hiirikantojen pakastaminen, säilytys ja jakelu. Osa tekee myös fenotyypitystä.

”Tutkija voi halutessaan säilöä oman hiirikantansa, hiirimallinsa arkistoon, jos hiirikanta on tarpeeksi hyvin karakterisoitu ja tietty mutaatio hiiressä on luotettavasti todennettu. Kun uusi hiirikanta otetaan EMMA-arkistoon, tutkija lähettää hiiret valittuun yksikköön. INFRAFRONTIERin www-sivuilla on hakupalvelu, josta selviää, mitä hiirikantoja on tällä hetkellä säilytettynä. Pakastettu kanta voidaan myöhemmin elvyttää eläviksi hiiriksi.”

Suomen EMMA-yksikössä Oulussa on arkistoituna 226 eri hiirikantaa. Yksi näistä on Reetta Hinttalan ja lastenneurologian professori Johanna Uusimaan löytämän harvinaisen FINCA-taudin hiirimalli. Siinä tautia aiheuttava NHLRC2- geenin toiminta on sammutettu. Aiemmin toiminnaltaan tuntemattoman NHLRC2-proteiinin on havaittu olevan elintärkeä normaalille sikiönkehitykselle sekä useiden elinten toiminnoille.

 

Fenotyypitys kuvaa hiirimallin

 

Nestetypessä pakastettuja näytteitä

Hiiren oireiden ja muiden ominaisuuksien perusteella tehdään hiiren ilmiasun eli fenotyypin luokitus. Geenimuuntelun vaikutukset hiiren ilmiasuun selvitetään systemaattisten analyysien avulla. Näin ne kuvaavat kyseisen hiirimallin.

”Näitä analyysejä tehdään ns. hiiriklinikoissa, joissa genotyypin ja fenotyypin välisiä vuorovaikutuksia selvitetään käyttämällä kehittyneitä analyysi- ja diagnostiikkatekniikoita,” Hinttala kertoo.

Tutkijoilla on INFRAFRONTIERin kautta pääsy niin Saksan hiiriklinikkaan (German Mouse Clinic) kuin myös mahdollisuus hyödyntää maailmanlaajuisen hiiren fenotyypitystä tekevän konsortiumin IMPC:n palveluja. IMPC (International Mouse Phenotyping Consortium) selvittää tautimekanismia malleissa, joissa yksi hiiren noin 20 000 geenistä on poistettu.

Fenotyypitys tarvitsee myös kansallisen tason toimintaa. Reetta Hinttala on Biokeskus Suomen FinGMice-verkoston puheenjohtaja. Biokeskus Suomen neljä paikkakuntaa (Helsinki, Turku, Kuopio ja Oulu) rakentavat yhdessä kattavaa ja monipuolista hiiren fenotyypitysverkostoa.

Trasngeeniyksikkö, Biocenter Oulu. Kuva: Mikko Törmänen.

”Tavoitteena on taata tutkijoille palvelua, laitteistoa sekä analysointiapua perustason sekä myös erityistason osaamista vaativiin fenotyypityksiin. Erityisen tärkeää on myös siirtää esimerkiksi isoja kuvatiedostoja kudosleikkeistä eri yliopistojen välillä, jolloin saamme tarvittaessa konsultointiapua eri puolilla Suomea olevilta asiantuntijoilta.”

 

Ari Turunen

Lue artikkeli PDF-muodossa

 

Lisätietoja:

 

https://www.infrafrontier.eu

http://www.mousephenotype.org

http://www.fingmice.org

https://www.oulu.fi/biocenter/core-facilities

 

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