Biotutkimuksessa jatkuvat mammuttihankkeet. Genomien selvittäminen on jo rutiinia. Seuraava urakka on ymmärtää, miten geenien tuottamat proteiinit toimivat.


TEKSTI:Juha Laurén

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Biotutkimuksessa jatkuvat mammuttihankkeet. Genomien
selvittäminen on jo rutiinia. Seuraava urakka on ymmärtää,
miten geenien tuottamat proteiinit toimivat.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

8/2000

Geenitutkimus on alkanut muistuttaa hiukkasfysiikkaa: läpimurrot perustuvat megaprojekteihin. Kokonaisten genomien rakenteen selvitys käy yhä vauhdikkaammin.

Todellinen tulevaisuuden haaste on kuitenkin geenien tehtävien selvittäminen. Uusimmat suurprojektit alkavatkin jo järjestelmällisesti tutkia geenien tuotteita eli proteiineja.


Ihmisen genomi loppusuoralla

Sekä kansainvälinen ihmisgenomiprojekti HGP että Celera-yhtiö saivat tänä vuonna aikaan luonnoksen ihmisen koko perimän dna:n emäsjärjestyksestä. Lopullinen, moneen kertaan tarkistettu versio valmistunee kokonaan viimeistään vuonna 2003.

Lopullista versiota ei kuitenkaan julkisteta vasta silloin, kertarysäyksenä, vaan tarkistetut osiot tulevat jo pala palalta tutkijoiden saataville tietoverkkoihin. Isommat kokonaisuudet esitellään johtavissa tiedelehdissä kromosomi kerrallaan.

Tänä vuonna julkaistiin kromosomin numero 21 viimeistelty dna-sekvenssi. Se ja jo aiemmin selvitetty numero 22 valmistuivat ensimmäisinä, koska ne ovat ihmisen 23 kromosomista pienimmät. Numero 21 on monelle tuttu siitä, että sen ylimääräinen kopio aiheuttaa Downin oireyhtymän.

Tutkijoiden yllätykseksi kromosomista 21 löytyi vain 225 geeniä. Tämän perusteella ihmisen koko perimässä on ehkä vain 40 000 geeniä aiemmin oletetun 80 000:n sijasta. Tosin määrästä ei olla vieläkään varmoja; eräs toinen tämänvuotinen laskelma viittaa peräti 120 000 geeniin.


 





Megaa myös Suomessa

Lokakuussa käynnistyi maamme kaikkien aikojen suurin bioalan tutkimushanke Life 2000 eli Bio-logisten funktioiden tutkimusohjelma. Suo-men Akatemia ja Tekes rahoittavat sitä yhteensä 82 miljoonalla markalla. Ohjelmaa koordinoi Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutti.

Life 2000:een osallistuu satoja tutkijoita 37:stä eri projektista. Edustettuina ovat muun muassa neurotieteet, kehitysbiologia, genomien toiminnan tutkimus, bioinformatiikka, biofysiikka ja bioetiikka.

Tässä tapauksessa kokkitulva ei pilaa soppaa, vaan elämän tutkimuksen nykyvaiheessa juuri monitieteisyys on valttia.

Monen alan yhteisvoimin opitaan vähitellen ymmär-tämään molekyylitasolta alkaen, miten kokonaiset solut ja elimistöt toimivat. Postgenomiajan biotutki-mus on siis vähittäistä näkökulman vaihtoa pienis-tä yksityiskohdista suuriin kokonaisuuksiin.

Tällaisiin kokonaiskuviin Life 2000 osaltaan tähtää. Samalla kokonaisuuden häiriöiden eli sairauksien perussyitä opitaan hoitamaan yhä täsmällisemmin.

Ohjelmassa tutkitaan myös eettisiä ja yhteiskun-nallisia vaikutuksia, joita uudenlaisella biotiedolla voi olla.  Geenien lukeminen ja muuttaminen ovat tutkijoiden arkea. Tekniset esteet ovat väistymäs-sä. Nyt rajoja vetävät vain raha ja etiikka.

Petri Riikonen


Banaanikärpäsen perimä luettiin

Tänä vuonna myös banaanikärpäsen koko perimä luettiin läpi. Tarkasti ottaen Celera-yhtiön tutkijat selvittivät perimää 120 miljoonan "kirjaimen" verran, joka on vain noin kaksi kolmasosaa kärpäsen koko perimästä. Lukematta jätetty perimä on kuitenkin sellaisilla alueilla, joilla geenejä ei oleteta olevan kuin muutamia.

Kaiken kaikkiaan banaanikärpäsestä löytyi noin 13 600 geeniä. Arvio on kuitenkin epätarkka, koska vielä ei olla aivan varmoja siitä, mitkä dna:n jaksot voivat toimia geeneinä.

Kärpäsen geeneistä yli 3 000 oli hyvin samanlaisia kuin leivinhiivalla, jonka genomi selvitettiin jo vuonna 1996. Tutkijat etsivät kärpäsestä vastinetta myös liki 300:lle ihmisen tautigeenille, ja noin 60 %:lle vastine löydettiinkin. Tämä kannustaa tutkimaan sairauksiamme kärpäsenkin avulla.

Eri eliöiden genomien lukemisen toivotaan myös vähitellen selvittävän, mitä elämä oikein on. Banaanikärpänen tulee siis toimeen 13 600 geenillä, mikä on oikeastaan aika vähän. Tietokoneen käyttöjärjestelmän koodillakin lienee enemmän pituutta. Elämän arvoitus ilmeisesti piileekin niissä lukemattomissa tavoissa, joilla geenien tuottamat proteiinit ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Näin kukin geeni pystyy vaikuttamaan e

liössä tavalla, jota ei nykyisin voida uneksiakaan pääteltävän dna:n sekvenssistä.

Geenien toiminnan kartoittamiseksi onkin jo polkaistu käyntiin useita jättiprojekteja. Osa näistä on todellisia yhteishankkeita HGP:n tavoin, mutta osa on löyhempää, tiettyjen aihealueiden ympärille koottua rahoitusyhteistyötä.

Seuraavaksi on proteomin vuoro

Geenien ohjeiden avulla solu rakentaa tarvitsemansa proteiinit, mutta geenin dna-sekvenssistä ei pystytä toistaiseksi päättelemään syntyvän proteiinin kolmiulotteista rakennetta.

Proteiinin rakenteesta kuitenkin riippuu, mitä tehtäviä se solussa toimittaa. Elimistön kaikkien proteiinien eli proteomin rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen onkin yksi seuraavista haasteista genomin lukemisen jälkeen. Yksittäisten proteiinien rakennetietojen avulla voidaan sitä paitsi suunnitella lääkeaineita.

Tähän asti pienet tutkimusryhmät ovat selvittäneet proteiinien rakenteita yksi kerrallaan, ja tietokantoihin on kertynyt muutamia tuhansia esimerkkejä. Näistä vain kourallinen on lääketieteellisesti kiinnostavimpia proteiineja, eli sellaisia, jotka ovat ihmisen solujen pinnalla ja voivat siksi toimia esimerkiksi lääkemolekyylien tarttumakohteina.

Tänä vuonna Yhdysvaltain terveysministeriö aloitti jättiprojektin proteiinien rakenteiden selvittämiseksi. Rahaa hankkeelle annettiin peräti noin miljardi markkaa.

Suomen Akatemia käynnisti vastaavan rakennebiologian hankkeen 29 miljoonan markan budjetilla. Myös useat yritykset ovat lähteneet mukaan kilpaan.




Mammuttiprojektien syksy

- Yhdysvaltain kansallinen lääketieteen insti-tuutti NIGMS aikoo selvittää 10 000 proteiinin rakenteen seuraavan 10 vuoden aikana. En-simmäiseksi viideksi vuodeksi se käynnisti miljardin markan rakennebiologia-ohjelman.


(Science 29.9.)

- Lituruohon eli Arabidopsiksen genomi on määrä julkaista ensimmäisenä kasvigenomina Naturessa vielä tänä vuonna. (Science 6.10.)

- Euroopan komissio on rahoittamassa kahta hanketta, joissa tutkitaan lituruohon genomin toimintaa. (Nature 12.10.)

- Stanfordin yliopiston kemisti Vijay Pande haluaa luoda nettiin proteiinien laskostumista mallintavan projektin, joka lainaisi kotitietokonei-den laskuapua Seti-projektin tavoin. Projektiin on liittynyt jo 5 000 kotikonetta. Vijay toivoisi 100 000:ta. http://foldingathome.stanford.edu/


(Nature 12.10.)

  ensi helmi-maaliskuuhun mennessä, eli kolme vuotta aiemmin kuin otaksuttiin. Celera on jo sekvensoinut kolmen eri hiirikannan genomin. (Nature 12.10. ja Science 13.10.)

- Kansainvälinen riisin genomiprojekti on hyvässä vauhdissa. Riisistä tulee ensimmäinen koko genomiltaan tunnettu hyötykasvi. Monsanto antoi tekemänsä riisin genomin luonnoksen kansainvälisen projektin käyttöön.


(Science 13.10.)

- Suurin osa malarialoision genomista valmistuu yhdeksässä kuukaudessa ja loputkin vuoden kuluttua tästä. Otuksen sekvensointi on ollut teknisesti vaikeampaa kuin esimerkiksi ih-misen.


(Science 20.10)

Petri Riikonen


Dna-sirulla kokonaiskuva toiminnasta

Toinen tärkeä kysymys on selvittää, mitkä kaikista geeneistä ovat kussakin solussa aktiivisia. Geenien aktiivisuuden kartoittaminen on tärkeää, koska vain aktiiviset geenit vaikuttavat solun elämään. Aktiivisten geenien joukkoa kutsutaan transkriptomiksi.

Joulukuussa 1999 julkaistun raportin mukaan esimerkiksi ihmisen ihon soluissa on noin 13 000 aktiivista geeniä, hermosoluissa puolestaan noin 24 000. Vain murto-osa koko perimämme geeneistä on siis toiminnassa yhdessä solutyypissä.

Eri geenien aktiivisuutta voidaan kartoittaa esimerkiksi niin sanotulla geenilastulla eli dna-sirulla, johon mahtuu jopa 10 000 geeniä kerralla. Näin tutkijat ovat jo esimerkiksi määritelleet eri leukemiatyyppejä sairastavat potilaat entistä tarkempiin alaryhmiin. Tällä on merkitystä niin taudin ennusteen kuin hoidonkin kannalta.

Eliöiden yhteinen alkuperä näkyy

Lokakuussa Science-lehdessä julkaistiin Yhdysvalloissa Harvardin yliopistossa geenilastuin tehty tutkimus, jossa ensimmäistä kertaa seurattiin monisoluisen eläimen kaikkien geenien aktiivisuutta eläimen eri kehitysvaiheissa. Eläin oli sukkulamato, jonka 19 000 geeniä sisältävä perimä luettiin läpi vuonna 1998.

Kävi ilmi, että sukkulamadon yksilönkehityksen alussa ovat aktiivisimpia elämälle välttämättömät perusgeenit, joita on niin bakteereissa kuin eläimissäkin. Myöhemmin lisääntyy vain eläimille ominaisten geenien toiminta, ja lopulta saavuttavat aktiivisuushuippunsa juuri sukkulamadolle ominaiset geenit.

Tässä näkyy elegantisti kaikkien eliömuotojen yhteinen alkuperä: jokaisen yksilön kehityksessä hahmottuu koko eliökunnan sukupuu. Näin geenitutkija kurkistaa elämän esihistoriaan samaan tapaan kuin kosmologi kaukoputkeen katsoessaan näkee maailmankaikkeuden menneisyyteen.

Tehtäviä voi tutkia kaloissakin

Geenitutkijoilla on muutamia "lempilapsia", mallieliöitä, joihin tutkimus kohdistuu - osin historiallisista, osin käytännöllisistä syistä. Tällaisia ovat esimerkiksi hiiri, sukkulamato, kolibakteeri ja seeprakala.

Tietyn geenin tehtävä elimistössä saadaan parhaiten selville poistamalla kyseinen perintötekijä vaikkapa hiiristä ja seuraamalla, kuinka poistogeeniset hiiret kehittyvät. Tätäkin tehdään nykyisin jo miltei liukuhihnatyönä.

Nobel-palkittu tutkija Christiane Nuesslein-Volhard on päättänyt panostaa seeprakalaan. Hän on aloittanut projektin, jossa aiotaan etsiä kaikki kalan yksilönkehitykseen vaikuttavat geenit ja selvittää niiden tehtävät.

Seeprakalan etuna on osittainen läpinäkyvyys. Sen ansiosta sisäelinten kehitystä ja kehityksen häiriöitä voi seurata elävistä eläimistä.

Tutkijat ovat hankkineet peräti yhdeksäntuhatta 12-litraista akvaariota, joissa on määrä kasvattaa projektin aikana noin seitsemäntoista miljoonaa seeprakalaa. Tutkijat toivovat, että tämän kehitysbiologian mammuttiprojektin ansiosta kehityshäiriöiden selvittäjillä olisi tulevaisuudessa tarkka kuva prosessin kaikista yksityiskohdista.

 Simpanssin genomin kimppuun

Myös eläingenomihankkeet jatkuvat. Hiiren perimä on valmistumassa, ja pian saattaa olla lähisukulaisemme simpanssin vuoro.

Elokuussa japanilainen instituutti ilmoitti, että se on jo alkanut lukea simpanssin perimää selvittääkseen, mikä tekee meistä ihmisiä. Erityisesti projektissa aiotaan keskittyä niihin geeneihin, jotka ovat aktiivisia ihmisen aivojen puhealueilla.

Tänä vuonna on myös luettu eri mikrobien genomeja niin kiivaaseen tahtiin, että eräiden arvioiden mukaan vuodenvaihteessa tietoverkoissa on jo noin sadan lajin dna-sekvenssit. Vielä marraskuun puolivälissä läpi luettuja lajeja oli 34.

  Artikkeli perustuu suurelta osin esitelmiin, jotka pidettiin European Life Scientist Associationin vuosikokouksessa Genevessä syyskuussa 2000.

Sisältö jatkuu mainoksen alla