Miten elimistön puolustusjärjestelmä tunnistaa miljoonat vieraat aineet?Sotivatko molekyylit meissä? Missä on yksilön ja ulkomaailman raja?


TEKSTI:Jani Kaaro

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Miten elimistön puolustusjärjestelmä tunnistaa miljoonat vieraat aineet?


Sotivatko molekyylit meissä? Missä on yksilön ja ulkomaailman raja?

Julkaistu Tiede-lehdessä

3/2001

Kaikki ovat kuulleet kultamunia munivista kanoista. Harva kuitenkaan tietää, että niitä löytyy Turun yliopiston koe-eläinlaboratorion orrelta. Siellä ne kuuntelevat Radiomafiaa ympäri vuorokauden - jostakin syystä rock ja taukoamaton höpötys rauhoittavat niitä.

Kanoja pääsee katsomaan vain tutkijoiden kanssa. Ensin on pestävä kädet, puettava haalarit ja pantava suojakengät jalkaan ja sairaalamyssy päähän.

- Kanojen jalostamiseen on kulunut kaksikymmentä vuotta, kertoo Turun biolääketieteellisen tutkijakoulun johtaja dosentti Olli Lassila. Niin kauan tarvitaan sisäsiittoisen kannan muodostumiseen. Sisäsiittoisten kanojen kudoksia voidaan siirtää yksilöstä toiseen, eikä niille synny hylkimisreaktiota.

Lassilan opiskelija Pekka Kohonen kiikuttaa tutkimushuoneeseen munan. Se on aivan tavallisen näköinen, mutta tutkimukselle se on kultakaivos.

Muna on noin kolmen päivän ikäinen. Lassila naputtelee siihen lusikalla ja kirurginveitsellä pienen sievän kannen. Hän kuorii sen niin taitavasti pinsettien avulla, että munan suojakalvo jää ehjäksi. Sitten hän pujottaa pitkät pinsetit munan sisään ja nostaa esiin pienen, keltaisen limamöykyn.

Mikroskoopin alla möykystä paljastuu kanan sikiö. Mutta jos maallikon pitäisi arvata, mitä mikroskoopin alta paljastuu, veikkaus menisi taatusti vikaan. Kanan sikiössä on jotakin perin hirmuliskomaista.

- Pari vuotta sitten Argentiinasta löydettiin tuhansia fossiilistuneita dinosauruksen munia, Lassila kertoo käännellessään sikiötä sopivaan asentoon.

- Munan sisään fossiilistuneista sikiön jäännöksistä julkaistiin kuvia. Ajattelin, että hei, nehän näyttävät ihan kanalta.

Hirmuliskosta syntyy hauska ajatusleikki. Entä jos tutkittavana olisikin dinosauruksen sikiö? Olisiko silläkin samanlainen Fabriciuksen bursa kuin kanalla? Fabriciuksen bursa on kanan immuunijärjestelmän keskeisin elin, joka sijaitsee pyrstön tyvessä.

- Dinosaurusten immuunijärjestelmän on täytynyt olla hyvin samankaltainen kuin kanan, Lassila aprikoi.

  Mitä ihmettä? Selviääkö sikiö tuollaisesta käsittelystä?

  Lassila sanoo.

Kuin käärmeenpureman hoitoa

Harva tietää, että immunologit ovat ahertaneet 30 viime vuotta saman kysymyksen parissa kuin ekologit, paleontologit ja evoluutiobiologit: miten monimuotoisuus syntyy?

Immuunijärjestelmää voi verrata käärmeenpureman hoitoon. Esimerkiksi kobran puremaan on saatavissa vasta-ainetta, joka neutraloi käärmeen myrkyn. Vasta-aine kuitenkin tehoaa vain kobraan, ei vihreän mamban tai kyyn myrkkyyn. Samalla periaatteella elimistömme B- ja T-solut eliminoivat vieraita bakteereja, viruksia, saasteita ja kemikaaleja kehostamme. Immuunijärjestelmä on hyvin täsmällinen: yhtä vierasta proteiinin osaa kohden on vain yksi vasta-aine.

Ennen kuin immuunijärjestelmä voi toimia, sen on tunnistettava vieraat proteiinit. Vain siten se voi tuottaa soluja, jotka tuottavat oikeanlaista vasta-ainetta. Juuri tunnistamiseen liittyy immunologian suuri kysymys. Miten on mahdollista, että immuunijärjestelmä voi tunnistaa niin paljon erilaisia aineita?

Bakteereja, viruksia, homeita, alkueliöitä ja niiden erilaisia muunnoksia on miljoonittain. Kun bakteerista syntyy uusi mutaatio, sen proteiinirakenne muuttuu. Immuunijärjestelmän kyky tunnistaa erilaisia proteiineja näyttää kuitenkin ehtymättömältä. Se kehittää nopeasti uudelle mutaatiolle vasta-aineita tuottavia valkosoluja.

  vaivattomasti tunnistavat moderneja kemikaaleja. Aivan kuin sinne olisi kirjoitettu tieto kaikesta unversumin materiaalista.

Hyvän esimerkin immuunijärjestelmän monimuotoisuuden merkityksestä tarjoaa kana, jolta sikiövaiheessa poistetaan Fabriciuksen bursa. Koska B-solujen monimuotoisuus syntyy nimenomaan bursassa, kana ei kykene muodostamaan sitä valkosolujen kirjoa, joka tarvitaan mikrobeja vastaan. Sen verestä on kyllä mahdollista mitata suuriakin vasta-ainepitoisuuksia, mutta vasta-aineet eivät tunnista vieraita mikrobeja. Bursaton yksilö kuolee sairauksiin, jotka tavallisesti ovat vaarattomia.

Vasta-ainegeeneissä elämän valttikortit

Nykyään tiedetään jo verrattain hyvin, miten monimuotoisuus syntyy. Kaikkien selkärankaisten vasta-aineet syntyvät niin sanotuista minigeeneistä. Ne on jaettu erilaisiin perheisiin, jotka tunnetaan nimillä V, D, J ja C. Kaikkien perheiden on liityttävä yhteen, ennen kuin toimiva vasta-aine voi syntyä.

B-solujen syntyminen on hyvin monimutkaista ja vaikeaselkoista biokemiaa. Sen hahmottamista helpottaa, jos kuvittelee VDJC-geenien perheyhteisön korttipakaksi.

Nisäkkäillä, kaloilla ja sammakoilla monimuotoisuus syntyy tätä "korttipakkaa" sekoittamalla. Kustakin perheestä yksi kortti hypähtää pois paikaltaan ja muodostaa uusia, ainutlaatuisia yhdistelmiä perheyhteisön sisälle. Aina kun korttien järjestys pakassa muuttuu, syntyy uutta vasta-ainetta tuottava B-solu. Kytkösten ja yhteenliittymien kautta erilaisia vasta-aineita voi syntyä reilusti toista miljardia.

Kanan strategia on toisenlainen. Kaikki eri geenimuunnelmat syntyvät V-geeniperheen sisällä. Kana ei sekoita kortteja juuri lainkaan, vaan se valitsee pakasta yhden kortin - esimerkiksi pataässän. Sitten kana tekee pataässästä lukemattomia erilaisia muunnelmia, joita se sijoittaa sinne tänne pakan joukkoon. Tuloksena on siten lukuisia pakkoja, joissa on erilaisia pataässämuunnelmia erilaisessa järjestyksessä. Jokainen pakka vastaa tietynlaista vasta-ainetta tuottavaa valkosolua.

- Molemmat menetelmät tuottavat monimuotoisuutta yhtä tehokkaasti, mutta miksi lintujen systeemi poikkeaa näin ratkaisevalla tavalla muista selkärankaisista, on meille täysi arvoitus, Lassila sanoo.

Lintujen ja nisäkkäiden immuunijärjestelmät eroavat monilta muiltakin osin. Nisäkkäillä, kuten meillä ihmisillä, uusia puolustussoluja syntyy läpi koko elämän. Fabriciuksen bursa sen sijaan surkastuu, kun lintu saavuttaa sukukypsyyden. Sen jälkeen puolustusjärjestelmän soluja ei enää synny.

- Käytämme ilmiöstä nimeä Big Bang, sanoo Lassila. Kanan on pärjättävä tällä alkusatsauksellaan eli tipuajan B-soluilla lopun elämäänsä.

Kanatutkimuksesta apua leukemiaan?

Kanojen bursan tutkimukselta toivotaan tuloksia lasten akuutin, aggressiivisesti etenevän leukemian hoitoon.

Lasten lymfoblastisen leukemian syy tiedetään, mutta hoitokeinoa tautiin ei ole. Syynä ovat "pillastuneet" kantasolut, jotka ovat B-solujen ja muiden valkosolujen esi-isiä. Siinä vaiheessa kun kantasolujen pitäisi erikoistua kypsiksi valkosoluiksi, näin ei tapahdukaan. Ne vain jakaantuvat tuottaen miljoonittain itsensä kaltaisia kopioita. Lopulta leukemiasoluja on niin paljon, ettei terveille valkosoluille jää tilaa, ja potilas kuolee.

Tauti johtuu kantasolujen geenivirheestä. Yksi virhelähde on jäljitetty niin sanottuun Ikaros-geeniperheeseen, joka säätelee B-solujen kehittymistä. Lassilan oppilaat Kalle-Pekka Nera ja Pekka Kohonen tutkivat sitä, miten geenivirhe syntyy ja miten kantasolut voitaisiin ohjelmoida uudelleen tuottamaan valkosoluja. Uudelleenohjelmoinnin mahdollisuutta tutkitaan sammuttamalla tiettyjä Ikaros-geenejä eli estämällä niiden toimintaa. Näin saadaan tietoa siitä, miten geenit viestivät keskenään. Jos tutkijat löytävät geenit, joiden vuoksi kantasolu ei muutukaan valkosoluksi vaan jatkaa jakautumista, saatetaan löytää myös ratkaisuja sairauden hoitoon.

Geenien sammuttaminen on itse asiassa varsin hankalaa. Tavoitteena on korvata toimiva geeni muokatulla sammutetulla geenillä. Muokatun geenin on sijoituttava täsmälleen oikeaan kohtaan dna-ketjua, mikä on tekniikan suurin ongelma. Erityisesti hiirissä, ihmisissä ja sammakoissa on lähes toivotonta saada geeniä asettumaan haluttuun kohtaan.

Kanan B-soluissa muokattu geeni asettuu oikealle paikalle paljon helpommin; tämä perustuu kanojen ainutlaatuiseen tapaan luoda B-solujen monimuotoisuutta. Neran mukaan sammutustekniikka mahdollistaakin kanan kantasolujen tehokkaan uudelleenohjelmoinnin.

Immuunijärjestelmä voi olla taakkakin

Lassilan työryhmän tuloksia tutkitaan innokkaasti myös lääketieteellisten piirien ulkopuolella. Kanatutkimus on tuonut kipeästi kaivattua tietoa lintujen immuunijärjestelmästä molekyylitasolla.

Jossakin mielessä koko immunologinen tutkimus on kuitenkin edennyt takaperin puuhun. Vaikka ihmisen, hiiren ja kanan immuunijärjestelmä tunnetaan molekyylitasolla melko hyvin, suuriin kysymyksiin ei osata vastata.

Jos immuunijärjestelmä on niin tärkeä lajien selviytymiselle, miksi evoluutio ei panosta siihen enemmän? Miksi immuunijärjestelmän teho vaihtelee niin paljon eri yksilöiden välillä? Viime vuosina asiasta kiinnostuneet ekologit ovat esittäneet kiintoisan ajatuksen: ehkä immuunijärjestelmä ei olekaan aina yksinomaan hyödyllinen.

Tätä ajatusta tukevat banaanikärpästutkimukset. Banaanikärpästen toukissa elää pieni loinen, jota vastaan eräät yksilöt ovat kehittäneet vastustuskyvyn. Kun loinen tunkeutuu niiden ruumiiseen, immuunijärjestelmän solut ympäröivät loisen ja kapseloivat sen vaarattomaksi. Solut sulattavat sitten tunkeilijan, ja paikalle jää vain musta läikkä merkiksi sen murhenäytelmästä.

  saanut vastustuskyvyn.

Yllättävää kyllä, että loiselle vastustuskykyiset yksilöt pärjäsivät muuten huonosti elämässä. Ne jäivät viimeiseksi kilpailussa ravinnosta ja elintilasta.

Lisääntyminen monesti tärkeämpää

Monet ekologit ovat taipuvaisia ajattelemaan, että immunologian ylläpitäminen on kallista eli se vie energiaa ja kuluttaa ravinteita. Jos energiaa tarvitaan hengissä pysymiseen, lisääntymiseen tai kasvuun, yksilön ei välttämättä kannata ylläpitää hyvää puolustusjärjestelmää.

Tämä saattaisikin osaltaan selittää sen omituisuuden, että luonnossa parhaiten lisääntyvä yksilö kantaa usein suurta loistaakkaa. Tätä ilmiötä ovat esitelleet muun muassa ruotsalaistutkijat Ben Seldon ja Simon Verhulst artikkelissaan Trends in Ecology and Evolution -lehdessä 1996. Lisääntyminen voi siis mennä tärkeysjärjestyksessä puolustusjärjestelmän ylläpitämisen edelle.

Ekologien osallistuminen immunologiseen tutkimukseen on erittäin tervetullutta.

Lääketiede olettaa, että terveys on ilman muuta tärkeintä, mutta ekologit kysyvät, mitä elämässä kannattaa tehdä. Jos yksilö elää alueella, jolla on vain vähän loisia, ei kannata ylläpitää hyvää puolustusjärjestelmää. Jos taas loisia on erittäin paljon ja ne ovat voimakkaita, silloinkaan ei kannata panostaa puolustusjärjestelmään. Miksi taistella, jos taistelu on turhaa? Ehkä immuniteettijärjestelmää ei kannata pitää tarpeettomasti iskukunnossa, koska se voi erehdyksessä kääntyä tuhoamaan omia soluja.

Immuunijärjestelmä on ekosysteemi

Kaikkea immunologista tutkimusta haittaa edelleen yksi puute. Siitä puuttuu evolutiivinen kokonaisnäkemys. Kummallista todeta puolen vuosisadan intensiivisen tutkimuksen jälkeen, ettemme tiedä, mitä immuunijärjestelmä on.

Järjestelmä on yleisesti mielletty sotatantereeksi itsen ja ei-itsen välillä. Jotta valkosolu kykenisi torjumaan vieraita proteiineja, sen on ensin tunnistettava omat proteiinit. Valkosolut siis palvelevat itsen koskemattomuutta ja puhtautta ja torjuvat kaikkea vierasta.

Erityisen suosittu vertauskuva immuunijärjestelmälle on ollut Tähtien sota. Valkosolut onkin helppo kuvitella partioiviksi avaruuslaivoiksi, jotka eliminoivat lasersäteillään vieraan elämänmuodon edustajia. Nykyään tämä sama kuva on levinnyt tietokonepelien puolelle.

Nämä kuvat eivät kuitenkaan ole tieteellisiä tosiseikkoja vaan niiden tulkintoja. Molekyylit eivät sodi tai puolusta yhtään enempää kuin ne ajattelevat. Lassila epäilee, että kielikuvat periytyvät osaksi lääketieteellisestä tutkimuksesta. Lääkäreiden on aina ollut helppoa asennoitua taistelemaan "pahoja" mikrobeja vastaan.

Lassilan mukaan immuunijärjestelmää kannattaa ajatella ekosysteeminä. Sen kautta olemme jatkuvassa vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Hyvä vertauskuva on antropologi Gregory Batesonin tapa ajatella ihmisen minän ulottuvuutta. Hän kysyi, mihin sokean miehen minä päättyy. Kepin päähän, kepin puoliväliin vai kenties keppiä pitävään käteen? Samalla tavoin meidän on mahdotonta sanoa, missä kulkevat immuunijärjestelmämme - ja itsen - rajat.

Immuunijärjestelmä on siis jonkinlainen molekyylitason tuntoaisti, jonka avulla pysymme tasapainossa ympäristön kanssa. Vuosimiljoonien kuluessa monet mikrobit ovat läpäisseet järjestelmämme. Jokaisessa solussamme on elämälle välttämätön mitokondrio, joka alun perin oli bakteeri. Suolistossamme on miljardeja bakteereita, jotka ovat itse asiassa tärkeä osa puolustusjärjestelmäämme. Immuunijärjestelmä ei eristä meitä yksinäiseksi, itsenäiseksi "itseksi", vaan sen kautta ympäristö liittyy osaksi meitä ja me kurkotumme kohti ympäristöä.

Jani Kaaro on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla