Geenitutkijat kykenevät nykyään lukemaan veri- tai kudosnäytteen jokaisen yksittäisen solun genomin, mikä tarjoaa uusia mahdollisuuksia muun muassa syöpähoitoihin.
Raili Leino
Helsingin yliopiston professori Satu Mustjoki johtaa tutkimusryhmää, joka selvittää leukemian syntyä ja analysoi geenien ilmentymistä rna-tasolla. Tutkijat erottelevat ja lukevat verinäytteestä sekä erilaiset syöpäsolut että erityyppiset verisolut.
Vielä muutama vuosi sitten genomianalyysin tulosta saattoi verrata pirtelöön, jonka aineksia ei voi erotella toisistaan. Veri- ja syöpäsolujen genomit sekoittuivat keskenään.
”Nyt meillä on hedelmäsalaatti, jonka jokaista ainesosaa pystymme tutkimaan erikseen”, Mustjoki kuvailee.
Ryhmä käyttää syöpäsolun analysoimiseen yksisolutekniikkaa. Tutkijat paneutuvat myös immuunijärjestelmän solupopulaatioihin ja niiden toimintaan sekä verisyöpien immunologisiin säätelymekanismeihin.
Veren T-solut, valkosoluihin kuuluvat puolustajat, ovat virittyneet taistelemaan elimistölle vieraita soluja, bakteereita ja viruksia vastaan.
T-solut eivät kuitenkaan saa olla liian ärhäköitä, jotta ne eivät käy kehon omien solujen kimppuun ja aiheuta autoimmuunireaktiota. Siksi niissä on tarkat säätelymekanismit ja jarruina tiettyjä tarkistuspisteitä.
”Syöpä voi vaatia, että jarrua vähän löysätään ja immuunireseptoreita sidotaan tietynlaisilla vasta-aineilla, jotta solut saadaan hanakammin hyökkäämään syövän kimppuun”, Mustjoki selittää.
”Potilaalta voidaan myös ottaa talteen T-soluja, joihin geenimuokkauksen avulla istutetaan syöpäsoluja tunnistava kimeerinen antigeenireseptori.”
Muokattuja soluja viljellään laboratoriossa, kunnes niitä on hoitoon riittävä määrä, jolloin ne voidaan istuttaa takaisin potilaaseen.
Tutkijat voivat myös selvittää T-solun kaikkien geenien ilmentymisprofiilin ja samaan aikaan analysoida sen immuunireseptorin, jonka avulla se voi tunnistaa syöpäsoluja tai muita soluja.
”Tämä on vielä hankalaa ja vaikeaa, mutta parhaassa tapauksessa voimme nähdä, miten virusta tunnistava T-solu eroaa syöpäsolua tunnistavasta T-solusta.”
Parhaimmillaan tutkijat saavat selville myös sen, onko näillä kahdella erilainen aktivaatiotila ja erilaiset jarrumolekyylit, sekä sen, mihin niistä voisi lääkkeillä vaikuttaa.
Mekanismiin perustuvia syöpähoitoja on jo käytössä, mutta ne ovat kalliita ja hitaita. Käytännössä jokaiselle potilaalle on kehitettävä oma lääke, joka muille annettuna aiheuttaisi immunologisen torjuntareaktion.
Tappajasolut töihin
Satu Mustjoen ryhmä tutkii myös NK-soluja (Natural Killer), kehon luonnollisia tappajasoluja.
NK-solujen tehtäviin kuuluu tunnistaa ja tuhota suoraan elimistössä sellaisia soluja, joiden solukalvojen pinta-antigeenit viittaavat virusinfektioon tai syöpään. Tyypillinen tällainen muutos on MHC-I -proteiinin katoaminen solun pinnalta.
Toisin kuin T-soluista NK-soluista saattaisi tulla hyllylääke, jota voidaan valmistaa varastoon ja antaa kaikille potilaille, joilla on samantyyppinen sairaus.
”NK-soluissa ei ole niin tarkkaa, ovatko ne omia vai vieraita. Ne eivät hyökkää kehon muita soluja vastaan samalla tavalla kuin T-solut tekevät.”
Lymfosyyteistä eli imusoluista noin 10–20 prosenttia on NK-soluja. Niissä ei ole T-solujen antigeenejä tunnistavia reseptoreita eikä B-solujen pintaimmunoglobuliineja.
Mustjoen ryhmä viljelee laboratoriossa syöpäsoluja ja NK-soluja nähdäkseen, minkä tyyppiset solut toimivat parhaiten. Viljelyalustalla voi olla 15 eri kuoppaa. Kaikissa on samat solut, mutta joka kuopan solut on leimattu erilaisella vasta-aineella, ja joka kuopassa vaikuttaa erilainen lääke.
Analyysivaiheessa viljelmät yhdistetään, ja kaikkien solujen perimä sekvensoidaan yhtä aikaa, mutta eri kuoppien solut voidaan erotella vasta-aineleiman avulla. Joka solusta nähdään, miten lääke on vaikuttanut ja onko viljelmän syöpäsoluilla alapopulaatioita, joihin lääke ei ole tehonnut.
Kun analysoitavana on samaan aikaan kymmeniätuhansia soluja, tulos sisältää kymmeniätuhansia kokonaisia genomeja. Valtavan määrän hallitsemisessa auttavat bioinformaatikot, jotka syöttävät datan supertietokoneelle ja käsittelevät tulokset.
Datasta nähdään erilaisia rna:n ilmentymisprofiileja, joiden perusteella solut jakautuvat omiin pieniin ryhmiinsä.
Lopuksi tutkijat yhdistävät dataan muualla maailmassa kerättyjä aineistoja, jotka ovat peräisin useista tutkimuksista.
”Tavoitteena on löytää merkityksellinen biologinen signaali. On oltava tarkkana, jotta erotetaan, mikä on merkitsevää ja mikä ei, mikä on normaalia biologista vaihtelua ja mikä teknisestä prosessoinnista johtuvaa muutosta.”
Uusia mysteereitä
Satu Mustjoki paneutuu lähinnä verisyöpiin, mutta yksisoluanalyysia käytetään myös muiden syöpätyyppien tutkimuksessa. Kiinteiden kasvainten osalta olennainen on myös mikroympäristö, jossa solut kasvavat ja ovat toistensa kanssa kontaktissa.
Kun syöpäleikettä analysoidaan yksisolutasolla, voidaan nähdä sekä leikkeen eri kohdissa olevien syöpäsolujen mutaatiot että niiden viereisten immuunisolujen tyypit ja reseptorit.
Paikkaan perustuva analyysi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, miten solut keskustelevat keskenään.
Yksisoluanalyysi on tuonut esiin myös uusia mysteereitä. Syövän syyn on pitkään ajateltu piilevän haitallisissa mutaatioissa. Nyt on paljastunut, että samanlaisia mutaatioita on myös terveissä soluissa.
Mutaatioita tapahtuu kaikissa soluissa jatkuvasti, mutta terveissä soluissa on tehokas mekanismi, joka korjaa virheet. Syöpäsoluissa korjausmekanismit ovat puutteellisia tai eivät toimi. Tauti alkaa kehittyä, jos esimerkiksi solusyklin säätelyyn liittyvä TP 53 -geeni vikaantuu.
Tai sitten ei.
”Jos normaaleissakin soluissa on näitä samoja mutaatioita, mikä se ero lopulta on? Emme tiedä”, Mustjoki miettii.
Tarkkuutta tulkintaan
Geenianalyysin prosessi on monimutkainen, ja tulosten tulkinnassa on oltava tarkkana. Satu Mustjoen ryhmässä työskentelevä bioinformaatikko Essi Laajala kertoo esimerkin aiemmasta työstään.
Laajala tutki ykköstyypin diabetekseen liittyvien geenien ilmentymistä ja vertasi kahta lapsiryhmää. Toisen ryhmän lapset sairastuivat myöhemmin diabetekseen, toisen pysyivät terveinä.
Tulosten mukaan diabetes näkyy geenien ilmentymisen muutoksina jo vuosia ennen kuin itse taudista on mitään merkkejä. Lisäksi analyysi näytti osoittavan tilastollisesti merkitseviä eroja geenien säätelyssä jo vastasyntyneiden kohdalla.
Laajala hoksasi kuitenkin tehdä tärkeän tarkistuksen. Hän sekoitti näytteet mielivaltaisesti kahteen ryhmään. Nyt eroja ei olisi pitänyt olla – ja silti niitä oli yhä yhtä paljon. Hän löysi myös syyn, joka oli virhe analyysissa käytetyssä matemaattisessa mallissa.
Kun Laajala korjasi virheen, paljastuivat todelliset erot terveiden ja sairastuneiden lasten geeniaineistoissa. Vastasyntyneillä niitä ei ollut.
Tieteen huima kehitys
Ihmisen genomin koko emäsjärjestyksen luenta on ollut yksi tieteen suurimmista hankkeista. HGP-hanke (Human Genome Project) alkoi vuonna 1990, kesti 13 vuotta ja maksoi miljardi dollaria.
Projektin alkaessa kukaan tuskin aavisti, että 30 vuotta myöhemmin kuka tahansa voi luetuttaa genominsa 200–300 euron hintaan ja saada tulokset muutamassa viikossa. Internet, tietotekniikka ja ennen kaikkea sekvensointitekniikka ovat kehittyneet valtavasti.
Nyt tutkijat pystyvät lukemaan sekä geenien dna:n emäsjärjestyksen että transkriptomin eli ilmentymisprofiilin jopa yhdestä yksittäisestä solusta.
He voivat nähdä, miten samaan ryhmään kuuluvat solut eroavat toisistaan. He voivat kohdistaa sekvensoinnin juuri tiettyyn genomin osaan, jos epäilevät tautia, jonka pohjana on geenivirhe.
He näkevät, mitkä solun geeneistä ovat aktiivisia ja mitkä hiljentyneet esimerkiksi epigeneettisten säätelytekijöiden johdosta.
(Kuva Helsingin yliopisto) Yksisoluanalyysi on paljastanut tutkijoille uutta tietoa, joka horjuttaa nykykäsitystä syövän synnystä. ”Terveistä soluista on löytynyt samanlaisia haitallisia mutaatioita kuin syöpäsoluista”, Satu Mustjoki kertoo.
Juttu on ilmestynyt Kemia-lehden numerossa 3/2022.
Tilaa Kemia-lehti loppuvuodeksi 2022 ja auta Ukrainaa!
Lahjoitamme puolet tilausmaksusta ukrainalaisten auttamiseen Pelastakaa Lapset ry:n kautta.
