Molekyylibiologia liikuntatutkijan työkaluna Miten liikunta tai liikkumattomuus muokkaa solujamme ja kudoksiamme?

Transkriptio

1 Molekyylibiologia liikuntatutkijan työkaluna Miten liikunta tai liikkumattomuus muokkaa solujamme ja kudoksiamme? Riikka Kivelä, LitT Tutkijatohtori Molekyyli ja syöpäbiologian tutkimusohjelma Lääketieteellinenen tiedekunta Helsingin yliopisto

2 Solu ja molekyylitason mekanismit liikuntafysiologian osa alueena Frank W. Booth totesi 25 vuotta sitten: Liikuntafysiologia on haastava tieteenala, joka yhdistää molekyylitason mekanismit, solujen välisen kommunikaation ja eri kudosten sekä koko kehon toiminnan tutkimuksen liikunnan aikaansaaman fysiologisen stressin aikana. (Booth FW, J Appl Physiol 1988)

3 Mitä on molekylaarinen liikuntafysiologia? Molekylaarinen liikuntafysiologia pyrkii selvittämään niitä solu ja kudostason mekanismeja, jotka ovat liikunnan aikaansaaman akuutin vaikutuksen taustalla pitkäaikaisen adaptation taustalla Geenien vaikutusta suorituskykyyn harjoitusvasteeseen liikunnan terveysvaikutuksiin Liikkumattomuuden vaikutuksia Soluihin, kudoksiin, elimistöön Terveyteen

4 Solutason lihas ja liikuntafysiologisen tutkimuksen historiaa 1950 luvulla tutkittiin kanin, rotan ja sammakon lihasten toimintaa ja ominaisuuksia solubiologian ja biokemian menetelmillä 1970 luvun taitteessa ensimmäiset lihasbiopsiat terveiltä ihmisiltä (ja urheilijoilta) 1990 luvulla molekyylibiologiset tutkimusmenetelmät tulivat lääketieteestä liikuntafysiologiaan Nykypäivänä solutason tutkimuksessa yhdistyvät saumattomasti solu ja molekyylibiologia sekä biokemia

5 Tutkijan työkalupakki vuonna 2012 Micro RNA Non coding RNA

6 Koe eläinmallit liikuntatutkimuksessa Poistogeeniset hiiret Siirtogeeniset hiiret Geeninsiirtovektorit Harjoitusmallit Dieettikokeet + Samankaltainen perimä + Kontrolloidut olosuhteet + Kudosnäytteiden saatavuus Ei suoraan sovellettavissa ihmiseen Paras tulos useimmiten silloin, kun voidaan yhdistää ihmisillä tehtäviin kokeisiin

7 Klassinen vs. molekylaarinen liikuntafysiologia 1970 luvulla tutkijat osoittivat, että fyysinen harjoittelu lisää hiusverisuonten määrää lihaksissa Yli 20 vuotta myöhemmin tunnistettiin ensimmäiset geenit, joiden koodaamat proteiinit ovat liikunan aikaansaaman verisuonten kasvun takana Kestävyysharjoittelun on jo pitkään tiedetty aiheuttavan sydämen hypertrofiaa, joka kuitenkin poikkeaa sydämen vajaatoimintaan johtavasta patologisesta liikakasvusta Vuonna 2010 Bruce Spiegelmanin ryhmä selvitti mitkä mekanismit ovat liikunnan aikaansaaman fysiologisen hypertrofian taustalla ja kuinka ne eroavat patologisista signaaleista (Boström ym. Cell 2010)

8 EPIDEMIOLOGIA Alhainen aerobinen suorituskyky on tärkein kuolleisuuden ennustaja Attributable fractions (%) for all cause deaths in (3333 deaths) men and (491 deaths) women in the Aerobics Center Longitudinal Study. Blair SN, Br J Sports Med 2009

9 Perinnöllinen aerobinen suorituskyky on yhteydessä sydän ja verisuonitautien riskitekijöihin Science 2005

10 The FASEB Journal Research Communication, 2010 Gene expression centroids that link with low intrinsic aerobic exercise capacity and complex disease risk Riikka Kivelä,*,, Mika Silvennoinen,*, Maarit Lehti, Rita Rinnankoski Tuikka,*, Tatja Purhonen, Tarmo Ketola, Katri Pullinen,* Meri Vuento,* Niina Mutanen,* Maureen A. Sartor, Hilkka Reunanen, Lauren G. Koch, Steven L. Bri on, and Heikki Kainulainen*, m LCR HCR *** Artificial selection for low and high aerobic treadmill-running capacity

11 Rotat, joilla oli korkea perinnöllinen suorituskyky olivat kevyempiä, liikkuivat enemmän ja niiden lihasten verisuonitus sekä mitokondrioiden määrä olivat suuremmat Kivelä ym. FASEB J 2010

12 Miten geenien erilainen ekspressio selittää eroja kantojen välillä? Kivelä ym. FASEB J 2010

13 Miksi liikunta vaikuttaa meihin eri tavoin? Tuomo Rankinen & Claude Bouchart, Obesity 2008 ACSM: Exercise is medicine TM Exercise should be personalized medicine!

14 Mitä tiedetään tähän mennessä? HERITAGE tutkimuksessamukanaolleiltalöydetty yksilöllisesti vaihtelevia perimänkohtia (SNPs), jotka korreloivat harjoitusvasteeseen Kestävyysharjoittelun aikaansaamat geenimuutokset lihaksissa (TRT gene set) julkaistiin vuonna 2011 (Keller ym. JAP 2011) Vahvuutena humaani ja rottatutkimuksen yhdistäminen Tulevaisuudessa transkriptomiikan ja genomiikan yhdistäminen tuo mahdollisesti lisävaloa yksilöllisen harjoitusvasteen taustalla oleviin tekijöihin

15 Liikuntaa apteekin hyllyltä? Yhtä tai kahta geeniä muuntelemalla on saatu lihasten solutyyppejä muutettua hitaampaan suuntaan ja hiirten kestävyyssuorituskykyä nostettua Mitkä ovat pitkäaikaisvaikutukset? Mitkä ovat vaikutukset muihin kudoksiin? Toimiiko ihmisillä?

16 YHTEENVETO 1: Solu ja molekyylibiologia OSANA liikuntafysiologiaa Erottamaton osa koko kehon tutkimusta Haasteena tutkia fysiologisia ilmiöitä koko kehon tasolta kudosten kautta aina soluihin ja molekyyleihin asti Elävässä olennossa Kuormituksessa vs. levossa Nykyajan haasteena myös aktiivisuus vs. inaktiivisuus

17 YHTEENVETO 2: Kuinka voisimme tehdä entistä parempaa liikuntafysiologista tutkimusta? Eri alojen huippuosaajien yhteistyö Nykypäivänä kukaan ei voi yksin hallita kaikkea sitä, mitä huippututkimus vaatii Näkemys ja rohkeus tehdä ja kokeilla uutta Think out of the box Ideoita, menetelmiä ja toimintatapoja myös muilta tieteenaloilta Suomalainen lainsäädäntö ja eettiset toimintaohjeet yhdessä innokkaiden vapaaehtoisten koehenkilöiden kanssa mahdollistavat hienojen koeasetelmien rakentamisen

18 Kiitos! Heikki Kainulainen + koko tutkimusryhmä Veikko Vihko, Eino Havas + muut LIKESläiset Heikki Kyröläinen, Satu Koskinen, Timo Takala & Paavo Komi Kari Alitalo + tutkimusryhmä

19