Lääketieteellinen Systeemibiologia

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Lääketieteellinen Systeemibiologia"

Tuomo Siitonen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Lääketieteellinen Systeemibiologia Sampsa Hautaniemi Biolääketieteen laitos Genomibiologian tutkimusohjelma Syöpägenetiikan tutkimuksen huippuyksikkö

2 Luentorunko Johdanto Reduktionismin rajoitteet Systeeminen ajattelu lääketieteessä Kompleksisuuden merkityksiä käytännössä Ennustaminen Signaalinvälitysreittien tutkimus ja matemaattinen mallinnus

Tie genomilääketieteeseen Ihmisen genomin

4 Tie genomilääketieteeseen Ihmisen genomin tutkimuksessa puhutaan isoista luvuista. 20,000-25,000 geeniä 3x10 9 nukleotidia Arviolta 100,000 proteiinia Nämä ovat vasta rakennuspalikoita. Luetteloinnissa paljon tekemistä. Oikeat ongelmat ratkaisematta: Dynaamisuus Kombinatorisuus Vuorovaikutus

5 Reduktionismi Reduktionismissa oletetaan, että monimutkaiset ongelmat ovat ratkaistavissa jakamalla ne pienempiin ja pienempiin osiin. Hajoita ja hallitse. Reduktionismi on hallinnut tieteellistä ajattelua useita satoja vuosia. Myös lääketiedettä. Tehokas tapa löytää osia (geenejä, proteiineja, jne).

6 Reduktionismi Reduktionismi johtaa usein yksittäisen, dominoivan tekijän (pakonomaiseen) etsimiseen. Vähennä kolesterolitasojasi tai kuole sydänkohtaukseen. Ein sairaus, ein tautigeeni, ein lääke. Iso Ongelma: Kompleksissa taudeissa (esim. syöpä) yksittäiset tekijät eivät ole niin merkityksellisiä kuin niiden yhteisvaikutukset. Parhaat yksittäiset mutaatiotkin selittävät murto-osan kompleksisten tautien riskistä. Ja vaikka yksittäinen tekijä löytyisikin, ei se automaattisesti tarkoita että asialle voitaisiin jotain tehdäkin (vrt. kystinen fibroosi).

7 Reduktionismi Reduktionismi mallintaa muuttujien välisiin interaktiot pääosin kvalitatiivisesti. Aiemmin ei ongelma koska molekyylibiologiassa ei juurikaan käytetty kvantitatiivisia, koko genomin laajuisia mittauslaitteita. Oppikirjat perustuvat tähän... Nyt on. Erityisesti signaalinvälitysverkkojen kvalitatiivinen mallinnus tuottaa hankaluuksia.

Reduktionismi Keski-ikävä seuraus: Yksittäisten tekijöiden tutkiminen isolaatiossa johtaa valtavaan pinoon artikkeleita joita ei käytännössä kukaan pysty hallitsemaan.

8 Reduktionismi Keski-ikävä seuraus: Yksittäisten tekijöiden tutkiminen isolaatiossa johtaa valtavaan pinoon artikkeleita joita ei käytännössä kukaan pysty hallitsemaan. PubMedistä löytyy >61,000 artikkelia jotka mainitsevät geenin p53 otsikossa tai abstraktissa. Jos oletetaan, että yhden artikkelin pituus on 8 sivua ja A4-paperin paksuus on 0.1mm niin p53:sta kertovien tieteellisten julkaisuiden korkeudeksi tulee yli 45m.

9 Mikä on JNK-proteiinin merkitys syöpäsolun apoptoosissa? Hanahan & Weinberg (2000). The hallmarks of cancer. Cell, 100(1):57-70.

10 JNK-proteiinin merkitys apoptoosissa Janes et al (2005).Systems model of signaling identifies a molecular basis set for cytokine-induced apoptosis. Science Dec 9;310(5754):

11 JNK-proteiinin merkitys apoptoosissa High apoptosis 0 0 Low apoptosis Janes et al (2005). Systems model of signaling identifies a molecular basis set for cytokine-induced apoptosis. Science Dec 9;310(5754):

12 Systeeminen ajattelutapa Koska reduktionismi on todettu useassa suhteessa toimimattomaksi, lääketieteellisessä tutkimuksessa on alettu ottamaan käyttöön systeemistä ajattelutapaa. Ideana on hyödyntää kvantitatiivisia, yleensä koko genomin laajuisia mittausmenetelmiä, ja keskittyä löytämään tärkeimmät muuttujat (huomaa monikko), niiden väliset dynaamiset riippuvuudet ja yhteydet fenotyyppeihin.

13 Systeeminen ajattelutapa Laajat kvantitatiiviset aineistot tuovat matematiikan, tietojenkäsittelyn ja tilastotieteen osaksi lääketieteellistä tutkimusta. Bioinformatiikka. Kompleksisten sairauksien tutkimus on nykyään tiimityöskentelyä. Olennaisten alojen alkeet lienee hyvä hallita. Systeemibiologia on työkalu genomisen tiedon hyödyntämiseksi lääketieteessä. Tulokset alkavat jo näkyä...

14 Geenin historiaa : Discrete unit of heredity 1910: A distinct locus 1940: Blueprint for a protein 1960: Transcribed code : Open reading frame sequence pattern : Annotated genomic entity, enumerated in the databanks Most recent: Subroutines in the genomic operating system.

15 Vaihtoehtoinen silmukointi

16 TP53 geenin transkriptejä

17 Mitä väliä? Eri eksoneissa eri toiminnalliset kohdat.

18 Geeni ei enää merkityksellinen tekijä Geenin transkriptit ovat merkityksellisiä. Myös kliinisesti. Alla BRAF-geenin somaattiset mutaatiofrekvenssit per kodoni. Eivät ole tasaisesti jakautuneita...

19 BRAF inhibiittorit syövässä

20 Uusinta uutta BRAFista syövissä

21 Täsmähoidoista Täsmähoitojen kehittäminen ja käyttäminen edellyttää syvällistä molekyylibiologista ymmärtämystä: Mitä kohdemolekyylit tekevät soluissa? Missä kontekstissa kohdemolekyylit toimivat? Useita kohdennettuja hoitovaihtoehtoja jo tarjolla, tietämys kehittyy vähitellen tutkimuksen kautta.

22 Osista funktioon ja ennustamiseen Useat lääketieteelliset kysymyksen asettelut ovat luonteeltaan ennustamista. Kasvaimen geeniprofiliin perusteella tehty ohjeistus hoidosta. Luokittelussa fenotyyppi on diskreetti, regressiossa jatkuva. Useita menetelmiä. Päätöspuu osoittautunut varsin käteväksi.

23 Flunssa? A patient comes and complains: - High fever - Headache - Fatigue - Muscle aches The patient also mentions that he recently visited Sudan.

24 Flunssa vs. Ebola Patient s symptoms: - High fever - Headache - Fatigue - Muscle aches High fever Headache Fatigue Muscle aches Stomach pain Diarrhea Sore throat Hiccups Rash Red eyes Vomiting blood Bloody diarrhea Chest pain Shock Death Blindness Bleeding

25 Päätöspuu Stomach pain yes Diarrhea no Rash no yes yes no flu? Bloody diarrhea flu yes Ebola no

26 Päätöspuut laboratoriolääketieteessä Kalvot otettu Pirkko Vihkon esityksestä Laboratoriolääketiede nyt ja tulevaisuudessa jaksosta Lääketieteellisen biokemian ja farmakologian perusteet.

27 Ennustaminen (prognoosi) Ennusteellisten tekijöiden perusteella pitäisi pystyä päättelemään sairauden ennuste. Tekijät eivät välttämättä ole kausaalisuhteessa sairauteen. Assosiaatio riittää! Esimerkkinä rintasyövän uusiutuminen ja hoidon tarve (MammaPrint). 70 geenin ekspression perusteella tehty ennustin.

28 Näytteenvalinnan ongelma Van t Veer et al. (2002) käyttivät analyysissä 98 näytettä. Näistä ER-positiivisia oli 60%.

29 So what?

30 MammaPrint Missä ollaan? Vaikka alkuperäisessä julkaisussa on yhtä ja toista korjattavaa, MammaPrint on käytössä ja näyttäisi toimivan. Kuitenkaan aiemmista tekijöistä riippumattomia, ennusteen validoivia laaja-aineisia tutkimuksia ei ole julkaistu. Oma harkinta auttanee? MammaPrintin käyttämä menetelmä perustuu koneoppimiseen. Sen ymmärtäminen vie muutaman tunnin. Eikä MammaPrint ole ainoa yrittäjä tällä alalla...

32 Miten systeemibiologia auttaa käytännössä? (1/2) Kokeensuunnittelussa. Tärkeä asia. Ei kannata tehdä mikrosirukokeita kun ei muutakaan keksi. Olennaisiin tekijöihin keskittymisessä. Todellisuudessa esimerkiksi signaalinvälitysreitit ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin kirjojen kuvissa.

33 Signaalinvälitysreittien tutkimus - Mukana vain homodimeeri. EGFR voi sitoutua myös ErbB2:seen. -EGFR:llä on ainakin 9 tyrosiini- ja 2 seriinifosforylaatiokohtaa. -EGFR:n stimuloiva verkosto on huomattavan monimutkainen. - Mitä tapahtuu jos SOS-1 vaimennetaan?

34 Signaalinvälitysreittien tutkimus Oda K, Matsuoka Y, Funahashi A, Kitano H. A comprehensive pathway map of epidermal growth factor receptor signaling. Molecular Systems Biology, 2005.

35 Signaalinvälitysreittien tutkimus Systeemibiologiselle lähestymistavalle ei ole olemassa toimivaa vaihtoehtoa kun tutkitaan solun signalointiverkkoja. Paljon muuttujia (proteiineja). Takaisinkytkentöjä. Ristiinkytkentöjä eri signaalinvälitysreittien välillä. Viestin kulku dynaamista. Matemaattinen mallinnus on hyödyllinen.

37 Miten systeemibiologia auttaa? 2/2 Kokeensuunnittelussa. Olennaisiin tekijöihin keskittymisessä. Todellisuudessa esimerkiksi signaalinvälitysreitit ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin kirjojen kuvissa. Datan ja tulosten tulkinnassa. Erityisen hyödyllinen kun tutkitaan laajoja aineistoja useilta tasoilta samasta kudoksesta/taudista.

38 Syöpäsolujen aktiivisuutta pystytään mittaamaan useilla tasoilla Genetiikka Transkriptomiikka Proteomiikka Epigenetiikka Kliininen tieto 100 näytettä tuottaa n. 200 miljoonaa datapistettä.

39 Täsmähoitoa molekulaarisen profiloinnin kautta eatlas of Pathology

40 Kopioluku ja transkription yhdistäminen Mitäs nämä luvut tarkoittavat?

41 Molekulaarisen datan integrointi Potilasnäytteissä on paljon kohinaa ja heterogeenisuutta. Eri tasojen integrointi tuo enemmän luottamusta olennaisimpien muuttujien listaan. Mutaatio/kopiolukumuutos -> muuttunut ekspressio -> epänormaalisti toimiva proteiini -> dramaattinen vaikutus signaaliverkossa -> fenotyypin muutos. Suuri osa mutaatiosta/kopiolukumuutoksista ei vaikuta proteiinin toimintaan/fenotyyppiin. Kun samasta aineistosta saadaan hypoteesiä tukevia havaintoja eri tasoilta, luottamus kasvaa. Silti riippumaton validaatio aina tärkeä!

42 Missä mennään? Syövän molekulaarinen profilointi on jo tätä päivää. Toimivia dynaamisia malleja signaalinvälitysreiteille esitelty. Haaste saada riittävästi havaintoja. Pisimmällä ollaan biomarkkerien löytämisessä ja ennustamisessa. Komplisoiko systeeminen ajattelu enemmän kuin hyödyttää? Ihmiset ovat monimutkaisia otuksia, liiallinen yksinkertaistaminen ei toimi. Henkilökohtainen hoito.

43 Mahdollisuuksia systeemibiologian opintoihin LTDK:ssa Syksyllä 2013 tulossa seminaarikurssi jossa hands-on ohjelmointia. Syksyllä 2013 valinnainen kurssi Introduction to Bioinformatics. Keväällä 2014 valinnainen kurssi Introduction to Systems Biology.

Samankaltaiset tiedostot

Genomin ilmentyminen Liisa Kauppi, Genomibiologian tutkimusohjelma

Genomin ilmentyminen Liisa Kauppi, Genomibiologian tutkimusohjelma Genomin ilmentyminen 17.1.2013 Liisa Kauppi, Genomibiologian tutkimusohjelma liisa.kauppi@helsinki.fi Genomin ilmentyminen transkription aloitus RNA:n synteesi ja muokkaus DNA:n ja RNA:n välisiä eroja