Lääketieteellinen Systeemibiologia

Samankaltaiset tiedostot
Genomin ilmentyminen Liisa Kauppi, Genomibiologian tutkimusohjelma

Uusia mahdollisuuksia FoundationOne CDx. keystocancer.fi

Systeemibiologia syöpätutkimuksessa

Perinnöllinen informaatio ja geneettinen koodi.

Genomin ilmentyminen

Trichoderma reesein geenisäätelyverkoston ennustaminen Oskari Vinko

Paneeli 7 biotieteet II


Sairauksien ennustemallit tarkentuvat laskennallisten menetelmien ansiosta

Bioinformatiikan maisteriohjelman infotilaisuus Exactum D122

Muuttumaton genomi? Genomin ylläpito. Jakson luennot. Luennon sisältö DNA:N KAHDENTUMINEN ELI REPLIKAATIO

Dynaamiset regressiomallit

Uusia mahdollisuuksia FoundationOne

Aktivoiva luento-opetus & sillanrakennus kliiniseen opetukseen

Syöpä. Ihmisen keho muodostuu miljardeista soluista. Vaikka. EGF-kasvutekijä. reseptori. tuma. dna

Dynaamiset regressiomallit

Geneettisen tutkimustiedon

Biopankit miksi ja millä ehdoilla?

Genomi-ilmentyminen Genom expression (uttryckning) Nina Peitsaro, yliopistonlehtori, Medicum, Biokemia ja Kehitysbiologia

Muuttuva diagnostiikka avain yksilöityyn hoitoon

FM-opiskelijan opintopolku, perinnöllisyystiede, geneettisen bioinformatiikan erikoistumislinja (vastuuopettaja Päivi Onkamo)

TILASTOLLISTEN MENETELMIEN KIRJO JA KÄYTTÖ LÄÄKETIETEEN TUTKIMUSJULKAISUISSA. Pentti Nieminen

RINNAN NGS PANEELIEN KÄYTTÖ ONKOLOGIN NÄKÖKULMA

DNA RNA proteiinit transkriptio prosessointi translaatio regulaatio

Mitä taitoja tarvitaan tekstin ymmärtämisessä? -teorian kautta arkeen, A.Laaksonen

DNA Tiina Immonen, FT, yo-lehtori HY Biolääketieteen laitos, Biokemia ja kehitysbiologia

Matemaatikot ja tilastotieteilijät

Molekyyligeneettiset testit syövän hoidon suuntaajina. Laura Lahtinen Molekylibiologi, FT Patologia Keski-Suomen keskussairaala

Miten geenitestin tulos muuttaa syövän hoitoa?

Harvinaissairauksien diagnostiikan ja hoidon tulevaisuuden näkymiä

Mitä kuuluu MALLIMAAHAN?

Massaspektrometria ja kliiniset proteiinibiomarkkerit

Kielellisten merkitysten tilastollinen ja psykologinen luonne: Kognitiivisia ja filosofisia näkökulmia. Timo Honkela.

Tutkimus Auria Biopankissa ja tulevaisuuden visiot Samu Kurki, FT, data-analyytikko

HOPS Henkilökohtainen opintosuunnitelma LuK -tutkintoon

Drosophila on kehitysgenetiikan mallilaji nro 1

VASTAUS 1: Yhdistä oikein

- Extra: PCR-alukkeiden suunnittelutehtävä haluttaessa

HPV-infektion ja kohdunkaulan syövän esiasteiden luonnollinen kulku

TIETOJENKÄSITTELYTIEDE

Liite opintojohtosääntöön (päivitetty vastaamaan voimassa olevaa lainsäädäntöä ja yliopiston hallituksen päätöksiä)

Genominen lääketiede. Mikä on genomilääketiede? Dan Lindholm, BiolääketieteenLaitos 2kerros. HUGOnjälkeen1. Genomilääketiede.

Kymmenen kärjessä mitkä ovat suomalaisten yleisimmät perinnölliset sairaudet?

SP 11: METODOLOGIAN TYÖPAJA Kevät Yliopistonlehtori, dosentti Inga Jasinskaja-Lahti

Viikko 1: Johdantoa Matti Kääriäinen

- Jakautuvat kahteen selvästi erottuvaan luokkaan,

Epigeneettinen säätely ja genomin leimautuminen. Tiina Immonen Medicum, Biokemia ja kehitysbiologia

LÄÄKETIETEEN TUTKIJALINJAN OPETUSSUUNNITELMA LUKUVUONNA

Avainsanat: BI5 III Biotekniikan sovelluksia 9. Perimä ja terveys.

5.6.3 Matematiikan lyhyt oppimäärä

Tutkimusta lääkepolitiikan tueksi Kuopio Yhteiskunnallinen lääketutkimus Suomen Akatemian näkökulmasta. Heikki Ruskoaho hallituksen pj

Computing Curricula raportin vertailu kolmeen suomalaiseen koulutusohjelmaan

Tilastotiede ottaa aivoon

Biopankkitoiminta Suomessa. Dos. Heli Salminen

Bioinformatiikan maisteriohjelma

SELVITYS SIITÄ MITEN ERÄÄT PERINNÖLLISET SAIRAUDET (KUTEN GPRA JA FUCOSIDOSIS) PERIYTYVÄT ENGLANNINSPRINGERSPANIELEISSA

Suomalainen genomitieto ja yksilöllistetty terveydenhuolto Olli Kallioniemi October 9, 2013

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Epigeneettinen säätely ja genomin leimautuminen. Tiina Immonen BLL Biokemia ja kehitysbiologia

Solun tuman rakenne ja toiminta. Pertti Panula Biolääketieteen laitos 2012

Mitä aivokuvista näkee?

HE4 LABQUALITY DAYS 2015 Helsinki Arto Leminen Dosentti, osastonylilääkäri Naistenklinikka

Tekoäly muuttaa arvoketjuja

Peittyvä periytyminen. Potilasopas. Kuvat: Rebecca J Kent rebecca@rebeccajkent.com

Inferring Trichoderma reesei gene regulatory network

ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

TEEMU ROOS (KALVOT MUOKATTU PATRIK HOYERIN LUENTOMATERIAALISTA)

Datasta arvoaliiketoiminnalle. Kirsi Pietilä Business Intelligence Lead

KOMISSION ASETUS (EU) /, annettu , asetuksen (EY) N:o 847/2000 muuttamisesta vastaavanlaisen lääkkeen käsitteen määritelmän osalta

Ma > GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING

Tulehdus ja karsinogeneesi. Tulehduksen osuus syövän synnyssä. Tulehdus ja karsinogeneesi. Tulehdus ja karsinogeneesi. Tulehdus ja karsinogeneesi

Koneoppimisen hyödyt arvopohjaisessa terveydenhuollossa. Kaiku Health

Mitä on bayesilainen päättely?

MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, 5 op Esittely

Kumisaappaista koneoppimiseen

Syöpägeenit. prof. Anne Kallioniemi Lääketieteellisen bioteknologian yksikkö Tampereen yliopisto

TILASTOLLINEN OPPIMINEN

Männyn laaturajojen integrointi runkokäyrän ennustamisessa. Laura Koskela Tampereen yliopisto

OPPIAINE KURSSI OPPIKIRJA KUSTANTAJA ISBN. BIOLOGIA 1 BIOS1, Eliömaailma (Uusin painos 2014) Sanoma Pro

DNA > RNA > Proteiinit

MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, 5 op Esittely

Tarvitseeko informaatioteknologia matematiikkaa?

Bayes-mallinnus siltana teorian ja empiirisen evidenssin välillä

1. Tilastollinen malli??

Geenitutkimuksista. Potilasopas. Kuvat: Rebecca J Kent rebecca@rebeccajkent.com

Harha mallin arvioinnissa

Mobiilin videonkatselun käyttäjäkokemuksen analyysi. Risto Hanhinen Valvoja: Kalevi Kilkki Diplomityön seminaariesitelmä 20.1.

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

Uutta lääkkeistä: Vemurafenibi

1 (5) Hyv. Vast. Kirj. Haken. Kok. Hyv. Vast. Kirj. Haken. Kok. Hyv. ott. Hakukohde. Kirj. Haken. Kok. osall. Kirj. osall. osall. ott.

Lataa Kliininen neuroimmunologia. Lataa

Tietoa ja tuloksia tutkittavalle: miten ja miksi?

Potilasopas. 12 Mitä Genetiikan Laboratoriossa Tapahtuu?

DNA RNA proteiinit transkriptio prosessointi translaatio regulaatio

Mitä elämä on? Astrobiologian luento Kirsi

Elämän molekulaariset säätelyverkostot (R Life)

Tiedon louhinnan teoria (ja käytäntö) OUGF kevätseminaari 2004 Hannu Toivonen

Tilastotiede ottaa aivoon

Tietojenkäsittelytieteen pääaine Pääaineinfo ke

TALTIONI BIOPANKKITALLETTAJAN VERKKOPANKKI

Transkriptio:

Lääketieteellinen Systeemibiologia Sampsa Hautaniemi Biolääketieteen laitos Genomibiologian tutkimusohjelma Syöpägenetiikan tutkimuksen huippuyksikkö

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

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

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).

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).

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. 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.

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

JNK-proteiinin merkitys apoptoosissa Janes et al (2005).Systems model of signaling identifies a molecular basis set for cytokine-induced apoptosis. Science. 2005 Dec 9;310(5754):1646-53

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. 2005 Dec 9;310(5754):1646-53

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.

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...

Geenin historiaa 1860-1900: Discrete unit of heredity 1910: A distinct locus 1940: Blueprint for a protein 1960: Transcribed code 1970-1980: Open reading frame sequence pattern 1990-2000: Annotated genomic entity, enumerated in the databanks Most recent: Subroutines in the genomic operating system.

Vaihtoehtoinen silmukointi

TP53 geenin transkriptejä

Mitä väliä? Eri eksoneissa eri toiminnalliset kohdat.

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

BRAF inhibiittorit syövässä

Uusinta uutta BRAFista syövissä

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.

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.

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

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

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

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

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.

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

So what?

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...

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.

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?

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

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.

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.

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

Täsmähoitoa molekulaarisen profiloinnin kautta eatlas of Pathology

Kopioluku ja transkription yhdistäminen Mitäs nämä luvut tarkoittavat?

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!

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.

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.