Hyvä käyttäjä! Tämä pdf-tiedosto on ladattu Tieteen Kuvalehden verkkosivuilta (www.tieteenkuvalehti.com). Tiedosto on tarkoitettu henkilökohtaiseen käyttöön, eikä sitä saa luovuttaa kolmannelle osapuolelle. Tekijänoikeudellisista syistä tiedostossa ei ole kuvia. Ystävällisin terveisin Toimitus
Oikopolku terveyteen? Dna-sirun aikakausi Luotettavan diagnoosin teko nopeutuu Sairauksien puhkeaminen voidaan ennakoida Lääkehoito suunnitellaan yksilöllisesti
CLAUS LUNAU Dna-sirun suunnittelussa on käytetty hyväksi geenien sijainnista ja niiden toiminnasta kerättyä tietoa ja tehokasta tietotekniikkaa.
HENNING DALHOFF Dna-sirulla tarkka diagnoosi Dna-sirun kaltaisella tutkimusvälineellä voidaan selvittää verinäytteestä nopeasti monia perinnöllisiä sairauksia. Dna-sirun näytteet altistetaan tutkittavan verestä erotelluille ja tutkimusta varten valmistelluille dnapätkille. Tutkimustulos voidaan esittää näytöllä värillisinä pisteinä. Jokaisessa sirun kentässä on yksinauhaisen dna:n pätkiä. Tutkimukseen tarvitaan verta. Dna-siru 1 Dna-siru sisältää yksinauhaista dna:ta Dna-sirussa voi olla jopa 10 000 kenttää eli pientä syvennystä, jotka sisältävät sairauksia aiheuttavien geenien mutaatioita. Tavallisesti dna esiintyy kaksoiskierteenä, mutta sirun valmistuksessa se on halkaistava yksinauhaiseksi. Jokaisessa sirun kentässä voi olla useita mutaatioversioita. Mm. kystisen fibroosin saattaa aiheuttaa yli 50 erilaista yhden geenin mutaatiota, jotka kaikki sijoitetaan siruun. 2 Dna-sirun dna altistetaan tutkittavalle dna:lle Verinäytteestä eristetään tutkimusta varten dna:ta. Myös se on halkaistava yksinauhaiseksi, pätkittävä ja värjättävä punaiseksi fluoresoivalla värillä. Valmistelun jälkeen sitä levitetään dna-siruun. Seuraavaksi verinäytteen dna-pätkien annetaan reagoida dna-sirun näytteisiin. Uusi tutkimuslaite saattaa mullistaa terveystarkastukset jo muutaman vuoden kuluttua. Sen avulla useat sairaudet voidaan todennäköisesti diagnosoida jo kauan ennen niiden puhkeamista, potilaille voidaan suunnitella yksilöllinen hoito ja hoitoennusteen tekeminen helpottuu. Kyseessä on ns. dna- eli geenisiru, josta povataan lääkäreille korvaamatonta apuvälinettä. Dna-siru auttaa lääkäriä kokoamaan ja analysoimaan potilaan tiedot muutamassa päivässä. Edes potilaan läsnäolo ei ole välttämätöntä. Useimmiten saattaa riittää pelkästään hius- tai verinäytteen lähettäminen tutkittavaksi. Vastauksesta selviää esimerkiksi se, onko potilaalle kehittymässä diabetes, onko hänellä alttius sairastua keuhkosyöpään tai voiko hänelle puhjeta Huntingtonin tauti. Menetelmä, joka helpottaa kurkistamista potilaan tulevaisuuteen, perustuu geeneihin ja niissä olevien emästen taipumukseen järjestyä tietyllä tavalla pareittain. Geenit kertovat sen, voiko ihminen sairastua perinnölliseen tautiin ja onko hänellä alttius sairastua johonkin 62 Teksti: Gorm Palmgren muuhun tautiin. Niistä riippuu pitkälti myös se, mikä lääkeaine kulloinkin on tehokkain ja kuinka suuria lääkeannosten on oltava, jotta ne tehoavat aiheuttamatta vakavia sivuvaikutuksia. Ihmisen perimän emäsjärjestys saatiin selvitettyä kaksi vuotta sitten. Laajan hankkeen ensimmäisessä vaiheessa kartoitettiin yli kolme miljardia ihmisen geneettisen koodin kirjainta. Koodin tulkintaan, käyttöön ja terveyteen vaikuttavan perimän selvittämiseen ei silti vielä ole ollut kyllin tehokkaita ja nopeita menetelmiä. Nyt kehitteillä oleva menetelmä saattaa olla sellainen, että yhdellä dna-sirulla on mahdollista tutkia tuhansia geenejä samalla kertaa. Perinnölliset sairaudet selville Dna-siru ei ole luottokorttia suurempi. Sen keskellä on postimerkin kokoinen lasi- tai piilevy, jonka syvennyksiin on kiinnitetty tuhansia dna:sta eroteltuja jaksoja. Ne on saatu avaamalla dna:n kaksoiskierre ja katkomalla se tarkoitukseen sopiviksi pätkiksi. Sirun levylle annostellaan liuosta, jossa on tutkittavan henkilön samalla tavalla käsiteltyjä jaksoja. Kun dna-sirun emäkset ja näytteen emäkset ovat reagoineet keskenään, mihin kuluu muutama tunti, laitteen tiedot luetaan laserlukijalla tietokoneelle ja voidaan esittää näytöllä. Tutkimustulokset näyttävät vihreistä ja punaisista ruuduista koostuvalta shakkilaudalta. Jokainen kenttä kertoo jotain potilaan perimästä. Jos tietty kenttä on punainen, se saattaa viestittää esimerkiksi potilaan kantavan mutaatiota, joka aiheuttaa parantumattoman kystisen fibroosin. Jos kenttä on vihreä, potilas voi huoahtaa helpotuksesta ainakin kyseisen mutaation osalta. Kystistä fibroosia voivat nimittäin aiheuttaa useat eri mutaatiot. Dna-sirulla kaikki yhtä tautia aiheuttavat mutaatiot voidaan tutkia kerralla. Jos yhden geenin kaikkia mutaatioita kuvaavat kentät ovat vihreitä, potilas voi olla varma siitä, ettei hän kanna mitään sen geenin perinnöllistä tautia aiheuttavista mutaatioista tai siirrä sitä jälkeläisilleen. Dna-siru sopii erinomaisesti nimenomaan perinnöllisten tautien tutkimiseen, sillä monet perinnölliset sairaudet Tieteen Kuvalehti 8/2002
Dna-kierteet halkaistaan, pätkitään, värjätään ja siirretään siruun. Verinäytteestä erotetaan tumia ja dna:ta. 4 Mutaatio näkyy punaisena Dna-sirun tiedot luetaan tietokoneelle, ja tulos näkyy värillisinä pisteinä näytöllä. Punainen piste osoittaa, että verinäytteen antaneella potilaalla on kystisen fibroosin aiheuttava geenimutaatio. Vihreät pisteet symboloivat geenejä, joissa ei ole mutaatiota. Geenimuutokset, jotka eivät aiheuta sairauksia, näkyvät muunvärisinä pisteinä. 3 Näytteen dna sitoutuu sirun dna:han Jos potilaan dna:ssa on esim. tietty kystistä fibroosia aiheuttava mutaatio, se sitoutuu vain dna-sirun siihen kenttään, jossa on vastaavan mutaation sisältävä dna:n pätkä. Kenttä näkyy punaisena, koska näytteen dna on värjätty. Ylimääräinen näytteen dna poistetaan sirusta. C G Kun dna-siru on luettu laserlukijalla, tulos voidaan esittää tietokoneen näytöllä. Jos potilaan dna:n pätkä sitoutuu sirun dna:han, se merkitsee, että dna-näytteessä esiintyy esim. mutaatio C G. Uusiutumisriskin ennustaminen Dna-sirua voitaisiin käyttää myös uusiutumisriskin selvittämiseen sen jälkeen, kun esim. rintasyöpä on parantunut. Jälkiseurantaa voidaan tällöin tehostaa niillä potilailla, joilla uusiutumisriski on suuri. Tutkimuksissa on jo löydetty noin 70 geeniä, joiden toiminnasta voidaan tehdä päätelmiä rintasyövän uusiutumisesta. Parantuminen todennäköistä Jos vasemman puolen kenttien geenit ovat aktiivisia (punaisia), syöpä ei todennäköisesti uusiudu. Uusiutumisriski olemassa Jos aktiivisia geenejä (punainen väri) esiintyy sekä vasemman että oikean puolen kentissä, rintasyövän uusiutumisriski on kohtalainen. Uusiutuminen todennäköistä Oikean puolen kenttien geenien aktiivisuus (punainen väri) kertoo siitä, että mitä todennäköisimmin syöpä uusiutuu jossain vaiheessa. Tieteen Kuvalehti 8/2002 H. DAI/ROSETTA INPHAARMATICS johtuvat vain yhden geenin mutaatiosta. Suomalaiseen tautiperimään kuuluvat perinnölliset sairaudet ovat usein juuri tällaisia. Ne periytyvät yleensä peittyvästi eli tulevat esiin vain henkilöillä, jotka ovat perineet sairautta aiheuttavan geenin molemmilta vanhemmiltaan. Yhden viallisen geenin kantaja on itse terve, mutta voi siirtää mutaation lapsilleen. Maailmanlaajuisesti yleisessä yhden mutatoituneen geenin aiheuttamassa sairaudessa, sirppisoluanemiassa, punasolut ovat epämuodostuneita eikä niiden hapenkuljetuskyky ole normaali. Siinä mutaatio on tapahtunut verenpunan eli hemoglobiinin muodostumista ohjaavassa geenissä. Sirppisoluanemian syntymiseen riittää vain yhden emäksen, adeniinin, korvautuminen tymiinillä. Sirppisoluanemian havaitsemiseen tarvittaisiin dna-siru, jonka kentistä yhteen on kiinnitetty hemoglobiinigeenin mutatoituneita jaksoja ja toiseen normaalisti muodostuneen hemoglobiinigeenin jaksoja. Kun näytteet altistetaan potilaan dna:lle, hänen hemoglobiinigeeninsä emäkset sitoutuvat vastaavia 63
Tuleva ja nykyinen terveydentila värillisinä pisteinä Eeva DENNIS GALANTE Dna-sirun käyttö jokaisen lääkärin tutkimusvälineenä ei liene kovin kaukana tulevaisuudessa. Kun laitteista saadaan kehitettyä riittävän monipuolisia, niillä voidaan ehkä tutkia sekä potilaan nykyinen terveydentila, hänen perimästä johtuva alttiutensa sairastua vakaviin tauteihin tulevaisuudessa että lääkeaineiden vaikutustapa potilaaseen. Yksilön terveyttä kuvaava geenikartta voisi olla henkilökortti, joka kertoisi esimerkiksi seuraavia seikkoja kantajansa terveydestä. Onko henkilöllä perinnöllinen sairaus? Henkilön geeneissä esiintyy mutaatio, joka aiheuttaa kystistä fibroosia. Tässä tapauksessa hoidoksi voisi käydä geeniterapia. Miten henkilö reagoi lääkeaineisiin? Hermostoon vaikuttavia lääkkeitä on annosteltava tavallista enemmän, sillä ne hajoavat elimistössä erittäin nopeasti. Kuinka suuri syöpäriski henkilöllä on? Jos potilas sairastuu rintasyöpään, sen uusiutuminen on enemmän kuin todennäköistä, ja jälkiseurannan on oltava tehokasta. emäksiä sisältävän kentän jaksoihin. Normaalisti sulkeutuneissa geeneissä on aina kaksi nauhaa eli juostetta, jotka kietoutuvat toisiensa ympäri, sillä juosteiden emäkset pyrkivät muodostamaan pareja tietyn kaavan mukaan. Dna-siruunkin lisätyn näytteen emäkset hakeutuvat siksi aina peilikuviensa luo. Ennen kuin potilaan dna-ainesta lisätään dna-siruun, se värjätään fluoresoivalla värillä. Kenttä, johon sitoutuu näytteen dna:ta, näkyy siksi dna-sirun lukulaitteessa punaisena. Potilaan dna, joka ei löydä pariaan sirusta, poistetaan ennen tulosten analysointia. Sairausriskin ennustaminen Työn alla on myös dna-siruja, joilla pystyttäisiin ennustamaan useiden geenien virheellisestä toiminnasta johtuvien sairauksien, kuten syövän, puhkeaminen. Tutkijat pyrkivät luomaan luotettavan geeniprofiilin, joka paljastaisi syöpäsoluksi muuttumassa olevat solut. Mikäli tällaisen dna-sirun kehittämisessä onnistutaan, laitteella voidaan havaita mm. keuhkosyöpä jo paljon ennen 64 ensimmäisen kasvaimen ilmaantumista. Tämä parantaisi hoitoennustetta merkittävästi, sillä nykyisin, kun syövän olemassaolo selviää vasta kasvaimen löytyessä, tauti on usein jo levinnyt liian laajalle etäpesäkkeiden välityksellä. Syöpäsolun geeniprofiilin luomiseen tarvitaan toisenlaista dna-sirua kuin yhden mutaation aiheuttamien sairauksien selvittämiseen. Dna-siru ei tällöin sisällä yhden geenin mutaatioita vaan kuhunkin kenttään sijoitetaan perusversio kustakin tutkittavasta geenistä. Yhdessä kentässä on aina vain yksi geeni. Teoriassa kaikki ihmisen 30 000-40 000 geeniä voisivat mahtua yhteen dna-siruun. Tutkimuksessa ei tällöin myöskään käytetä potilaan dna:ta vaan hänen soluistaan kerätään rna:ta. Rna on dnajakson eräänlainen käänteinen, ei aivan identtinen kopio. Yksi rna-tyypeistä mm. kuljettaa kulloinkin tarvittavan proteiinin reseptin solun tumasta solulimaan. Kun tumassa aktivoituu jokin geeni, siellä syntyy sitä vastaavaa rna:ta ja sen jälkeen tuman ulkopuolella rna:n määräämää proteiinia. Tästä syystä tietyntyyppisen rna:n esiintyminen solulimassa kertoo sitä vastaavan geenin aktivoitumisesta. Jos potilaalta kerätyistä näytteistä saatua rna:ta levitetään dna-siruun, se sitoutuu kaikkiin niihin kenttiin, joissa on näytteen keräyshetkellä aktiivisesti toimineita geenejä. Kun dna-sirun tiedot luetaan, aktiiviset geenit näkyvät punaisina ja toimimattomat geenit vihreinä. Yhdysvalloissa Etelä-Floridan yliopistossa on vertailtu terveiden ja keuhkosyöpää sairastavien henkilöiden keuhkosolujen geeniprofiileja. Tällaisia tutkimuksia tarvitaan, jotta ajan mittaan pystytään tunnistamaan ne geenit, jotka toimivat aktiivisesti terveissä keuhkoissa ja ovat passiivisia syöpää sairastavan henkilön keuhkoissa. Arvioiden mukaan noin 100 geenin aktiivisuustasosta voisi päätellä, ovatko keuhkosolut kehittymässä syöpäsoluiksi. Kun päätelmän tekemiseen tarvittavat geenit tunnistetaan, voidaan suunnitella uusi dna-siru, joka sisältää vain keuhkosyövän kehittymiselle merkitykselliset emäsjaksot. Alttiusprofiilin kertova dna-siru olisi lääkäreille jo todellinen nopean diagno- Tieteen Kuvalehti 8/2002
Anna Aarne Onko henkilöllä perinnöllinen sairaus? Henkilöllä on mutaatio, joka saa aikaan periytyvän Huntingtonin taudin. Oireita alkaa ilmaantua 30 40-vuotiaana. Miten henkilö reagoi lääkeaineisiin? Epilepsialääkkeet hajoavat henkilön elimistössä poikkeuksellisen hitaasti, joten niitä on käytettävä hyvin pieninä annoksina. Kuinka suuri syöpäriski henkilöllä on? Henkilön riski sairastua erittäin harvinaiseen erityishoitoa vaativaan lymfoomatyyppiin on tavallista suurempi. Onko henkilöllä perinnöllinen sairaus? Henkilö ei itse ole sairas. Hänellä on sirppisoluanemian aiheuttava peittyvästi periytyvä geenivirhe, joka voi siirtyä jälkeläisille. Miten henkilö reagoi lääkeaineisiin? Kolesterolitasoa alentava lääkitys ei tehoa henkilöön, joten korkeaa kolesterolitasoa on hoidettava jollain muulla tavalla. Kuinka suuri syöpäriski henkilöllä on? Henkilölle on kehittymässä keuhkosyöpä, jonka hoito on aloitettava välittömästi, jotta se tehoaisi. soinnin apuväline. Menetelmä soveltuisi esimerkiksi suomalaisilla yleisten sepelvaltimotaudin ja diabeteksen seulontaan. Dna-sirun valmistus työlästä Apua sairauksien erottamiseen Dna-sirulla voidaan myös tarkentaa sairauksien luokittelua. Monet sairaudet muistuttavat toisiaan, vaikka niiden geneettiset syyt eivät olekaan samat ja ne vaativat myös toisistaan poikkeavaa hoitoa. Yhdysvalloissa Kansallisen syöpäinstituutin ja Stanfordin yliopiston tutkijoiden dna-sirututkimuksessa pystyttiin erottamaan luotettavasti kaksi toisiaan muistuttavaa lymfooma- eli imukudoskasvaintyyppiä, joiden hoidolle oikea diagnoosi on ratkaisevan tärkeää. Dna-sirumenetelmää voitaneen lähitulevaisuudessa käyttää myös joidenkin sairauksien lääkityksen tarkentamisessa ja uusien täsmälääkkeiden kehittelyssä. Jos sairauden geeniprofiilin määrityksessä selviää, että sairauden puhkeamista edeltää tiettyjen geenien aktivoituminen, voidaan alkaa etsiä lääkettä, joka säätelee niiden aktivoitumista tai ehkäisee niiden tuottamien proteiinien toimintaa. D. PARKER/SPL/FOCI Yhden geenimutaation tunnistavista dna-siruista on vielä pitkä matka laitteisiin, jotka osoittavat useista geeneistä johtuvien sairauksien puhkeamisen. Oikean yhdistelmän löytämiseksi on vertailtava erittäin suuria määriä terveitä geeniprofiileja sairastumassa olevien tai sairastuneiden profiileihin. Työtä ei saada tehtyä ilman nopeita robotteja ja tehokkaita tietokoneita. Robotti kokoaa tietoja lukemattomista geeninäytteistä. Tieteen Kuvalehti 8/2002 65