Tekijä Elizabeth Burke

Tiistai, 9. elokuuta 2016

Tutkijat käyttävät erilaisia laboratoriotekniikoita tutkiakseen ihmisen sairauksien geneettistä syytä. Tutkimuksessa hyödynnetään usein potilaiden soluja tai kudosnäytteitä, mutta sen selvittämiseksi, voiko tietyn geenin mutaatio aiheuttaa potilaan oireet, tarvitaan usein koe-eläinmalleja.

Mikäli hiiret ja rotat ovat aiemmin olleet yleisiä valintoja ihmisen sairauksien mallintamiseen, seeprakalojen käyttö kasvattaa nopeasti suosiotaan. Yllättääkö tämä sinua? Annas kun selitän.

Mitä ovat seeprakalat?

Seeprakalat ovat trooppisia makean veden kaloja, jotka kuuluvat minnow-heimoon. Luonnossa niitä tavataan Intian joissa ja lammikoissa, mutta nykyään niitä on kuitenkin usein saatavilla eläinkaupoista. Nimi ”seeprakala” tulee vaakasuorista sinisistä raidoista niiden ruumiin kummallakin puolella.

Seeprakalat, jotka ovat saaneet nimensä raitojensa vuoksi, elävät mieluiten suurissa ryhmissä, joita kutsutaan parviksi.

Miten ihmisen sairautta voidaan mallintaa kaloilla?

Vaikkakin ihminen saattaa vaikuttaa äärimmäisen erilaiselta kuin seeprakala, olemme itse asiassa paljon samankaltaisempia kuin luulisi. Itse asiassa 70 % ihmisen geeneistä löytyy seeprakaloista.

Seeprakaloilla on lisäksi kaksi silmää, suu, aivot, selkäydin, suolisto, haima, maksa, sappitiehyet, munuaiset, ruokatorvi, sydän, korva, nenä, lihakset, veri, luu, rusto ja hampaat. Monet geenit ja kriittiset reitit, joita tarvitaan näiden ominaisuuksien kasvattamiseen, ovat hyvin konservoituneita ihmisten ja seeprakalojen välillä. Näin ollen mikä tahansa sairaus, joka aiheuttaa muutoksia näissä ruumiinosissa ihmisellä, voitaisiin teoriassa mallintaa seeprakalassa.

Miksi käyttää seeprakaloja, kun voisi käyttää hiiriä?

Vaikka hiiret ovat evolutiivisesti samankaltaisempia kuin ihmiset, koska ne ovat nisäkkäitä, seeprakaloilla on useita etuja karvaisiin kilpakumppaneihinsa nähden.

Eräs tärkeä seeprakalojen etuna on se, että täysikasvuiset hiiret ovat pienikokoisia, ja ne pitävät mieluummin suurina ryhminä, niin sanottuina ”parvina”. Näin ollen ne vaativat paljon vähemmän tilaa ja ovat halvempia ylläpitää kuin hiiret.

NIH:n seeprakalojen ydintutkimuslaitoksessa (NIH Zebrafish Core) pidetään satojatuhansia seeprakaloja huipputeknisessä laitoksessa.

Toinen etu on se, että aikuiset seeprakalat lisääntyvät herkästi (noin 10 päivän välein), ja ne pystyvät tuottamaan jopa 50-300 munaa kerrallaan. Tämä on aivan eri asia kuin hiirillä, sillä ne tuottavat yleensä yhdestä kymmeneen pentuetta ja voivat synnyttää vain noin kolme pentuetta elinaikanaan. Tieteelliset kokeet toistetaan yleensä useita kertoja tulosten paikkansapitävyyden osoittamiseksi, joten on hyödyllistä, että eläimellä on eläin, joka pystyy tuottamaan suuren määrän jälkeläisiä kerta toisensa jälkeen.

Seeprakalojen alkiot myös munitaan ja hedelmöitetään ulkoisesti, minkä ansiosta niitä voidaan helposti manipuloida eri tavoin. Koeputkihedelmöitys voidaan suorittaa tarvittaessa. Yhden solun vaiheessa oleviin hedelmöittyneisiin muniin voidaan helposti ruiskuttaa DNA:ta tai RNA:ta niiden geneettisen rakenteen pysyväksi muuttamiseksi, jotta voidaan luoda siirtogeenisiä tai knock-out-seeprakalalinjoja. Hiirien kanssa työskentely on tällä tavoin paljon monimutkaisempaa. Hiiren alkiot kehittyvät emon sisällä, ja jotta niihin päästäisiin käsiksi ja niitä voitaisiin manipuloida, emo pitäisi uhrata. Jotta alkiot pysyisivät elossa hedelmöittämisen tai ruiskuttamisen jälkeen, ne olisi siirrettävä myös toiseen hiirenaaraaseen.

Seeprakalan toukka, kehitysvaihe kolmesta kolmeen ja kolmeenkymmeneen vuorokauteen hedelmöittymisen jälkeen, kasvaa pituudeltaan noin 3,5 millimetristä 8 millimetriin.

Seeprakalojen alkiot ovat lisäksi kirkkaita, jolloin tutkijat pystyvät seuraamaan hedelmöittyneiden mätimunien kasvamista täysimittaisiksi kalanpoikasiksi mikroskoopin alla. Niiden läpinäkyvyys mahdollistaa myös fluoresoivasti leimattujen kudosten visualisoinnin siirtogeenisissä seeprakalan alkioissa. Hiirten alkiot eivät ole läpinäkyviä, ja ne kehittyvät emon sisällä, joten seeprakalojen kaltainen elävän alkion kehityksen tarkkailu ei ole mahdollista.

Seeprakaloissa voidaan kuitenkin tutkia vain rajoitetusti erilaisia sairauksia. Ihmisen sairaudet, jotka johtuvat geeneistä, joita ei ole olemassa seeprakalassa, vaativat toisenlaisen eläinmallin. Lisäksi seeprakalat eivät ole käyttökelpoisia malleja sellaisille ihmisen sairauksille, jotka tapahtuvat pääasiassa sellaisessa kudostyypissä tai ruumiinosassa, jota seeprakaloilla ei ole (esim. eturauhanen, maitorauhaset, keuhkot).

Miten tarkalleen ottaen seeprakaloja käytetään ihmisen sairauksien tutkimiseen?

Tiheästi potilaan DNA:ta analysoidaan sekvenssillä, jotta löydettäisiin mutaatio jossakin sellaisessa geenissä, joka voisi mahdollisesti aiheuttaa potilaan sairauden oireita. Sen selvittämiseksi, voisiko kyseisen geenin toiminnan menetys aiheuttaa potilaalla havaitut oireet, sama geeni mutatoidaan tai ”tyrmätään” seeprakaloissa, minkä jälkeen kaloja tutkitaan samankaltaisten oireiden varalta. Vaikka se on paljon vaikeampaa tehdä, myös seeprakalaan voidaan tuoda täsmälleen sama mutaatio kuin potilaalla – tätä kutsutaan ”knock-in”-mutaatioksi.

Jos yksi tai useampi potilaan oire havaitaan seeprakalan knock-out- tai knock-in-mallissa, seeprakalaa voidaan käyttää jatkotutkimuksiin sen selvittämiseksi, miksi kyseisen geenin mutaatio aiheuttaa sairauden. Esimerkiksi lihassyiden rakennetta voidaan tutkia mikroskoopilla poikkeavuuksien varalta, jos potilaalla on lihassairaus. Tai jos potilaan sairauden oireet ovat alkaneet kohdussa tapahtuvan kehityksen aikana, knock-out- tai knock-in-seeprakalojen alkioita voidaan tutkia geeniekspressiomuutosten varalta (verrattuna alkioihin, joissa ei ole mutaatiota), jotka voivat johtaa epänormaaliin kehitykseen. Jos potilaalla on neurologinen sairaus, knock-out-alkioiden neuronit voidaan fluoresenssimerkitä, jotta nähdään, muodostuvatko ne väärin.

Sen lisäksi, että tutkijat voivat hyödyntää seeprakalojen tautimalleja ihmissairauksien luonnehtimiseen, he voivat myös tunnistaa ja testata uusia lääkkeitä mallinnettavien sairauksien hoitoon. Seeprakalojen kyky tuottaa useita alkioita joka kerta, kun ne lisääntyvät, tekee niistä erityisen käyttökelpoisia korkean läpimenon lääkeseulonnassa.

Mitä esimerkkejä ihmissairauksista, joita on onnistuttu mallintamaan seeprakaloissa?

Dystrofiinigeenin tyrmäystilan tuottaminen seeprakaloissa on osoittanut muistuttavan läheisesti ihmissairauden Duchenne-muskeldystrofian vaikeusastetta ja etenemistä. Duchennen lihasdystrofiaa sairastavilla potilailla on todettu olevan mutaatioita dystrofiinissa, ja heillä esiintyy lapsuudessa lihasheikkoutta, joka pahenee asteittain. Sekä ihmisillä että seeprakalamallissa dystrofiinin menetys johtaa vähitellen nekroottisiin lihassyihin, jotka korvautuvat tulehdussoluilla, fibroosiin ja epänormaalin kokoisiin lihassyihin.

Tässä kuvassa on nähtävissä visuaalisia eroja lihaksessa villityyppisen seeprakalamun toukan (A, B, C) ja dystrofisen toukan (A’, B’, C’) välillä. Lähde: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

Ihmisen melanoomaa on myös onnistuttu mallintamaan seeprakalassa. Ihmisen melanoomissa yleisimmin havaittu mutaatio – yksi aminohappomuutos BRAF-geenissä – luotiin seeprakalassa knock-in-mallia varten. Koska syövät johtuvat useiden geneettisten muutosten yhdistelmästä, tätä knock-in-seeprajalinjaa käytettiin seulomaan muita mahdollisia syöpää aiheuttavia mutaatioita. Kun BRAF knock-in -seeprakalaan lisättiin toinen yleisesti havaittu melanoomamutaatio geenissä SETDB1, kehittyi nopeasti melanooma. Nämä tulokset auttoivat osoittamaan, että SETDB1 on tärkeä geeni melanooman kasvussa.

Näistä esimerkeistä, miten ihminen ja seeprakala voivat ilmentää samaa sairautta huolimatta siitä, miten erilaisilta me näytämme, on helppo ymmärtää, miksi seeprakalasta on tulossa hyvin hyväksytty eläinmalli. Täällä NIH:n diagnosoimattomien sairauksien ohjelmassa suoritamme tutkimuksia, joissa käytetään seeprakaloja yhtenä monista lähestymistavoista, joilla tutkitaan muuttuneiden geenien mahdollista osallisuutta potilaidemme äärimmäisen harvinaisiin sairauksiin. Vaikka hiiret ovat aiemmin olleet vallitseva eläinmalli, joka yhdistää tutkimuspöydän ja vuodeosaston, viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että seeprakala voi toimia helposti lähestyttävänä vaihtoehtona hiirille. Ajankohta, jolloin seeprakala on otettu käyttöön kehittyvänä malliorganismina, ei voisi olla parempi, sillä hiiritutkimukset eivät useinkaan sovellu ihmisiin. Vaikka mikään eläin ei voi täydellisesti mallintaa ihmisen sairautta, uskon, että näillä pienillä raidallisilla uimareilla on suuri potentiaali edistää lääketieteellistä tutkimusta tulevaisuudessa.

Jos haluat lisätietoja siitä, miten seeprakalat edistävät biolääketieteellistä tiedettä ja ihmisten terveyttä, käy Trans-NIH:n seeprakala-aloitteen (Trans-NIH Zebrafish Initiative) ja NICHD:n (NICHD:n) seeprakala-ydinorganisaatioiden (NICHD Zebrafish Core) verkkosivustoilla.