Koronarokotteet kehitettiin nopeasti DNA:n sekvensointitekniikan avulla

Cambridgen yliopiston kemistit Shankar Balasubramanian ja David Klenerman voittivat vuoden 2020 Millennium-palkinnon heidän kehittämiensä DNA:n sekvensointitekniikoiden ansiosta. Next Generation Sequencing -teknologian (NGS) ansiosta ihmisen perimätietoa kantavaa DNA:ta voidaan lukea edullisesti ja nopeasti.

Jokainen meistä kantaa soluissa vanhemmilta saatua geeniperimää eli genomia, jonka perusteella kaikki solumme ovat rakentuneet. Perimä on solujemme tumassa DNA:na. Jos ihmisen yhden solun DNA avattaisiin yhdeksi nauhaksi, tulisi pituudeksi noin kaksi metriä. DNA:han perimätieto on tallentunut emäsosina nimeltä guaniini (G), adeniini (A), sytosiini (C) ja tymiini (T). Näiden emäsosien järjestyksen vaihtelu on kuin kirjoitettua tietoa, jonka mukaan solut lopulta rakentuvat. Sekvensointi tarkoittaa tämän emäsjärjestyksen lukemista.

Sekvensoinnin sovelluskohteita on valtavasti – eivätkä ne rajoitu vain ihmisen perimän selvittämiseen. Teknologian avulla pystyttiin esimerkiksi koronaviruksen perimä lukemaan lähes heti viruksen löydyttyä. Tämä loi pohjan sille, että rokote virusta vastaan saatiin otettua käyttöön maailmanennätysajassa. Nyt samalla tekniikalla seurataan päivittäin koronavirusvarianttien etenemistä.

Palkittu menetelmä laajasti käytössä myös Suomessa

NGS on tehokäytössä myös Suomessa. Professori Aarno Palotie on Suomen tunnetuimpia sairausgenetiikan tutkijoita ja Suomen molekyylilääketieteen instituutin FIMM:in tutkimusjohtaja. Hänellä on käynnissä useita tutkimushankkeita, joissa kaikissa hyödynnetään NGS-teknologioita.

Laboratoriomestari Sari Hannula Suomen molekyylilääketieteen instituutin (FIMM) sekvensointilaboratoriosta tarkastelee NGS-sekvensointiteknologiassa hyödynnettävää läpivirtauskammiota. Läpivirtauskammioita ladataan NGS-sekvensointilaitteeseen FIMM Teknologiakeskuksen sekvensointilaboratoriossa. Kuva: Markus Pentikäinen / FIMM, Helsingin yliopisto.

Tunnetuimmassa, FinnGen-hankkeessa tavoitteena on tuottaa genomitietoa 500 000 suomalaisesta. Suomalaisten geeni- ja terveystietoja yhdistämällä yritetään löytää, mitkä geenit altistavat erilaisille sairauksille. Tämän tiedon avulla voidaan kehittää parempia lääkkeitä ja jopa hoitaa ihmisiä ennaltaehkäisevästi ennen sairauksien puhkeamista.

Toisessa, Super-nimisessä hankkeessa taas selvitettiin psykoosisairauksien periytyvyyttä laajassa, 10 000 henkeä kattavassa geenitutkimuksessa.

Kolmas tutkimus avaa älyllisen kehitysvammaisuuden perinnöllistä taustaa Pohjois-Suomessa 3000 hengen DNA-näytteiden avulla.

”Voimme kerätä ja tutkia suuria määriä tietoa ihmisen perimästä, koska geenitiedon kerääminen NGS-teknologian ansioista on tullut niin nopeaksi ja edulliseksi”, Palotie sanoo.

Suuria määriä näytteitä pitää tutkia

Ihmisgenetiikan tutkimiseen tarvitaan suuria näytemääriä. Suurin osa geenien aiheuttamista sairausalttiuksista on monen geenin aikaansaannosta ja geenien yhdistelmien muunnelmia löytyy valtavan paljon. Tarvitaan suurista ihmisjoukoista kerättyjä aineistoja, jotta tietokoneilla voidaan laskea, mitkä lukuisista muunnelmista ovat sairauksien kannalta olennaisia.

Helsingin yliopiston Meilahden kampuksella biopankkinäytteitä säilytetään -180 asteen lämpötilassa, nestemäisen typen avulla jäähdytettävissä syväjääpakastimissa. Näytteitä käsittelee Laboratoriokoordinaattori Tiina Vesterinen Suomen molekyylilääketieteen instituutista (FIMM). Kuva: Markus Pentikäinen / FIMM, Helsingin yliopisto.

NGS:n lisäksi on olemassa myös muita tekniikoita, joiden avulla genomitietoa voidaan selvittää. Käyttökohteesta riippuu, mitä kannattaa käyttää. Tekniikat myös kehittyvät nopeasti ja muuttuvat edullisemmiksi.

”Hankkeissamme genomitiedon selvitys saattaa jo nyt maksaa vähemmän kuin se, että terveydenhuollon ammattilainen ottaa näytteen tutkittavasta henkilöstä”, Palotie kertoo.

Hoidot räätälöidään

Geenitietoa hyödynnetään tällä hetkellä eniten harvinaisten sairauksien ja syövän hoidossa.

Geenitesteillä selvitetään Suomessa esimerkiksi FH-tautiin eli vaikea-asteiseen periytyvään rasva-aineenvaihdunnan häiriöön sairastumista. Taudissa kolesteroli on hyvin korkea jo lapsuudesta asti. Noin puolet FH-tautia sairastavista miehistä saa sepelvaltimotaudin jo ennen 50. ikävuottaan. FH:ta aiheuttavat tuhannet eri geenimutaatiot, mutta Suomessa neljä viidestä FH-tapauksesta johtuu jostakin kahdeksasta valtamutaatiosta. Jos geenitestit näyttävät, että potilaalla on joku näistä, kolesterolia osataan pyrkiä heti alentamaan tähän sopivalla, estävällä lääkehoidolla - samalla kun potilasta ohjataan terveellisiin elintapoihin.

Merkittävä osa tutkimuksessa hyödynnettävästä genomitiedosta tuotetaan DNA-sirujen avulla. Kuvassa näkyvien sirujen avulla saadaan tietoa yli 700 000 geenimerkistä. Genomianalyysiä on tekemässä Erikoislaboratoriohoitaja Anu Yliperttula Suomen molekyylilääketieteen instituutin (FIMM) Teknologiakeskuksesta. Kuva: Markus Pentikäinen / FIMM, Helsingin yliopisto.

Syöpää aiheuttavia altistavia geenivirheitä on erilaisia. Jotkut virheet ovat harvinaisia, suuren sairastumisriskin aiheuttavia geenimuutoksia. Jotkut geenivirheet ovat vain vähän syöpäriskiä kasvattavia muutoksia. Jotkut ovat jotain näiden väliltä.

”Jos geenitutkimuksessa voidaan esimerkiksi löytää naisia, joilla on esimerkiksi suurempi rintasyöpäalttius, heidät voidaan kutsua rintasyöpäseulontoihin aiempaa nuorempina. Vastaavasti niitä naisia, joilla vastaavaa alttiutta ei ole, voidaan vaivata seulontoihin ehkä vasta nykyistä myöhemmin”, Palotie kertoo.

Geenitestit voivat auttaa myös selvittämään, mitkä lääkkeet auttavat ja mitkä eivät. Esimerkiksi syöpäsairaille voidaan antaa oikeita täsmälääkkeitä. Nämä saattavat olla vaihtoehtoja vaikeita sivuvaikutuksia aiheuttaville sytostaattihoidoille.

Geenitestit myös mikrobeja vastaan

”NGS-menetelmät sopivat erinomaisesti myös mikrobien tutkimiseen”, Palotie muistuttaa.

Paitsi että esimerkiksi viruksien perimä voidaan tunnistaa, nopeita ja edullisia testejä voidaan tehdä niin monista näytteistä, että niiden uusien mutaatioiden syntyminen voidaan huomata nopeasti sairastuneiden näytteistä ja tämän jälkeen voidaan selvittää, miten nopeasti ja missä ne etenevät. Koronaviruksen varianttien kohdalla tietoa on hyödynnetty maailmanlaajuisesti. Jo tämän vuoden kesällä valtiot ovat päättäneet muun ohella maskipakoista ja matkustusrajoituksista sen tiedon mukaan, mitä maailmanlaajuisesti NGS-menetelmällä on saatu selvää uusien virusmutaatioiden leviämisestä.

Koronavirukset eivät ole tässä poikkeus. NGS-menetelmä sopii käytettäväksi minkä tahansa nykyisen tai tulevan viruksen perimän selvittämisessä. Mikrobit ovat jopa ihmisiä helpompia tutkia, koska niiden perimä on lyhyempi.

Akatemia tuo tutkijoita yhteen

Suomen Akatemia auttaa tutkimusta eteenpäin monin tavoin. Suomen Akatemia muun muassa rahoittaa parhaillaan kompleksitautien genetiikan huippuyksikköä, jossa Palotie on mukana.

”Huippuyksikkö kerää yhteen alan kärkitutkijoita. Voidessaan työskennellä yhdessä tutkijat voivat tehdä parempaa tutkimusta.”

Teksti: Visa Noronen
Kuvat: Markus Pentikäinen, FIMM, Helsingin yliopisto ja  Linda Tammisto, Helsingin yliopisto