SlideShare a Scribd company logo
9.2.9. Geenisirut (= DNA-mikrosirutekniikka, DNA-siru tai DNA-lastu,
englanniksi esim. microarray tai DNA-array)
Jotta ymmärrät tähän kirjoittamani näkökulmat, sinun täytyy ensin selvittää itsellesi
seuraavat aikaisemmin opiskellut asiat:
- PCR-menetelmä
- Northern blotting eli solukkonäytteen sisältämien kaikkien lähetti-RNA-molekyylien
eristäminen poly-A-hännän avulla
- käänteistranskriptaasin toimintaperiaate ja käyttö geenitekniikassa
- in situ-hybridisaatio ja geenikoettimien toimintaperiaate
Geenisirut koostuvat mikroskooppilasille kestävöidyistä tuhansista geenikoettimista,
joihin hybridisoidaan tutkimusnäytteen RNA:sta valmistettua komplementaarista
DNA:ta (cDNA).
Geenisiruja valmistetaan siten, että cDNA-kirjastoista poimitaan esimerkiksi tiettyjen
syöpägeenien kloonit. Klooneista valmistetaan geenikoettimet ja ne kestävöidään
pipetointirobotilla (»mikrosirukirjoitin») mikroskoopin aluslasille.
Kutakin geenikoetinta sijoitetaan aluslasille tietylle kohdalle, selvärajaiseksi täpläksi
(kuva oppikirjassa sivulla 44). Yhdelle aluslasille kirjoitetaan tavallisesti 10 000–20
000 erilaista DNA-jaksoa. Tulevaisuudessa siirryttäneen koko genomin (= yksittäisen
lajin kaikki geenit) kattaviin noin 50 000 kloonin laseihin.
Potilaalta, esimerkiksi syöpäkasvaimesta otetusta näytteestä, eristetään lähetti-RNA-
molekyylit, jotka käännetään käänteistranskriptaasin avulla cDNA:ksi. Nämä cDNA-
molekyylit leimataan fluoresoivalla eli valoa hohtavalla väriaineella. Kasvaimesta
peräisin olevat molekyylit voidaan leimata vaikkapa keltaisiksi.
Potilaan leimattua cDNA-näytettä hybridisoidaan (= in situ –hybridisaatio)
geenisirulla olevien koettimien kanssa huljuttamalla sirua näytemolekyylejä
sisältävässä liuoksessa. Jos näytemolekyyleissä esiintyy geenikoettimiin nähden
komplementaarisia emäsjärjestyksiä, nämä kiinnittyvät asianomaista koetinta
sisältävän täplän kohdalle.
Keltaisten valotäplien sijainti sirulla kertoo, mitkä syöpägeeniversiot näytteen
sisältämissä soluissa ovat toiminnassa. Siis sen, mitkä nimenomaiset geenivirheet
kyseisen kasvaimen ovat aiheuttaneet. Tarkka tieto kasvaimen genetiikasta auttaa
löytämään parhaan mahdollisen lääkityksen.
Standardoiduille siruille on olemassa valmiita tietokonepohjaisia lukuohjelmia, jotka
antavat tulosyhteenvetoja valmiina taulukkoina. Tulkinta on siis suurelta osin
automatisoitua.
Geenisirutekniikalla kyetään keräämään aivan uudella tavalla tietoa geenien
normaalista ja patologisesta (=tauteihin liittyvästä) toiminnasta pian jopa koko
genomin mittakaavassa. Geenisirutekniikan sovellusmahdollisuudet koskettavat
lähes kaikkea biologista ja lääketieteellistä tutkimusta, lääkekehitystyötä ja
diagnostiikkaa.
9.2.10. Haulikko- eli rinnakkaissekvenssointi eli Chromosome walking (Geeni
s. 68)
Tässä selostetun menetelmän ymmärtämiseksi sinun tulee etukäteen osata
seuraavat asiat:
- PCR-menetelmä
- restriktioentsyymien toimintaperiaate
- in situ-hybridisaatio ja geenikoettimien toimintaperiaate
- Sanger-menetelmä
- elektroforeesi
- mielellään myös genomisten geenikirjastojen tekeminen (kirjassa s.42), mutta
näiden tekeminen valkenee ehkä myös alla olevasta
- käsite plasmidi
- käsite ssDNA
Haulikkosekvensoinnin perusidea on, että pitkien DNA-jaksojen, esimerkiksi
kokonaisten kromosomien emäsjärjestyksen selvittämisessä joudutaan tyytymään
lyhyiden askelten taktiikkaan. Sanger-menetelmä (tässä tiedostossa kohta 9.8.) ei
nimittäin sovellu kovinkaan pitkien DNA-jaksojen sekvenssoimiseen.
Pitkät DNA-jaksot pilkotaan niin lyhyiksi, että Sanger-menetelmää voidaan käyttää.
Syntyvien DNA-pilkkeiden järjestys menee pilkkomisen seurauksena sekaisin. Jos
kuitenkin pilkkominen tehdään useammalla eri restriktioentsyymillä, kullakin
erikseen, pilkkeiden järjestys voidaan myöhemmin päätellä vertailemalla toisiinsa eri
restriktioentsyymeillä pilkottujen DNA-jaksojen emäsjärjestysten päällekkäisyyksiä
(Kuva 66). Geneettisen koodin päällekkäisyyksien perusteella sekvenssoinnin
hoitavat sitten tietokoneet.
9.2.11. Green Fluorescent Protein eli GFP
Alkuperäinen, pilkkoutumaton DNA-molekyyli, jonka emäsjärjestys
halutaan selvittää. Molekyyli on liian pitkä kerralla sekvenssoitavaksi.
Restriktioentsyymi 1:llä pilkottu DNA
Restriktioentsyymi 2:lla pilkottu DNA
Restriktioentsyymi 3:lla pilkottu DNA
Kuva 66. Haulikkosekvenssoinnin perusperiaate. Alkuperäinen DNA-näyte on
liian pitkä kerralla sekvenssoitavaksi. Siksi sitä aluksi monistetaan PCR-
menetelmällä. Monistettua DNA:ta jaetaan useaan eri koeputkeen (= värit). Kun
kuhunkin putkista laitetaan erilaiselle emäsjärjestykselle herkkää
restriktioentsyymiä, DNA pilkkoutuu kussakin koeputkessa eri kohdista.
Tuloksena on sekvenssointiin sopivia, lyhyitä DNA-jaksoja, joissa kuitenkin on
niin paljon päällekkäisiä emäsjärjestyksiä, että alkuperäisen DNA-näytteen koko
emäsjärjestys voidaan lopulta päätellä.
Monia solubiologisia ilmiöitä voidaan nykyisin seurata reaaliaikaisesti uusien
molekyylitasolle yltävien värjäysmenetelmien avulla. Usein värjäysmenetelmissä
hyödynnetään sinivihreää valoa hohtavaa proteiinia, jota eräät meduusat ja
kampamaneetit tuottavat. Proteiini tuntee nimen Green Fluorescent Protein (=GFP).
GFP:tä koodaava geeni onnistuttiin eristämään. Tutkijat myös tarkoituksellisesti
mutatoivat geeniä niin, että geenituotteina saatiin lukuisia erilaisia värimuunnoksia.
Nykyisin tuotetaan esimerkiksi punaista, keltaista, vihreätä tai sinistä valoa hohtavia
GFP-proteiineja.
GFP-geenin eri versioita voidaan yhdistää muiden geenien jatkoksi. Kun ”isäntänä”
toimivan geenin promoottoriosa päräyttää RNA-polymeraasin liikkeelle, syntyy
lähetti-RNA-molekyylejä, joiden alussa on ”isäntägeenin” koodaaman proteiinin
rakenneohje, mutta sen mukana myös GFP-proteiinia koodaava RNA-ketju (Kuva
68). Näin jokainen yhdistelmägeenin perusteella rakennettu proteiini saa kylkeensä
näkyvää valoa hohtavan ”lampun”.
Proteiinien avaruusrakenne, ja samalla proteiinin toimintatapa, häiriintyy helposti
ylimääräisten lisukkeiden vaikutuksesta. Jotta GFP-osa ei häiritsisi ”isäntäproteiinin”
toimintaa, liitetään ”isäntägeenin” ja GFP-geenijakson väliin lyhyt ylimääräinen
nukleotidiketju. Tarkoitukseen valitaan sellainen emäsjärjestys, jonka vanhastaan
tiedetään koodaavan suoraa, siimamaisen muodon saavaa aminohappoketjua. Näin
GFP kulkee proteiinin lisukkeena, mutta turvallisen etäisyyden päässä, vähän niin
kuin ilmapallo narussaan.
Tämä välike ”isäntäproteiinia” ja GFP-osaa koodaavan geenijakson välillä on
suomeksi linkkeri eli yhdistäjä (Kuva 68). Virallisesti sen nimi englanniksi on ”flexible
polypeptide linker region” (flexible = taipuisa, polypeptide = lyhyt aminohappoketju,
linker = yhdistäjä, region = alue).
Itsevalaisevia reseptoreita
Esimerkiksi valkosoluihin kuuluvat dendrosyytit ja T-solut telakoituvat kiinni toisiinsa
silloin, kun dendrosyytit esittelevät T-soluille vierasantigeenejä.
Telakoituminen tapahtuu solukelmulla olevien reseptoriproteiinien avulla.
Dendrosyytin pinnalla on MHC-reseptoreita ja B7-apureseptoreita. T-solun pinnalla
on CD28-apureseptoreita sekä vierasantigeenien tunnistamiseen erikoistuneita T-
solureseptoreita (kuva 69).
Kuva 68.
GFP-yhdistelmägeeni.
”Isäntägeenin” promoottoriosan (musta) ja rakenneosan (vihreä) jatkoksi on liitetty
linkkeriosa (punainen) ja GFP-osa (sininen). RNA-polymeraasi kopioi promoottorin
perässä olevan DNA-jakson yhdeksi pitkäksi mRNA-molekyyliksi.
”Isäntägeenin”
promoottoriosa GFP-osa
”Isäntägeenin”
rakenneosa Linkkeriosa
GFP-yhdistelmägeeni
Esittelyn alkaessa solut asettavat solukelmunsa vastakkain, ne ikään kuin antavat
toisilleen muiskauksen. Paikkaan, missä solukelmut koskettavat toisiaan, kertyy
tuolloin runsaasti kummankin solutyypin apureseptoreita B7 ja CD28.
Apureseptoreillaan solut ”paiskaavat kättä” telakoituen kiinni toisiinsa.
Kun telakoituminen on tapahtunut, apureseptorit alkavat siirtyä ”muiskauskohdan”
reunamille. Nyt ”muiskauksen” keskiosaan alkaa vuorostaan kerääntyä MHC- ja T-
solureseptoreita. Kun ne nyt kohtaavat toisensa, on vuorossa varsinainen
antigeenien esittely. Tätäkin siis tapahtuu laajalla alueella dendrosyytin ja T-solun
solukelmulla lukuisien MHC- / T-solureseptoriparien kesken (kuva 70).
Jos yhdistelmä-DNA-tekniikalla (kuva 68) liitetään esimerkiksi Dendrosyytin B7-
reseptoreihin punainen GFP-proteiini ja MHC-reseptoreihin vihreä, voidaan
reseptorien sijaintia ja liikehdintää solukelmulla seurata värien leikkinä
reaaliaikaisesti valomikroskoopilla (kuva 70).
Kuva 69. Dendrosyytti ja T-solu telakoituvat toisiinsa
solukelmulla olevien reseptorien avulla. Ensin yhtyvät
toisiinsa B7- ja CD28-, vasta tämän jälkeen MHC- ja T-
solureseptorit.
T-solu
Dendro-
syytti
MHC
T-solu-
reseptori
B7 CD28
Itsevalaisevia transkriptiofaktoreita
Samanlaisella yhdistelmä-DNA-tekniikalla voidaan tuottaa valoa hohtavia
transkriptiofaktoreita. Jos tutkimuksen kohteena ovat vaikkapa alkionkehitystä
ohjaavat transkriptiofaktorit, valon syttyminen solulimassa paljastaa, missä
alkionkehityksen vaiheessa solut kyseisiä TF:iä tuottavat. Kun valotäplät siirtyvät
solulimasta tumaan, on se merkki transkriptiofaktoreiden aktivoitumisesta ja siitä,
että ne kiinnittyvät omien kohdegeeniensä säätelyosiin.
Tilaa luovuudelle!
a) GFP-geenikoettimia
GFP:n rakennetta koodaavassa geenissä on kaksi peräkkäin sijaitsevaa osaa.
Toinen osa koodaa aminohappoketjua, joka muodostaa lampunvarjostinta
muistuttavan lieriömäisen rakenteen. Toinen osa koodaa pienempää sauvamaista
Lopputilanne: B7-
apureseptorit
laidoilla (vihreä),
MHC-reseptorit
keskellä (punainen).
Lähtötilanne: B7-
apureseptorit
keskellä (vihreä),
MHC-reseptorit
laidoilla (punainen).
Kuva 70. B7- ja MHC-reseptorien liikkuminen dendrosyytin solukelmulla
(vertaa kuvaan 69). Kuvassa on se alue solukelmusta, jonka kohdalta
dendrosyytti telakoituu T-solun kanssa.
Välivaihe: B7- ja
MHC-reseptorit
vaihtavat paikkaa.
rakennetta, jota kutsutaan kromoforiksi. Valmiissa GFP:ssä kromoforiosa työntyy
”varjostinosan” sisään. GFP tuottaa luminenssia (valoa) vain, kun mainitut osat ovat
sisäkkäin (Kuvan 71 yläosa).
Eräs tutkijaryhmä sai ajatuksen katkaista GFP-geeni kahtia juuri ”varjostin-” ja
kromoforiosan välistä. Näin voitiin valmistaa kahdenlaisia GFP-geenejä: sellaisia,
joissa oli pelkän ”varjostimen” rakenneohje sekä sellaisia, joissa oli pelkän
kromoforin rakenneohje. Näitä kumpaakin geeniä sitten kloonattiin (=monistettiin)
erikseen. Kun geenit istutettiin bakteereihin, kumpaakin osaproteiinia voitiin tuottaa
suuria määriä (Kuvan 71 keskiosa).
Kun epäsymmetrisellä PCR-menetelmällä monistetaan jotakin DNA-juostetta,
voidaan PCR pysäyttää yksijuosteiseen vaiheeseen ja kemiallisesti kiinnittää
jokaisen juosteen 5´-päähän GFP:n varjostinproteiini. Kiinnittämisessä yleisimmin
käytetty kemiallinen ”välike” on eräs B-ryhmän vitamiini biotiini (englanniksi välikkeen
lisääminen onkin nimeltään biotinylation). Näin saadaan ”GFP-hatutettuja”
geenikoettimia, joita voidaan kestävöidä geenisiruihin.
Jos halutaan selvittää, täsmääkö jonkin DNA-näytteen emäsjärjestys edellä
mainittuihin geenikoettimiin, voidaan näytejuosteiden 3´-päät puolestaan leimata
GFP:n kromoforiosilla. Jos emäsjärjestykset täsmäävät, näytejuosteet pariutuvat
geenisirulla olevien koettimien kanssa. Tällöin DNA-juosteiden 3´ja 5´-päät asettuvat
sirulla kohdakkain, kromoforit löytävät ”varjostimensa” ja GFP:t alkavat tuottaa valoa,
näppärää (kuvan 71 alaosa)!
”Varjostinosa” KromoforiosaGFP
GFP-geeni
3´ 5´
5´
3´
3´ 5´5´ 3´
Kuva 71. GFP:n geeni koodaa kromoforiosaa ja ”varjostinosaa”. Geeni voidaan katkaista,
jolloin saadaan erillinen geeni kummallekin osalle. Geenejä voidaan kloonata (=monistaa) ja
tuottaa niiden avulla asianomaisia proteiineja. Proteiineilla voidaan leimata esimerkiksi
DNA:n yksöisjuosteita. Kun juosteet pariutuvat, GFP alkaa tuottaa valoa.
”Varjostin”geeni Kromoforigeeni
Leimataan mikrosirulla
olevien
geenikoettimien ja
tutkittavassa
näytteessä olevien
DNA-juosteiden
vastakkaiset päät
GFP:n eri osilla.
Luminesenssi
Tutkittava
DNA-näyte
Mikrosirulla oleva
geenikoetin
b) GFP-transkriptiofaktoreita
Monet transkriptiofaktorit ovat dimeerejä. Tämä tarkoittaa sitä, että ne kiinnittyvät
geenien säätelyosiin aina parina, vähän niin kuin vasemman- ja oikeankäden
hansikas, kun pannaan kädet ristiin.
Jos nyt valmistetaan GFP-yhdistelmägeenejä, jotka koodaavat tällaisia
transkriptiofaktoreita, voidaan vasemmanpuoleista osaa koodaavan geenin jatkoksi
liittää pelkän ”varjostinosan” rakenneohje ja oikeanpuoleista osaa koodaavan geenin
jatkoksi pelkän kromoforiosan rakenneohje.
Kun nämä geenit toimivat, syntyy kahdenlaisia GFP-transkriptiofaktoreita: osassa on
mukana ”varjostin-” ja osassa kromoforiosa. Kyseiset transkriptiofaktorit sytyttävät ja
sammuttavat valonsa sitä mukaa, kuin ne aktivoituvat eli kiinnittyvät pareina
kohdegeeniensä säätelyosiin tai irtautuvat niistä.
GFP ja reaaliaikainen PCR (= real time PCR / rtPCR = quantitative PCR / qPCR)
Valon tuottoa hyödynnetään usein myös menetelmässä nimeltä reaaliaikainen PCR
(= real time PCR / rtPCR = quantitative PCR / qPCR).
Tähän liittyvä kuva on BIOS5-kirjan sivulla 81, mutta siitä puuttuu pari olennaista
asiaa.
1) Kirjan kuvassa näkyvän geenikoettimen toisessa päässä on fotoneja emittoiva ja
vastakkaisessa päässä absorboiva pigmenttimolekyyli. Kun nämä ovat lähellä
toisiaan samassa geenikoettimessa, absorptio on yhtä suurta kuin emissio eikä
valosignaalia synny.
2) Menetelmässä käytetään DNA-polymeraasin muotoa, jota tutkijat ovat
"tuunanneet" kiinnittämällä siihen nukleaasiosan.
Nukleaasi irrottaa ja katkaisee kohtaamansa geenikoettimet aina, kun polymeraasi
viilettää DNA-juostetta pitkin (geenikoettimen katkeamista ei näy kirjan kuvassa).
Silloin emittoiva ja absorboiva molekyyli irtautuvat toisistaan ja fotonit pääsevät
emittoitumaan vapaasti valona.
Samaan tapaan voidaan käyttää myös GFP-proteiinin kromofori- ja varjostinosaa.
Kun kromofori- ja varjostinosa ovat geenikoettimen vastakkaisissa päissä, ei GFP
tuota valoa. Kun geenikoettimet katkeavat ja niiden pilkkoutuneet osat vapautuvat
liuokseen, myös GFP:n kromofori- ja varjostinosa pääsevät yhdistymään loistaen
GFP:lle ominaista valoa.
Jos koettimessa on esim. perinnölliselle sairaudelle, syöpäsairauksille tai eri
mikrobeille ominainen emässekvenssi, valon syttyminen paljastaa, että monistetussa
näytteessä esiintyy tämä sekvenssi. Tieto sekvenssin olemassaolosta saadaan
ilman, että tarvitsee tehdä työlästä ja aikaa vievää elektroforeesiajoa.
Jos taas kyseistä emässekvenssiä ei ole, eivät koettimet löydä niille
komplementaarista kiinnittymispaikkaa. Ne jäävät vapaiksi PCR-liuokseen, pysyvät
ehjinä eikä valoa tuottavia tapahtumia esiinny.
Näin sairauksien diagnostiikkaa voidaan sekä tarkentaa, automatisoida että
nopeuttaa.
GFP:stä Nobel-palkinto
GFP-rekombinanttigeenit ovat rajusti helpottaneet solubiologisten ilmiöiden
tutkimusta. Merkittävyydessä menetelmää on verrattu jopa mikroskoopin
keksimiseen. GFP-väreillä on tutkittu synapsien syntyä hermosoluissa, aivosolujen
vaurioitumista rappeuttavissa aivosairauksissa, haiman insuliinia tuottavien beta-
solujen toimintaa ja syöpäsolujen leviämistä elimistössä. GFP paljastaa milloin ja
missä jokin geeni alkaa toimia sekä sen, minne geenin koodaamat proteiinit siirtyvät
valmistumisensa jälkeen. GFP-rekombinanttitekniikan kehittäjät (Osamu Shimomura,
Martin Chalfie ja Roger Tsien) saivat työstään kemian Nobel-palkinnon vuonna 2008.
9.2.12. RNA-interferenssi eli RNAi (interfere = puuttua asioiden kulkuun)
On olemassa viruksia, joiden genomi muodostuu kaksijuosteisesta RNA:sta (dsRNA-
virukset). Yksi kuuluisimmista dsRNA-viruksista on mahatautia aiheuttava rotavirus.
Kun virus tunkeutuu isäntäsoluunsa, viruksen proteiinikotelo hajoaa. Sen jälkeen
viruksen oma RNA-polymeraasi alkaa valmistaa kopioita alkuperäisestä
virusgenomista. Genomin perusteella valmistuu lähetti-RNA-molekyylejä.
Isäntäsolun ribosomit alkavat näiden avulla valmistaa virukselle ominaisia
proteiineja.
Evoluution kuluessa kehittyi soluihin jo varhain kyky havaita virusinfektiot juuri
kaksijuosteisten RNA-molekyylien perusteella. Solulimassa olevat Dicer-nimiset
proteiinit tarttuvat dsRNA-molekyyleihin ja katkovat ne 22 nukleotidin mittaisiksi
jaksoiksi. Sen jälkeen RISC-proteiini (=RNA Induced Silencing) hajottaa pilkkeet
yksijuosteiseksi RNA:ksi. RISC rakentuu useammasta pienemmästä proteiinista
modulaarisesti samaan tapaan kuin vaikkapa B-valkosolujen tuottamat vasta-aineet.
RISC-proteiinin kuljettaa mukanaan viruksen yksijuosteisia RNA-jaksoja. Tällöin
sellaiset solussa olevat mRNA-molekyylit, joissa on virus-RNA-jaksolle vastakkainen
emäsjärjestys, pariutuvat sen kanssa ja niiden translaatio proteiineiksi pysähtyy.
Näin virusproteiinien tuotanto loppuu, eikä virus pysty lisääntymään (kuva 72).
2b. Dicer alkaa katkoa
viruksen dsRNA:ta
lyhyemmiksi pilkkeiksi.
1. Viruksen dsRNA-genomi
saapuu soluun.
Dicer
2a. dsRNA:n perusteella
alkaa valmistua viruksen
lähetti-RNA-molekyylejä.
3. RISC halkaisee pilkkeet
yksijuosteisiksi RNA-
molekyyleiksi ja alkaa
kuljettaa niitä mukanaan.
4. RISC tarttuu viruksen lähetti-RNA-
juosteisiin, koska nimenomaan niissä on
RISCiin kiinnittyneelle RNA-juosteelle
vastakkainen emäsjakso.
5. Isäntäsolun ribosomit
eivät voi lukea viruksesta
peräisin olevia lähetti-RNA-
molekyylejä, jolloin viruksen
toiminta estyy.
Virusgenomin tuottamia
lähetti-RNA-molekyylejä
RISC
Kuva 72. RNA-interferenssin toimintaperiaate. Dicer ja
RISC ovat proteiineja, jotka vaimentavat virusgenomin
toiminnan.
RNAi:hin perustuvat hoitomuodot
Kaksijuosteisia RNA-molekyylejä voidaan valmistaa myös tarkoituksellisesti.
Tällaisen RNA-molekyylin mallina voidaan käyttää vaikkapa syöpägeeniksi
mutatoitunutta DNA-jaksoa. Kun kyseinen kaksijuosteinen RNA-molekyyli viedään
potilaan soluihin viruksen mukana, RISC estää kyseisen syöpägeenin
proteiinituotannon. Siksi, vaikka itse syöpägeeni säilyykin solun genomissa, solu
kuitenkin lakkaa toimimasta syöpäsolun tapaan.
RNAi:tä voidaan käyttää myös retrovirusten vaimentamiseen. Esimerkiksi HIV on
retrovirus. Retroviruksien genomi on yksijuosteinen RNA-molekyyli, jonka virus
muuttaa käänteistranskriptaasin avulla kaksijuosteiseksi DNA:ksi. Kaksijuosteinen
DNA asettuu sitten isäntäsolun geenien joukkoon.
Jos valmistetaan kaksijuosteisia RNA-molekyylejä, joissa on virusgenomille
ominaisia 22 nukleotidin mittaisia emäsjärjestyksiä, Dicer ja RISC estävät viruksen
lisääntymisen.
RNAi tuotti löytäjilleen (Andrew Fire ja Craig C. Mello) lääketieteen Nobel-palkinnon
vuonna 2006.

More Related Content

More from Pasi Vilpas

Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergiaImmunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
Pasi Vilpas
 
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
Pasi Vilpas
 
Kuuloaistin neurologiaa
Kuuloaistin neurologiaaKuuloaistin neurologiaa
Kuuloaistin neurologiaa
Pasi Vilpas
 
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteenaYksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
Pasi Vilpas
 
Magmatyyppien erilaistuminen
Magmatyyppien erilaistuminenMagmatyyppien erilaistuminen
Magmatyyppien erilaistuminen
Pasi Vilpas
 
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malliPopulaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
Pasi Vilpas
 
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office CalcMaantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
Pasi Vilpas
 
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office CalcillaDiagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
Pasi Vilpas
 
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntöHardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
Pasi Vilpas
 
Im a joulman
Im a joulmanIm a joulman
Im a joulman
Pasi Vilpas
 
Hermosolun toiminta
Hermosolun toimintaHermosolun toiminta
Hermosolun toiminta
Pasi Vilpas
 
Alkuaineiden biologiset kierrot
Alkuaineiden biologiset kierrotAlkuaineiden biologiset kierrot
Alkuaineiden biologiset kierrot
Pasi Vilpas
 
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritautiHaima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
Pasi Vilpas
 
Hajuaistin neurologiaa
Hajuaistin neurologiaaHajuaistin neurologiaa
Hajuaistin neurologiaa
Pasi Vilpas
 
Makuaistin neurologiaa
Makuaistin neurologiaaMakuaistin neurologiaa
Makuaistin neurologiaa
Pasi Vilpas
 
Solujen välinen viestintä
Solujen välinen viestintäSolujen välinen viestintä
Solujen välinen viestintä
Pasi Vilpas
 
Tulkitse maisemaa
Tulkitse maisemaaTulkitse maisemaa
Tulkitse maisemaa
Pasi Vilpas
 
Lumivyöryt
LumivyörytLumivyöryt
Lumivyöryt
Pasi Vilpas
 
Massaliikunnot
MassaliikunnotMassaliikunnot
Massaliikunnot
Pasi Vilpas
 
Napa-alueiden lämpöpumppu
Napa-alueiden lämpöpumppuNapa-alueiden lämpöpumppu
Napa-alueiden lämpöpumppu
Pasi Vilpas
 

More from Pasi Vilpas (20)

Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergiaImmunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
Immunologian perusteet: valkosolutyyppien yhteistyö, elinsiirrot, allergia
 
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
What Makes School so Resistant to Change. The Wittgensteinian Approach.
 
Kuuloaistin neurologiaa
Kuuloaistin neurologiaaKuuloaistin neurologiaa
Kuuloaistin neurologiaa
 
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteenaYksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
Yksilönkehityksen vaiheet eläinten luokittelun perusteena
 
Magmatyyppien erilaistuminen
Magmatyyppien erilaistuminenMagmatyyppien erilaistuminen
Magmatyyppien erilaistuminen
 
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malliPopulaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
Populaatiodynamiikkaa: logistisen kasvun malli
 
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office CalcMaantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
Maantieteen YO s2017: ilmastodiagrammin tekeminen ja Libre Office Calc
 
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office CalcillaDiagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
Diagrammin piirtotehtävä Libre Office Calcilla
 
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntöHardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
Hardyn ja Weinbergin sääntö eli alleelisuhteiden tasapainosääntö
 
Im a joulman
Im a joulmanIm a joulman
Im a joulman
 
Hermosolun toiminta
Hermosolun toimintaHermosolun toiminta
Hermosolun toiminta
 
Alkuaineiden biologiset kierrot
Alkuaineiden biologiset kierrotAlkuaineiden biologiset kierrot
Alkuaineiden biologiset kierrot
 
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritautiHaima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
Haima, insuliini, glukagoni ja sokeritauti
 
Hajuaistin neurologiaa
Hajuaistin neurologiaaHajuaistin neurologiaa
Hajuaistin neurologiaa
 
Makuaistin neurologiaa
Makuaistin neurologiaaMakuaistin neurologiaa
Makuaistin neurologiaa
 
Solujen välinen viestintä
Solujen välinen viestintäSolujen välinen viestintä
Solujen välinen viestintä
 
Tulkitse maisemaa
Tulkitse maisemaaTulkitse maisemaa
Tulkitse maisemaa
 
Lumivyöryt
LumivyörytLumivyöryt
Lumivyöryt
 
Massaliikunnot
MassaliikunnotMassaliikunnot
Massaliikunnot
 
Napa-alueiden lämpöpumppu
Napa-alueiden lämpöpumppuNapa-alueiden lämpöpumppu
Napa-alueiden lämpöpumppu
 

Geenisirut, GFP, haulikkosekvenssointi, RNAi, qPCR, rtPCR

  • 1. 9.2.9. Geenisirut (= DNA-mikrosirutekniikka, DNA-siru tai DNA-lastu, englanniksi esim. microarray tai DNA-array) Jotta ymmärrät tähän kirjoittamani näkökulmat, sinun täytyy ensin selvittää itsellesi seuraavat aikaisemmin opiskellut asiat: - PCR-menetelmä - Northern blotting eli solukkonäytteen sisältämien kaikkien lähetti-RNA-molekyylien eristäminen poly-A-hännän avulla - käänteistranskriptaasin toimintaperiaate ja käyttö geenitekniikassa - in situ-hybridisaatio ja geenikoettimien toimintaperiaate Geenisirut koostuvat mikroskooppilasille kestävöidyistä tuhansista geenikoettimista, joihin hybridisoidaan tutkimusnäytteen RNA:sta valmistettua komplementaarista DNA:ta (cDNA). Geenisiruja valmistetaan siten, että cDNA-kirjastoista poimitaan esimerkiksi tiettyjen syöpägeenien kloonit. Klooneista valmistetaan geenikoettimet ja ne kestävöidään pipetointirobotilla (»mikrosirukirjoitin») mikroskoopin aluslasille. Kutakin geenikoetinta sijoitetaan aluslasille tietylle kohdalle, selvärajaiseksi täpläksi (kuva oppikirjassa sivulla 44). Yhdelle aluslasille kirjoitetaan tavallisesti 10 000–20 000 erilaista DNA-jaksoa. Tulevaisuudessa siirryttäneen koko genomin (= yksittäisen lajin kaikki geenit) kattaviin noin 50 000 kloonin laseihin. Potilaalta, esimerkiksi syöpäkasvaimesta otetusta näytteestä, eristetään lähetti-RNA- molekyylit, jotka käännetään käänteistranskriptaasin avulla cDNA:ksi. Nämä cDNA- molekyylit leimataan fluoresoivalla eli valoa hohtavalla väriaineella. Kasvaimesta peräisin olevat molekyylit voidaan leimata vaikkapa keltaisiksi. Potilaan leimattua cDNA-näytettä hybridisoidaan (= in situ –hybridisaatio) geenisirulla olevien koettimien kanssa huljuttamalla sirua näytemolekyylejä sisältävässä liuoksessa. Jos näytemolekyyleissä esiintyy geenikoettimiin nähden komplementaarisia emäsjärjestyksiä, nämä kiinnittyvät asianomaista koetinta sisältävän täplän kohdalle. Keltaisten valotäplien sijainti sirulla kertoo, mitkä syöpägeeniversiot näytteen sisältämissä soluissa ovat toiminnassa. Siis sen, mitkä nimenomaiset geenivirheet kyseisen kasvaimen ovat aiheuttaneet. Tarkka tieto kasvaimen genetiikasta auttaa löytämään parhaan mahdollisen lääkityksen. Standardoiduille siruille on olemassa valmiita tietokonepohjaisia lukuohjelmia, jotka antavat tulosyhteenvetoja valmiina taulukkoina. Tulkinta on siis suurelta osin automatisoitua.
  • 2. Geenisirutekniikalla kyetään keräämään aivan uudella tavalla tietoa geenien normaalista ja patologisesta (=tauteihin liittyvästä) toiminnasta pian jopa koko genomin mittakaavassa. Geenisirutekniikan sovellusmahdollisuudet koskettavat lähes kaikkea biologista ja lääketieteellistä tutkimusta, lääkekehitystyötä ja diagnostiikkaa. 9.2.10. Haulikko- eli rinnakkaissekvenssointi eli Chromosome walking (Geeni s. 68) Tässä selostetun menetelmän ymmärtämiseksi sinun tulee etukäteen osata seuraavat asiat: - PCR-menetelmä - restriktioentsyymien toimintaperiaate - in situ-hybridisaatio ja geenikoettimien toimintaperiaate - Sanger-menetelmä - elektroforeesi - mielellään myös genomisten geenikirjastojen tekeminen (kirjassa s.42), mutta näiden tekeminen valkenee ehkä myös alla olevasta - käsite plasmidi - käsite ssDNA Haulikkosekvensoinnin perusidea on, että pitkien DNA-jaksojen, esimerkiksi kokonaisten kromosomien emäsjärjestyksen selvittämisessä joudutaan tyytymään lyhyiden askelten taktiikkaan. Sanger-menetelmä (tässä tiedostossa kohta 9.8.) ei nimittäin sovellu kovinkaan pitkien DNA-jaksojen sekvenssoimiseen. Pitkät DNA-jaksot pilkotaan niin lyhyiksi, että Sanger-menetelmää voidaan käyttää. Syntyvien DNA-pilkkeiden järjestys menee pilkkomisen seurauksena sekaisin. Jos kuitenkin pilkkominen tehdään useammalla eri restriktioentsyymillä, kullakin erikseen, pilkkeiden järjestys voidaan myöhemmin päätellä vertailemalla toisiinsa eri restriktioentsyymeillä pilkottujen DNA-jaksojen emäsjärjestysten päällekkäisyyksiä (Kuva 66). Geneettisen koodin päällekkäisyyksien perusteella sekvenssoinnin hoitavat sitten tietokoneet.
  • 3. 9.2.11. Green Fluorescent Protein eli GFP Alkuperäinen, pilkkoutumaton DNA-molekyyli, jonka emäsjärjestys halutaan selvittää. Molekyyli on liian pitkä kerralla sekvenssoitavaksi. Restriktioentsyymi 1:llä pilkottu DNA Restriktioentsyymi 2:lla pilkottu DNA Restriktioentsyymi 3:lla pilkottu DNA Kuva 66. Haulikkosekvenssoinnin perusperiaate. Alkuperäinen DNA-näyte on liian pitkä kerralla sekvenssoitavaksi. Siksi sitä aluksi monistetaan PCR- menetelmällä. Monistettua DNA:ta jaetaan useaan eri koeputkeen (= värit). Kun kuhunkin putkista laitetaan erilaiselle emäsjärjestykselle herkkää restriktioentsyymiä, DNA pilkkoutuu kussakin koeputkessa eri kohdista. Tuloksena on sekvenssointiin sopivia, lyhyitä DNA-jaksoja, joissa kuitenkin on niin paljon päällekkäisiä emäsjärjestyksiä, että alkuperäisen DNA-näytteen koko emäsjärjestys voidaan lopulta päätellä.
  • 4. Monia solubiologisia ilmiöitä voidaan nykyisin seurata reaaliaikaisesti uusien molekyylitasolle yltävien värjäysmenetelmien avulla. Usein värjäysmenetelmissä hyödynnetään sinivihreää valoa hohtavaa proteiinia, jota eräät meduusat ja kampamaneetit tuottavat. Proteiini tuntee nimen Green Fluorescent Protein (=GFP). GFP:tä koodaava geeni onnistuttiin eristämään. Tutkijat myös tarkoituksellisesti mutatoivat geeniä niin, että geenituotteina saatiin lukuisia erilaisia värimuunnoksia. Nykyisin tuotetaan esimerkiksi punaista, keltaista, vihreätä tai sinistä valoa hohtavia GFP-proteiineja. GFP-geenin eri versioita voidaan yhdistää muiden geenien jatkoksi. Kun ”isäntänä” toimivan geenin promoottoriosa päräyttää RNA-polymeraasin liikkeelle, syntyy lähetti-RNA-molekyylejä, joiden alussa on ”isäntägeenin” koodaaman proteiinin rakenneohje, mutta sen mukana myös GFP-proteiinia koodaava RNA-ketju (Kuva 68). Näin jokainen yhdistelmägeenin perusteella rakennettu proteiini saa kylkeensä näkyvää valoa hohtavan ”lampun”. Proteiinien avaruusrakenne, ja samalla proteiinin toimintatapa, häiriintyy helposti ylimääräisten lisukkeiden vaikutuksesta. Jotta GFP-osa ei häiritsisi ”isäntäproteiinin” toimintaa, liitetään ”isäntägeenin” ja GFP-geenijakson väliin lyhyt ylimääräinen nukleotidiketju. Tarkoitukseen valitaan sellainen emäsjärjestys, jonka vanhastaan tiedetään koodaavan suoraa, siimamaisen muodon saavaa aminohappoketjua. Näin GFP kulkee proteiinin lisukkeena, mutta turvallisen etäisyyden päässä, vähän niin kuin ilmapallo narussaan. Tämä välike ”isäntäproteiinia” ja GFP-osaa koodaavan geenijakson välillä on suomeksi linkkeri eli yhdistäjä (Kuva 68). Virallisesti sen nimi englanniksi on ”flexible polypeptide linker region” (flexible = taipuisa, polypeptide = lyhyt aminohappoketju, linker = yhdistäjä, region = alue).
  • 5. Itsevalaisevia reseptoreita Esimerkiksi valkosoluihin kuuluvat dendrosyytit ja T-solut telakoituvat kiinni toisiinsa silloin, kun dendrosyytit esittelevät T-soluille vierasantigeenejä. Telakoituminen tapahtuu solukelmulla olevien reseptoriproteiinien avulla. Dendrosyytin pinnalla on MHC-reseptoreita ja B7-apureseptoreita. T-solun pinnalla on CD28-apureseptoreita sekä vierasantigeenien tunnistamiseen erikoistuneita T- solureseptoreita (kuva 69). Kuva 68. GFP-yhdistelmägeeni. ”Isäntägeenin” promoottoriosan (musta) ja rakenneosan (vihreä) jatkoksi on liitetty linkkeriosa (punainen) ja GFP-osa (sininen). RNA-polymeraasi kopioi promoottorin perässä olevan DNA-jakson yhdeksi pitkäksi mRNA-molekyyliksi. ”Isäntägeenin” promoottoriosa GFP-osa ”Isäntägeenin” rakenneosa Linkkeriosa GFP-yhdistelmägeeni
  • 6. Esittelyn alkaessa solut asettavat solukelmunsa vastakkain, ne ikään kuin antavat toisilleen muiskauksen. Paikkaan, missä solukelmut koskettavat toisiaan, kertyy tuolloin runsaasti kummankin solutyypin apureseptoreita B7 ja CD28. Apureseptoreillaan solut ”paiskaavat kättä” telakoituen kiinni toisiinsa. Kun telakoituminen on tapahtunut, apureseptorit alkavat siirtyä ”muiskauskohdan” reunamille. Nyt ”muiskauksen” keskiosaan alkaa vuorostaan kerääntyä MHC- ja T- solureseptoreita. Kun ne nyt kohtaavat toisensa, on vuorossa varsinainen antigeenien esittely. Tätäkin siis tapahtuu laajalla alueella dendrosyytin ja T-solun solukelmulla lukuisien MHC- / T-solureseptoriparien kesken (kuva 70). Jos yhdistelmä-DNA-tekniikalla (kuva 68) liitetään esimerkiksi Dendrosyytin B7- reseptoreihin punainen GFP-proteiini ja MHC-reseptoreihin vihreä, voidaan reseptorien sijaintia ja liikehdintää solukelmulla seurata värien leikkinä reaaliaikaisesti valomikroskoopilla (kuva 70). Kuva 69. Dendrosyytti ja T-solu telakoituvat toisiinsa solukelmulla olevien reseptorien avulla. Ensin yhtyvät toisiinsa B7- ja CD28-, vasta tämän jälkeen MHC- ja T- solureseptorit. T-solu Dendro- syytti MHC T-solu- reseptori B7 CD28
  • 7. Itsevalaisevia transkriptiofaktoreita Samanlaisella yhdistelmä-DNA-tekniikalla voidaan tuottaa valoa hohtavia transkriptiofaktoreita. Jos tutkimuksen kohteena ovat vaikkapa alkionkehitystä ohjaavat transkriptiofaktorit, valon syttyminen solulimassa paljastaa, missä alkionkehityksen vaiheessa solut kyseisiä TF:iä tuottavat. Kun valotäplät siirtyvät solulimasta tumaan, on se merkki transkriptiofaktoreiden aktivoitumisesta ja siitä, että ne kiinnittyvät omien kohdegeeniensä säätelyosiin. Tilaa luovuudelle! a) GFP-geenikoettimia GFP:n rakennetta koodaavassa geenissä on kaksi peräkkäin sijaitsevaa osaa. Toinen osa koodaa aminohappoketjua, joka muodostaa lampunvarjostinta muistuttavan lieriömäisen rakenteen. Toinen osa koodaa pienempää sauvamaista Lopputilanne: B7- apureseptorit laidoilla (vihreä), MHC-reseptorit keskellä (punainen). Lähtötilanne: B7- apureseptorit keskellä (vihreä), MHC-reseptorit laidoilla (punainen). Kuva 70. B7- ja MHC-reseptorien liikkuminen dendrosyytin solukelmulla (vertaa kuvaan 69). Kuvassa on se alue solukelmusta, jonka kohdalta dendrosyytti telakoituu T-solun kanssa. Välivaihe: B7- ja MHC-reseptorit vaihtavat paikkaa.
  • 8. rakennetta, jota kutsutaan kromoforiksi. Valmiissa GFP:ssä kromoforiosa työntyy ”varjostinosan” sisään. GFP tuottaa luminenssia (valoa) vain, kun mainitut osat ovat sisäkkäin (Kuvan 71 yläosa). Eräs tutkijaryhmä sai ajatuksen katkaista GFP-geeni kahtia juuri ”varjostin-” ja kromoforiosan välistä. Näin voitiin valmistaa kahdenlaisia GFP-geenejä: sellaisia, joissa oli pelkän ”varjostimen” rakenneohje sekä sellaisia, joissa oli pelkän kromoforin rakenneohje. Näitä kumpaakin geeniä sitten kloonattiin (=monistettiin) erikseen. Kun geenit istutettiin bakteereihin, kumpaakin osaproteiinia voitiin tuottaa suuria määriä (Kuvan 71 keskiosa). Kun epäsymmetrisellä PCR-menetelmällä monistetaan jotakin DNA-juostetta, voidaan PCR pysäyttää yksijuosteiseen vaiheeseen ja kemiallisesti kiinnittää jokaisen juosteen 5´-päähän GFP:n varjostinproteiini. Kiinnittämisessä yleisimmin käytetty kemiallinen ”välike” on eräs B-ryhmän vitamiini biotiini (englanniksi välikkeen lisääminen onkin nimeltään biotinylation). Näin saadaan ”GFP-hatutettuja” geenikoettimia, joita voidaan kestävöidä geenisiruihin. Jos halutaan selvittää, täsmääkö jonkin DNA-näytteen emäsjärjestys edellä mainittuihin geenikoettimiin, voidaan näytejuosteiden 3´-päät puolestaan leimata GFP:n kromoforiosilla. Jos emäsjärjestykset täsmäävät, näytejuosteet pariutuvat geenisirulla olevien koettimien kanssa. Tällöin DNA-juosteiden 3´ja 5´-päät asettuvat sirulla kohdakkain, kromoforit löytävät ”varjostimensa” ja GFP:t alkavat tuottaa valoa, näppärää (kuvan 71 alaosa)!
  • 9. ”Varjostinosa” KromoforiosaGFP GFP-geeni 3´ 5´ 5´ 3´ 3´ 5´5´ 3´ Kuva 71. GFP:n geeni koodaa kromoforiosaa ja ”varjostinosaa”. Geeni voidaan katkaista, jolloin saadaan erillinen geeni kummallekin osalle. Geenejä voidaan kloonata (=monistaa) ja tuottaa niiden avulla asianomaisia proteiineja. Proteiineilla voidaan leimata esimerkiksi DNA:n yksöisjuosteita. Kun juosteet pariutuvat, GFP alkaa tuottaa valoa. ”Varjostin”geeni Kromoforigeeni Leimataan mikrosirulla olevien geenikoettimien ja tutkittavassa näytteessä olevien DNA-juosteiden vastakkaiset päät GFP:n eri osilla. Luminesenssi Tutkittava DNA-näyte Mikrosirulla oleva geenikoetin
  • 10. b) GFP-transkriptiofaktoreita Monet transkriptiofaktorit ovat dimeerejä. Tämä tarkoittaa sitä, että ne kiinnittyvät geenien säätelyosiin aina parina, vähän niin kuin vasemman- ja oikeankäden hansikas, kun pannaan kädet ristiin. Jos nyt valmistetaan GFP-yhdistelmägeenejä, jotka koodaavat tällaisia transkriptiofaktoreita, voidaan vasemmanpuoleista osaa koodaavan geenin jatkoksi liittää pelkän ”varjostinosan” rakenneohje ja oikeanpuoleista osaa koodaavan geenin jatkoksi pelkän kromoforiosan rakenneohje. Kun nämä geenit toimivat, syntyy kahdenlaisia GFP-transkriptiofaktoreita: osassa on mukana ”varjostin-” ja osassa kromoforiosa. Kyseiset transkriptiofaktorit sytyttävät ja sammuttavat valonsa sitä mukaa, kuin ne aktivoituvat eli kiinnittyvät pareina kohdegeeniensä säätelyosiin tai irtautuvat niistä. GFP ja reaaliaikainen PCR (= real time PCR / rtPCR = quantitative PCR / qPCR) Valon tuottoa hyödynnetään usein myös menetelmässä nimeltä reaaliaikainen PCR (= real time PCR / rtPCR = quantitative PCR / qPCR). Tähän liittyvä kuva on BIOS5-kirjan sivulla 81, mutta siitä puuttuu pari olennaista asiaa. 1) Kirjan kuvassa näkyvän geenikoettimen toisessa päässä on fotoneja emittoiva ja vastakkaisessa päässä absorboiva pigmenttimolekyyli. Kun nämä ovat lähellä toisiaan samassa geenikoettimessa, absorptio on yhtä suurta kuin emissio eikä valosignaalia synny. 2) Menetelmässä käytetään DNA-polymeraasin muotoa, jota tutkijat ovat "tuunanneet" kiinnittämällä siihen nukleaasiosan. Nukleaasi irrottaa ja katkaisee kohtaamansa geenikoettimet aina, kun polymeraasi viilettää DNA-juostetta pitkin (geenikoettimen katkeamista ei näy kirjan kuvassa). Silloin emittoiva ja absorboiva molekyyli irtautuvat toisistaan ja fotonit pääsevät emittoitumaan vapaasti valona. Samaan tapaan voidaan käyttää myös GFP-proteiinin kromofori- ja varjostinosaa. Kun kromofori- ja varjostinosa ovat geenikoettimen vastakkaisissa päissä, ei GFP tuota valoa. Kun geenikoettimet katkeavat ja niiden pilkkoutuneet osat vapautuvat liuokseen, myös GFP:n kromofori- ja varjostinosa pääsevät yhdistymään loistaen GFP:lle ominaista valoa. Jos koettimessa on esim. perinnölliselle sairaudelle, syöpäsairauksille tai eri mikrobeille ominainen emässekvenssi, valon syttyminen paljastaa, että monistetussa
  • 11. näytteessä esiintyy tämä sekvenssi. Tieto sekvenssin olemassaolosta saadaan ilman, että tarvitsee tehdä työlästä ja aikaa vievää elektroforeesiajoa. Jos taas kyseistä emässekvenssiä ei ole, eivät koettimet löydä niille komplementaarista kiinnittymispaikkaa. Ne jäävät vapaiksi PCR-liuokseen, pysyvät ehjinä eikä valoa tuottavia tapahtumia esiinny. Näin sairauksien diagnostiikkaa voidaan sekä tarkentaa, automatisoida että nopeuttaa. GFP:stä Nobel-palkinto GFP-rekombinanttigeenit ovat rajusti helpottaneet solubiologisten ilmiöiden tutkimusta. Merkittävyydessä menetelmää on verrattu jopa mikroskoopin keksimiseen. GFP-väreillä on tutkittu synapsien syntyä hermosoluissa, aivosolujen vaurioitumista rappeuttavissa aivosairauksissa, haiman insuliinia tuottavien beta- solujen toimintaa ja syöpäsolujen leviämistä elimistössä. GFP paljastaa milloin ja missä jokin geeni alkaa toimia sekä sen, minne geenin koodaamat proteiinit siirtyvät valmistumisensa jälkeen. GFP-rekombinanttitekniikan kehittäjät (Osamu Shimomura, Martin Chalfie ja Roger Tsien) saivat työstään kemian Nobel-palkinnon vuonna 2008. 9.2.12. RNA-interferenssi eli RNAi (interfere = puuttua asioiden kulkuun) On olemassa viruksia, joiden genomi muodostuu kaksijuosteisesta RNA:sta (dsRNA- virukset). Yksi kuuluisimmista dsRNA-viruksista on mahatautia aiheuttava rotavirus. Kun virus tunkeutuu isäntäsoluunsa, viruksen proteiinikotelo hajoaa. Sen jälkeen viruksen oma RNA-polymeraasi alkaa valmistaa kopioita alkuperäisestä virusgenomista. Genomin perusteella valmistuu lähetti-RNA-molekyylejä. Isäntäsolun ribosomit alkavat näiden avulla valmistaa virukselle ominaisia proteiineja. Evoluution kuluessa kehittyi soluihin jo varhain kyky havaita virusinfektiot juuri kaksijuosteisten RNA-molekyylien perusteella. Solulimassa olevat Dicer-nimiset proteiinit tarttuvat dsRNA-molekyyleihin ja katkovat ne 22 nukleotidin mittaisiksi jaksoiksi. Sen jälkeen RISC-proteiini (=RNA Induced Silencing) hajottaa pilkkeet yksijuosteiseksi RNA:ksi. RISC rakentuu useammasta pienemmästä proteiinista modulaarisesti samaan tapaan kuin vaikkapa B-valkosolujen tuottamat vasta-aineet. RISC-proteiinin kuljettaa mukanaan viruksen yksijuosteisia RNA-jaksoja. Tällöin sellaiset solussa olevat mRNA-molekyylit, joissa on virus-RNA-jaksolle vastakkainen emäsjärjestys, pariutuvat sen kanssa ja niiden translaatio proteiineiksi pysähtyy. Näin virusproteiinien tuotanto loppuu, eikä virus pysty lisääntymään (kuva 72).
  • 12. 2b. Dicer alkaa katkoa viruksen dsRNA:ta lyhyemmiksi pilkkeiksi. 1. Viruksen dsRNA-genomi saapuu soluun. Dicer 2a. dsRNA:n perusteella alkaa valmistua viruksen lähetti-RNA-molekyylejä. 3. RISC halkaisee pilkkeet yksijuosteisiksi RNA- molekyyleiksi ja alkaa kuljettaa niitä mukanaan. 4. RISC tarttuu viruksen lähetti-RNA- juosteisiin, koska nimenomaan niissä on RISCiin kiinnittyneelle RNA-juosteelle vastakkainen emäsjakso. 5. Isäntäsolun ribosomit eivät voi lukea viruksesta peräisin olevia lähetti-RNA- molekyylejä, jolloin viruksen toiminta estyy. Virusgenomin tuottamia lähetti-RNA-molekyylejä RISC Kuva 72. RNA-interferenssin toimintaperiaate. Dicer ja RISC ovat proteiineja, jotka vaimentavat virusgenomin toiminnan.
  • 13. RNAi:hin perustuvat hoitomuodot Kaksijuosteisia RNA-molekyylejä voidaan valmistaa myös tarkoituksellisesti. Tällaisen RNA-molekyylin mallina voidaan käyttää vaikkapa syöpägeeniksi mutatoitunutta DNA-jaksoa. Kun kyseinen kaksijuosteinen RNA-molekyyli viedään potilaan soluihin viruksen mukana, RISC estää kyseisen syöpägeenin proteiinituotannon. Siksi, vaikka itse syöpägeeni säilyykin solun genomissa, solu kuitenkin lakkaa toimimasta syöpäsolun tapaan. RNAi:tä voidaan käyttää myös retrovirusten vaimentamiseen. Esimerkiksi HIV on retrovirus. Retroviruksien genomi on yksijuosteinen RNA-molekyyli, jonka virus muuttaa käänteistranskriptaasin avulla kaksijuosteiseksi DNA:ksi. Kaksijuosteinen DNA asettuu sitten isäntäsolun geenien joukkoon. Jos valmistetaan kaksijuosteisia RNA-molekyylejä, joissa on virusgenomille ominaisia 22 nukleotidin mittaisia emäsjärjestyksiä, Dicer ja RISC estävät viruksen lisääntymisen. RNAi tuotti löytäjilleen (Andrew Fire ja Craig C. Mello) lääketieteen Nobel-palkinnon vuonna 2006.