Viime viikolla järjestettiin vuosittainen BMTK:n kandintöiden popularisointitilaisuus, jossa ~3. vuoden biokemian opiskelijat esittelevät kanditaatin kirjallisuustutkielman pohjalta tekemiään postereita, esityksiä, blogikirjoituksia jne. Popularisointitilaisuus on kaikille avoin ja mieleisintään popularisointia voi äänestää (äänestykseen osallistujien kesken arvotaan leffalippuja!). Viime vuonna omaa kandintyötään esitteli täällä Toni, tänä vuonna vuoronsa saa Lauri.
Diabetes – maailmanlaajuinen ja elinikäinen
sairaus
Diabetes,
tuon sanan tuntevat nykyisin niin monet ja moni tulee vielä sen tuntemaan
tavalla tai toisella. Kyseistä tautia sairasti maailmassa noin 380 miljoonaa
ihmistä vuonna 2015 ja sairaiden määrä vain jatkaa kasvuaan. Kasvu ei myöskään
näytä hidastuvan vaan jopa kasvavan. Syynä valtavaan kasvuun on liikalihavuus,
joka altistaa tyypin 2 diabetekselle. (Ilanne-Parikka et al. 2015).
Diabetes
(latinaksi Diabetes mellitus) on sokeriaineenvaihdunnan häiriö ja sitä on
lukuisia erilaisia tyyppejä, mutta sen päätyyppejä ovat tyypin 1 ja 2 diabetes.
Tyypin 1 diabetes (nuoruustyypin diabetes) on immunologisista mekanismeista ja
tyypin 2 (aikuistyypin diabetes) diabetes on elintavoista aiheutuva sairaus. Tyypin
1 diabeteksessa haiman Langerhansin saarekkeiden beetasolujen vahingoituttua
autoimmuunitulehduksessa insuliinin tuotanto loppuu vaihtelevalla nopeudella. Tyypin
2 diabeteksessa insuliinin vaikutus kudoksissa on heikentynyt erinäisistä
syistä, kuten liikalihavuudesta. Insuliinihormoni säätelee veren
glukoosipitoisuutta eli verensokeria alentavasti ja estää sen isot nousut,
jotka voivat olla hengenvaarallisia (Ilanne-Parikka et al. 2015). Tässä blogikirjoituksessa keskityn enemmän tyypin 1
diabetekseen, koska se on eri diabetestyypeistä kaikkein vaativin ja hankalin.
En myöskään ala syvemmin pohtimaan tyypin 1 diabeteksen aiheuttavaa tekijää,
koska siihen on epäilty niin monen eri tekijän yhteisvaikutusta. Haluaisin
kuitenkin nostaa esille erään suomalaistutkijan väitöksen vuodelta 2015, joka
toi lisätodisteita sille, että enterovirus aiheuttaa tyypin 1 diabetesta
(Oikarinen 2015).
Tällä
hetkellä tyypin 1 diabetes on elinikäinen sairaus eli siihen ei ole vielä
löydetty parannus- tai ehkäisykeinoa. Ainoastaan tyypin 1 diabeteksen (ja sen
lievempien muotojen) oireita voidaan hoitaa erilaisilla hoitomenetelmillä. Jo
olemassa olevia hoitomenetelmiä on kehitetty esimerkiksi pienentämällä hoitolaitteen
kokoa, mutta myös uudenlaisia hoitomenetelmiä sekä diabeteksen ehkäisyä
tutkitaan ja kehitellään. Asiaan saattaa kuitenkin tulla muutos jopa
lähitulevaisuudessa. Mahdollisia diabeteksen parannuskeinoja saattaisivat olla
joko geeniterapeuttiset menetelmät, kuten CRISPR/Cas9-menetelmä, ja
kantasoluhoidot tai jonkinlainen niiden yhdistelmä.
Diabeteksen ennaltaehkäisy CRISPR/Cas9-menetelmällä
Bakteereilta
mimikoidussa CRISPR/Cas9-menetelmässä hyödynnetään lyhyitä toistojaksoryppäitä
(Clustered regularly-interspaced short
palindromic repeat, CRISPR) ja niihin liittyvää Cas9-nimistä endonukleaasia
(CRISPR-associated protein 9, Cas9).
CRISPR/Cas9-menetelmällä voidaan muokata geneettisesti kohdesoluja poistamalla
niistä lyhyitä tai isoja DNA-pätkiä tai lisäämällä niitä, uudelleen järjestellä
geenejä, aktivoida geenejä tai tehdä muita modifikaatioita, kuten muokata
kromatiineja tai DNA:ta (kuva 1) (Sander & Joung 2014). Tätä voitaisiin
hyödyntää siten diabeteksen hoidossa, että muokattaisiin geneettisesti hematopoeettisia
kantasoluja, joista muodostuu T-soluja. Geneettisellä muokkauksella
pyrittäisiin ehkäisemään T-solujen hyökkäämistä Langerhansin saarekkeiden
beetasolujen kimppuun. Tällä hetkellä ei kuitenkaan vielä tiedetä, että mitä
geenejä tulisi lisätä tai poistaa T-soluista, jotta ne eivät hyökkäisi omia
kudoksiaan vastaan (Schumann et al.
2015). Siitä huolimatta CRISPR/Cas9-menetelmä tarjoaa työkalut T-solujen geneettiseen
muokkaukseen.
Kuva 1. CRISPR/Cas9-menetelmän
toiminta (a) luonnossa ja (b) laboratoriossa. (c) Esimerkkisekvenssejä
crRNA-tracrRNA –hybridistä ja gRNA:sta (muokattu kuva, Sander & Joung, 2014). Transaktivoivan
crRNA:n (Trans-activating crRNA,
tracrRNA) välillä on vaihtelevia sekvenssejä, joita kutsutaan
”protovälikkeiksi” (Protospacer).
Protovälikkeet sisältävät virus-DNA:ta, joka on peräisin Cas-proteiineille
tapahtuvasta hajotuksesta eli. ”Kypsä” crRNA
(CRISPR RNA, crRNA) muodostaa
tracrRNA:n kanssa opas-RNA:n (Guide RNA,
gRNA), joka ohjaa Cas9-nukleaasin spesifiseen kohtaan. Cas9 katkoo
tunnistamansa komplementaarisen kaksijuosteisen DNA-ketjun ja korvaa katkomansa
DNA-pätkän uudella. Toisenlaiset Cas9-nukleaasit voivat katkoa
ei-komplementaarisen juosteen. Cas9:n spesifinen kiinnityskohta on
komplementaarinen gRNA:n sekvenssin kanssa (Jinek et al. 2012, Sander &
Joung 2014).
Diabeteksen
vaurioiden korjaaminen kantasoluhoidoilla
Kantasoluhoidossa
hyödynnetään kantasolujen jakautumista ja erilaistumista spesifisiksi soluiksi.
Kantasolun jakautuessa muodostuu kaksi tytärsolua, joista toinen on erilaistuva
tytärsolu ja toinen on kantasolu (Tirri et
al. 2006). Transdifferentiaation eli aikuisen eliön multipotenttien solujen
muuttaminen pluripotenteiksi tai jopa totipotenteiksi soluiksi erilaisten
transkriptiotekijöiden (kuva 2) avulla saadaan tehtyä ei-kantasoluista
spesifisiä soluja, kuten maksasoluista (Ham et
al. 2013) beetasoluja.
Kuva 2. (muokattu kuva, Jopling & Belmonte 2011).
Kantasoluhoidoissa
luodaan kokonaan uudet insuliinia tuottavat beetasolut kantasoluista tai muista
soluista transdifferentiaation avulla. On myös esitetty, että beetasolujen tuhoutuminen
voidaan estää ohjaamalla säätelijä-T-soluja istukkaverestä saatavilla
multipotenteilla soluilla (Zhao et al.
2012, Han & Craig 2013, Chhabra & Brayman 2013). Vaikka kantasoluhoito
näyttää lupaavalta, niin vielä on ongelmia, jotka hidastavat sen käyttöönottoa.
Kantasoluhoidon huonoja puolia ovat muun muassa ei-tarpeellisten solutyyppien
tai teratooman muodostuminen (Gunawardana 2014).
Molempien yhdistelmä mahdollinen
parannuskeino?
Lupaavuudestaan
huolimatta molemmat menetelmät vaativat vielä paljon kehittelyä ja moni kysymys
on vielä avoin. Voiko esimerkiksi beetasolujen tuhoutuminen vain uusiutua
vaikka uudet beetasolut pystyttäisiin luomaan tilalle? Uuden luominen tässä
tapauksessa edellyttäisi, että tyypin 1 diabeteksen aiheuttaja on poistettu tai
tehty vaarattomaksi. Tyypin 1 diabetesta ei ole kuitenkaan voitu linkittää
yhteen ja ainoaan tekijään. Muokkaamalla T-soluja voimme jopa aiheuttaa tyypin
1 diabetesta vakavampia sairauksia. Ajatusleikkinä kuitenkin asia on kiehtova. Ensiksi
voisimme muokata T-soluja siten, että ne eivät hyökkäisi enää omien kudosten
kimppuun ja sitten loisimme uudet beetasolut vaurioituneiden tai tuhoutuneiden
tilalle. Ajatusleikit sikseen ja realismia kehiin, biokemiassa asiat eivät ole
niin yksinkertaisia kuin toivoisimme niiden olevan. Saatamme kokea
vallankumouksen diabeteksen hoidossa lähitulevaisuudessa, mutta milloin ja
minkälaisen – sitä emme voi vielä tietää.
~Lauri~
Kirjallisuusviitteet
Chen YY (2015). Efficient Gene
Editing in Primary Human T Cells. Trends in Immunology, 36 (11): 667–669
pp.
Chhabra P
& Brayman KL (2013). Stem cell therapy to cure type 1 diabetes: from hype
to hope. Stem Cells Translational
Medicine, 2: 328–336
pp.
Gunawardana
SC (2014). Benefits of healthy adipose tissue in the treatment of diabetes. World Journal of Diabetes, 5 (4):
420–430 pp.
Han MX
& Craig ME (2013). Research using autologous cord blood - time for a policy
change. Medical Journal of Australia,
199: 288–299
pp.
Ham DS,
Shin J, Kim JW, Park HS, Cho JH & Yoon KH (2013). Generation of functional
insulin-producing cells from neonatal porcine liver-derived cells by PDX1/VP16,
BETA2/NeuroD and MafA. Public Library of
Science One, 8: e79076.
Ilanne-Parikka P, Rönnemaa T, Saha MT & Sane T
(2015). Diabetes. Kustannus Oy Duodecim,
Suomi: Helsinki. 8. uudistettu painos.
Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA &
Charpentier E (2012). A programmable dual-RNA-guided
DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337 (6096): 816–821 pp.
Jopling
C, Stephanie Boue & Belmonte JCI (2011). Dedifferentiation,
transdifferentiation and reprogramming: three routes to regeneration. Nature Reviews Molecular Cell Biology,
12, 79–89 pp.
Oikarinen
M (2015). Detection of Enteroviruses in Tissue Samples - Methods and
applications in type 1 diabetes. Väitöskirja (väitöspäivä 10.6.2015), Tampereen yliopisto,
Acta Electronica Universitatis
Tamperensis.
Sander JF & Joung JK (2014). CRISPR-Cas
systems for editing, regulating and targeting genomes. Nature Biotechnology, 32: 347–355 pp.
Schumann
K, Lin S, Boyer E, Simeonov DR, Subramaniam M, Gate RE, Haliburton GE, Ye CJ,
Bluestone JA, Doudna JA & Marson A (2015). Generation of knock-in primary
human T cells using Cas9 ribonucleproteins. Proceedings
of the National Academy of Sciences, 1512503112v1–201512503.
Tirri R, Lehtonen J, Lemmetyinen R, Pihakaski S &
Portin P (2006). Biologian sanakirja. Uudistetun laitoksen 3. painos. Otava,
307 pp.
Zhao Y, Jiang Z, Zhao T, Ye M, Hu C, Yin Z, Li H, Zhang
Y, Diao Y & Li Y (2012). Reversal of type 1 diabetes via
islet β cell regeneration following immune modulation by cord blood-derived
multipotent stem cells. BioMed Central Medicine, 10: 3, doi: 10.1186/1741-7015-10-3.