Üksikute geenide jahtimine annab meile organismi toimimisest ja haiguste arenemisest vaid väga lünkliku pildi. Selle asemel tuleb vaadelda organismis geenide ja valkude tasandil toimivaid võrgustikke, rõhutab Tartu Ülikooli patoloogilise anatoomia professor Johan Björkegren. Uuest bioloogiast vestles temaga teadusajakirjanik Arko Olesk.
Avaldasite ajakirjas Science Translational Medicine äsja ülevaateartikli, kus räägite uuest bioloogiast. Mis on viga praegusel bioloogial?
Kasutame sõna new kahes tähenduses (inglise keeles «uus», aga on ka lühend fraasist network-enabled wisdom ehk võrgustike võimaldatud teadmine – toim). Soovime viidata sellele, et seni pole teadlastel olnud võimalik uurida suurt rohkemat kui üksikut geeni või valku ja püüda mõista kindla valgu rolli kindlas [biokeemilises] rajas.
Me ei ütle, et sel oleks midagi häda, kuid meil ei olnud vahendeid millegi rohkema tegemiseks. Kui vaadata kõikjal maailmas bioloogia või meditsiini valdkonna professoreid, siis on nad professoriks saanud põhjusel, et on eksperdid kindla raja, mõnikord isegi kindla geeni alal.
On pandud suuri lootusi sellele, mis juhtub, kui saame teada inimese kogu genoomi. See sarnaneb mõnes mõttes raamatukogusse sisseastumisega. Raamatukogu kõigi selles olevate raamatute ja teabega on imetlusväärne, aga kui sa ei tea, mida otsida, eksled sihitult.
See kirjeldab pisut seda, mis juhtus aastatuhande vahetusel, kui me astusime sellesse raamatukokku ja nägime seda kogu suuruses. Esimesed kümme aastat on ilmselt olnud üpris suur pettumus, nüüd hakkame aru saama, et genoom on väga keerukas. Selleks et mõista genoomi, peame aru saama, mis on genoomis aktiveeritud.
Uue bioloogiaga saame jälgida geenide aktiivsust, mõista, et eri rakutüüpides ja ka eri füsioloogiliste ja patoloogiliste tingimuste korral kasutatakse raamatukogust eri riiuleid. Sõltuvalt sellest, millist riiulit kindlas rakus, näiteks maksarakus, kasutatakse, saame mõista, millised DNA variandid on selle olukorra jaoks olulised. Uus bioloogia tugineb asjaolule, et meie kasutuses on uued vahendid, mis on mitmes mõttes nõudlikud.
Millised?
Peale kogugenoomi uuringute on vaja olnud ka viisi, kuidas kogu seda tohutut infohulka hallata, sest tekitamisele lisaks peame andmeid ka analüüsima. Siin on [artikli kaasautor, Mount Sinai meditsiinikõrgkooli professor] Eric Schadt olnud teedrajav võimaluste arendamisel inimgenoomi andmete analüüsiks, et selliseid võrgustikke leida.
Uue bioloogia kasutuselevõtuks on määravad olnud kolm arengut: arvutite ja interneti areng andmete salvestamiseks ja töötlemiseks, uute genoomi järjestamise tehnoloogiate areng ja ka algoritmide areng, millega seda tüüpi andmetest võrgustikke tuletada.
Kuidas neid aktiivsete geenide või valkude võrgustikke kirjeldada?
Kui vaadata transpordivõrgustikke, siis seal me ei ürita viia kaupa ühest väikelinnast otse teise, vaid kasutame sõlmjaamu. Tõeliselt suuri sõlmjaamu ei ole väga palju, kui vaadata näiteks lennujaamu. Ka sotsiaalsete võrgustike näitel ei ole enamikul inimestel rohkem suhtlust kui oma pere ja ehk mõnede sõpradega. Samas on olemas inimesi, kes on väga heade sidemetega ja kellega meil ei pruugi otsesidet olla, kuid me tunneme kedagi, kes tunneb neid.
Sõlmpunktide süsteem näib olevat tõhus viis info või energia või ükskõik mille transportimiseks. Võrgustikud on tähtsad seetõttu, et näitavad meile, kus on need sõlmpunktid, kesksed reguleerijad, mille tähtsust teame transpordi- ja sotsiaalsete võrgustike näitel. Usume, et molekulaarsetes võrgustikes on need sõlmpunktid samavõrd tähtsad.
Üllataval kombel on paljud geenid, mida seni tuvastatud võrgustikes oleme näinud, uued. Näiteks rasvhapete metabolismi võrgustikus leidsime, et paljud geenid, mida teati olevat seotud rasvhapete metabolismiga, ei ole sõlmpunktid. Peale ühe või kahe erandi ei olnud sõlmpunktideks osutunud geene seni üldse seostatud rasvhapete metabolismiga. Miks?
Paljud juba tuntud geenid näivad olevad sellised, mida me nimetame täidesaatvateks geenideks (effector genes). Neil on bioloogias kindel roll, nad võivad kodeerida näiteks retseptoreid, ensüüme või signaalmolekule. Oleme aga täheldanud, et meie leitud uued geenid ei kuulu nendesse radadesse, mis on varem leitud. Nende roll pole täidesaatev, vaid reguleeriv.
Neid polnud avastatud, sest nad ei ole otseselt seotud rasvhapete tootmise või lagundamisega, nad on hoopis [teiste geenide] regulaatorid.
Artiklist jääb mulje, et praegu levinud kogugenoomi assotsiatsiooniuuringud, mis toovad pidevalt uudiseid ühe või teise asjaga seotud geenide leidmisest, on pigem tühja tuule tagaajamine, kui püüame mõista inimese füsioloogia omadusi või keerukate põhjustega haigusi. Kuidas toob võrgustikumudel meid nende haiguste tegelike põhjuste mõistmisele lähemale?
See pole päris tühja tuule tagaajamine, kuid me kritiseerime seda, kuidas neid andmeid on seni analüüsitud. Need otsivad kõige olulisemaid geenivariante kindla haiguse puhul. Ma ei väida, et need geenid pole õiged, ka mitte seda, et need pole tähtsad, kuid sedalaadi analüüsid on välja toonud ainult väga väikese osa kõigist riskistsenaariumitest.
Uuringud on üles ehitatud nii, et need ei juhi tähelepanu neile DNA variantidele, mis on selle haiguse puhul kindlates oludes olulised. Kogugenoomi assotsiatsiooniuuringutega avastatud geenid on täiesti sõltumatud keskkonnast. Nende mõju haigusele on väike, võrreldav sellega, kui keerate plaadilt muusikat kuulates heli vaiksemaks või valjemaks.
Võib-olla on neil süsteemne tähtsus, kuid me ei usu, et need on head sihtmärgid uute ravimite leidmiseks, sest need variandid avaldavad haigusele tõenäoliselt mõju ainult pikas perspektiivis. Nad peaks hakkama haigusriski mõjutama sünnihetkest, suurendama riski tasapisi kogu elu vältel ja siis, kui oled eakas, avaldama mingit mõju näiteks südame-veresoonkonnahaigustele.
Millest meie räägime ja mida on näidatud ka II tüübi suhkurtõve puhul, on see, et kõige olulisemad päritud DNA riskitegurid jäävad kogugenoomi assotsiatsiooniuuringutes andmetesse peitu.
Kui vaadata normaalkaalus inimesi, siis nende jaoks ei ole riskiga seonduv geenivariant probleem, sest see ei mõjuta haigestumisriski. Kui vaadata aga sama variandiga inimesi, kes on ülekaalus ehk kehamassiindeksiga üle 26, siis on näha, et need variandid toovad kaasa riski haigestuda.
Ehk teatud keskkonnategurid mõjutavad kindlat geeni, mis seejärel rikub võrgustiku tasakaalu, tekitades nii haiguse?
Täpselt. Traditsiooniline viis on leidnud ainult variante, mis häirivad võrgustikku pidevalt, kuid võrgustikel põhineva lähenemisega suudame leida need, mis vajavad teatud keskkonnasurvet. Selleks võib olla vananemine, suitsetamine, ülekaal või midagi muud, millega te end mõjutate.
Eristame makrokeskkonda, milleks on just suitsetamine, ülekaal ja muud seesugused asjad ning mis omakorda mõjutavad järgmise sammuna mikrokeskkondi ehk olusid kindlates kudedes. See mõjutab tervet hulka teisi tegureid ja ühtäkki muutub geenivariant, mis seni oli olnud vaikivas olekus, aktiivseks ning hakkab haiguse tekkesse panustama. Nende leidmiseks tuleb vaadata võrgustikke, mitte üksikuid geene.
Genoomiandmebaasid on suur väärtus, ka Eesti Geenivaramust on tulevikus palju kasu, kuid peame leidma paremaid viise nende andmebaaside analüüsimiseks. Traditsiooniline viis ehk ühe-kahe kõige olulisema geenivariandi leidmine seletab ainult 5–10 protsenti populatsiooni riskivõimalustest. 80–90 protsenti jääb peitu. Usume, et need on võimalik andmetest üles leida, kuid keskkonnast sõltuvate variantide leidmiseks on vaja võrgustikke.
Kui üks haigus saab tekkida mitmel põhjusel häiritud võrgustiku tagajärjel, kas siis peitub meie poolt üheks arvatud haiguse taga tihti hoopis mitu haigust?
Kui võtame ateroskleroosi näite, siis selle molekulaarne mehhanism on kõigil, isegi inimestel ja hiirtel väga sarnane. Kuid selle käivitamiseks, sõltuvalt keskkonna riskiteguritest, mis toimivad koostöös DNA variantidega, on palju viise, näiteks kõrge vererõhk või ülekaal.
Seega võivad geenivariandid, mis mõjutavad kõrgvererõhutõbe, kõrget kolesteroolitaset, ülekaalu või suhkurtõbe, kõik teisesena põhjustada ka ateroskleroosi teket. Seda võib vaadelda lehtrina, kus ateroskleroosi arengule võivad kaasa aidata paljud haigused, kuid haiguse enda tekkeprotsess on väga sarnane.
Kas algpõhjuste paljusus tähendab, et raskem on ka leida sobivaid raviviise? Ka artiklis räägite rohkem vältimisest kui ravist.
Võrgustikud ei puuduta ainult haigusi, need on olulised kogu füsioloogia jaoks. Määratlemist vajavad paljud võrgustikud, ka normaalselt toimivad. Võtame näiteks maksa ja oletame, et teil on maksahaigus, hepatiit. On teadmata, kuidas mõjutab see normaalset füsioloogilist võrgustikku, kas see muutub või täieneb põletikuliste komponentidega või kas lisanduvad uued rakutüübid, mis loovad täiesti uue põletikulise võrgustiku. Peame mõistma nii füsioloogilisi kui patoloogilisi võrgustikke.
Tulevikku vaadates usume, et need võrgustikud kajastuvad ka veres leiduvates markerites. Kui mõistame hästi, kuidas need füsioloogilised võrgustikud elundites toimivad, siis saame vereproovi võttes ja ehk 3000 valgumarkerit jälgides vihjeid, et midagi on näiteks lahti maksaga ja midagi muud rasvkoega. Näeme meditsiini tulevikku uute ravimite leidmises nende patoloogiliste võrgustike ehk kurja juure raviks. Enamik seniseid ravimeid ravivad sümptomeid, aga mitte põhjusi.
Tulevikus teeb inimene näiteks 35- või 40-aastasena vere- ja DNA-testi, mille põhjal saab öelda, kas on käimas midagi selgelt patoloogilist. Siis saab seda ravida, olgugi et inimene ise tunneb end täiesti tervena. Sel moel ravime varakult, see ongi see ennetav osa.
Millal see tulevik saabub?
Võib-olla viie aasta pärast on meil olemas võrgustike atlas, sealt läheb ehk veel viis aastat raviviiside mõistmiseni. Oluline on aga mõista, et see, millest räägime, on juba käigus. See pole ainult visioon, vaid juba toimumas. Samasuguse kohordi (rahvastikurühma – toim), nagu mina olen kogunud südame-veresoonkonnahaiguste osas, on Eric Schadt kogunud diabeedipatsientide maksast ja rasvkoest. Nende põhjal on töös mitu uut ravimit.
Teid ei toonud Tartusse professoriks kindlasti ainult veresidemed (Johan Björkegreni emapoolsed vanavanemad põgenesid Eestist 1944. aastal, tema onu on tuntud kirjanik Enn Nõu – toim), vaid ka siinse uurimistöö kvaliteet. Mida on Eestil pakkuda?
Mul on labor ka Karolinska instituudis, kus uurimistöö eesmärgid on samad. Me keskendume südamelihase infarktile ja ateroskleroosile. Karolinskas on arstide seas suur huvi teadustöö vastu ja seal alustasin koostööd toona oma doktoritööd teinud Arno Ruusalepaga, kes on nüüd Tartu olulisemate südamekirurgide seas.
Ma mõistsin, et Tartul on ambitsiooni millegi muutmiseks. Eesti on arengujärgus, kus ehitate oma ühiskonda üles ja soovite seda teha parimal moel. Näiteks Rootsis ei ole võrguta internet kõikjal saadaval, siin on. Tartu Ülikool koos oma keskustega, eriti vastloodud siirdegenoomika keskusega soovib väga arendada personaliseeritud ja ennetavat meditsiini, tuginedes geeniteaduste uutele teadmistele.
Uus bioloogia
• Geenide aktiivsuse ja nende vastastikuse mõju uurimine annab organismis toimuvatest normaalsetest ja ka haiguslikest protsessidest varasemast palju selgema pildi.
• Geenide ja valkude interaktsioonid moodustavad võrgustiku, kus suurel osal on üksikud ühendused teiste valkude või geenidega, kuid väiksel osal on palju ühendusi.
• Keskkonnategurid võivad aktiveerida teatud geenivariante, mis võrgustiku normaalset tööd häirides viivad haiguse arenemiseni.
• Praegu levinud kogugenoomi assotsiatsiooniuuringutest ei selgu keskkonna aktiveeritud haigusi tekitavad geenivariandid. Nende jälile saab geeniaktiivsuse võrgustikke uurides.
• Tartu Ülikooli professor Johan Björkegren ja USAs asuva Mount Sinai meditsiinikõrgkooli professor Eric Schadt avaldasid jaanuari alguses võrgustike tähtsust rõhutava artikli ajakirjas Science Translational Medicine, mis on maineka teadusajakirja Science siirdemeditsiinile pühendatud sõsarväljaanne. Ajakiri tõstis artikli kaaneteemaks.
Geenipilt juhib personaalse meditsiinini
Johan Björkegren ja Eric Schadt kirjeldavad ajakirjas Science Translational Medicine ilmunud artiklis ka seda, milline võib välja näha tervishoiu tulevik, kui täituvad geenivõrgustikele pandud ootused.
Varases nooruses tehtav DNA-analüüs toob iga inimese puhul esile üldised riskitegurid, kirjutavad Björkegren ja Schadt. Nende põhjal saab anda inimestele soovitusi vältida teatud tegureid, mis võivad neil põhjustada haigusi. «Sõltuvalt sellest, kuidas inimesed oma elu elavad – mis sõltub nii teadlikest valikutest kui juhusest –, varieeruvad nii riskistsenaariumid kui nende ennetamiseks vajalikud meetmed,» jätkavad teadlased. «Seega ei ole DNA-profiil piisav, et kirjeldada täielikult inimese riski haigestuda levinud komplekssetesse haigustesse.»
Autorite sõnul moodustavad põhilise riski selliste keeruka tagapõhjaga haiguste puhul DNA-variandid, mis sõltuvad kindlast kontekstist. «Seega tuleb indiviidi vananedes tema DNA-profiili uuendada mitu korda, et noppida välja muutused epigeetilistes mustrites (muutused geenide avaldumises, mis ei ole põhjustatud DNA järjestuse muutumisest – toim),» märgivad nad. Lisateavet inimese riskidest võib pakkuda eri vererakutüüpide mRNA-profiilide kirjeldamine.
Kuna see umbes viis liitrit verd, mis meie kehas on, ringleb läbi kogu meie keha umbes korra
minutis, lubavad verest saadavad markerid tulevikus hinnata kõikide elundite seisundit ja näha, kas on tekkimas molekulaarseid patoloogiaid (kasvaja, ateroskleroos, põletik, immuunvastus jne). Võrreldes juba praegu kasutusel olevate markeritega on tuleviku omad märksa koe- ja haigusespetsiifilisemad.
«Kui DNA-profiil ja mingit laadi verekomponente hõlmav aktiivsuse seire viitavad, et mõnes elundis toimub tõenäoliselt patoloogiline protsess, võib järgmine samm olla märgistatud markeritega kuvamine, et avastada vastavas koes suurenenud rakuvahetust ja ainevahetust,» kirjutavad Björkegren ja Schadt.
«Kui veremarkerid ja DNA-profiil viitavad aga süsteemsele haigusele, mis hõlmab mitut elundisüsteemi, oleks teine mittesekkuv meede laiendada analüüsi kogugenoomiseirele, mis lubab reaalajas kirjeldust detailsetest molekulaarsetest võrgustikest, mis viitavad haiguse tüübile ja olekule.»
Laboris avastatavate, kuid veel mitte välja löönud haiguste varane diagnoos nõuab Björkegreni ja Schadti sõnul ennetavaid raviviise, mis peatavad või aeglustavad haiguse arengu. Kõik ravivõtted kohandatakse individuaalsetele oludele, vastavalt DNA- või RNA-profiilist saadud andmetele.
«Haigusele iseloomulike võrgustike määratlemine suunab ravi (tüüpi ja annuseid) ja pidev jälgimine näitab, kas haigusvõrgustikud asenduvad elundis järk-järgult normaalse füsioloogiaga. Sellise stsenaariumi puhul on võrgustikud personaalse ja ennetava meditsiini nurgakiviks.»