Optogenetiikka – valo ja luonto aivotutkimuksen apuna

Näin kesän kynnyksellä huomiomme saattaa kiinnittyä lisääntyvän valon määrään, kärpästen surinaan ja kevään ensimmäisten kukkien puhkeamiseen. Tiedämme valon tärkeän merkityksen luonnolle ja elämälle. Valon avulla kasvit ja levät yhteyttävät, ja tuottavat elämällemme tärkeää happea. Pystymme myös havainnoimaan ympäristöämme, ja esimerkiksi tämän kirjoituksen sanomaa valon ja näköaistin välityksellä.

Tässä suhteessa lienee ymmärrettävää, että monet valon säätelemistä tapahtumista ovat osin riippuvaisia keskenään samankaltaisten, luonnossa esiintyvien tekijöiden toiminnasta. Voimmekin hyvin nimittää näitä tekijöitä valoherkiksi toimijoiksi. Silmän verkkokalvon valolle herkkä toimija, opsiinista ja retinaalista koostuva rodopsiini välittää valon fotonin energian näköhavainnoksi. Fotonin osuminen retinaaliin saa aikaan retinaalimolekyylissä tapahtuvan rakennemuutoksen, tiettyjen verkkokalvon solukalvon kanavien aukeamisen, ja solujen aktiivisuuden muutoksen. Tämä tapahtumaketju tulkitaan lopulta aivoissa esimerkiksi näytöllä näkyväksi blogitekstiksi. Samaan tapaan pieni, yksisoluinen levä löytää yhteyttämiseen tarvittavan valoenergian. Auringonvalon osuminen levän pinnan valolle herkkiin kanavarodopsiineihin muuttaa niiden sisältämän opsiinin rakennetta, johtaen kanavarodopsiinin aukeamiseen, ja kahden liikuntaelimenä toimivan rihman liikehdinnän muuttumiseen. Tämän ansiosta liike ohjautuu yhteyttämiselle elintärkeää valoa kohden, näin suunnistaa muun muassa Chlamydomonas reinhardtii-niminen levä.

Miten levät ja aivotutkimus liittyvät toisiinsa?

Koska aivot ovat sähköisesti toimiva elin, eräs suurimmista haasteista on ollut löytää sopivia, ja tarpeeksi tarkasti toimivia työkaluja solujen välisen vuoropuhelun tutkimiseen. Sähkö itsessään on työkaluna yksi mahdollisuus, mutta varsin epätarkka hermosolujen sähkökemiallisen luonteen vuoksi. Sähkön vaikutuksesta myös iso joukko soluja, jotka eivät ole tutkimuksen kohteena saattavat aktivoitua hermosolujen tiheiden yhteyksien ansiosta.

Tämä ongelma tunnustettiin jo vuosikymmeniä sitten, ja DNA:n rakenteen toinen keksijä Francis Crick ehdotti jo 1970-luvun lopussa että ihanteellinen työkalu hermosolujen tutkimiseen saattaisi olla valo. Valon ajateltiin sopivan työkaluksi, koska valopulssin pituus on säädeltävissä millisekuntien tarkkuudella, ja kohdistettavissa vain haluttuihin soluihin. Valitettavasti tuohon aikaan sopivia työkaluja haluttujen hermosolujen muuttamiseksi valoherkiksi ei ollut olemassa. Parissa vuosikymmenessä pieni valon mukaan suunnistava levä ja aivotutkijat ovat kuitenkin löytäneet toisensa, ja tämä voidaan laskea muutaman alan pioneerin ansioksi.

Näihin pioneereihin kuuluvat mm. Gero Miesenböck joka ensimmäisenä osoitti vuonna 2002, että rotan aivoista eristetyt normaalisti valoon reagoimattomat hermosolut saadaan aktivoitua valolla kun niihin siirretään banaanikärpäsen valoärsykkeille herkän reseptorijärjestelmän osia (1). Vuotta myöhemmin Georg Nagel, Peter Hegemann ja Ernst Bamberg selvittivät ensimmäisinä Chlamydomonas reinhardtii –levän erään kanavarodopsiinin (kanavarodopsiinin-2) toiminnan (2). Vuonna 2005 Edward Boyden ja Karl Deisseroth siirsivät kanavarodopsiini-2:den ensimmäisinä hermosoluihin, ja kykenivät säätelemään hermosolujen toimintaa millisekuntien tarkkuudella (3). Tätä optiikan (valo-opin) ja genetiikan menetelmiä yhdistävää menetelmää alettiin kutsua optogenetiikaksi.

Optogenetiikan mahdollisuudet ja valoisa tulevaisuus

Optogenetiikalla on myös mielenkiintoisia lääketieteellisiä sovelluksia. Tänä vuonna Yhdysvalloissa on käynnistynyt tutkimus, jossa kanavarodopsiini-2 geeniterapiaa käytetään silmän verkkokalvorappeuman (retinitis pigmentosa) hoidossa. Tästä sairaudesta kärsivillä henkilöillä silmän verkkokalvon valoa aistivat solut tuhoutuvat, ja näkökyky häviää osittain tai kokonaan. Hiljattain käynnistyneissä, RetroSense -yrityksen tutkimuksissa potilaiden verkkokalvon jäljellä olevat solut pyritään saamaan valoa aistiviksi viemällä niihin kanavarodopsiini-2 geeni, ja näin palauttamaan näkökyky ainakin osittain. Tältä osin eläimillä suoritetut alustavat geeniterapiatutkimukset ovat olleet lupaavia (4). Samaan tapaan optogenetiikka saattaa tarjota uusia menetelmiä hermostosairauksien, kuten Parkinsonin taudin tai epilepsian hoitoon. Tutkijat saattavat tulevaisuudessa pystyä käyttämään optogeneettisiä työkaluja tiettyjen aivoalueiden häiriintyneen aktiivisuuden säätelemiseksi, ja oireiden lieventämiseksi. Toisaalta optogeneettisillä työkaluilla on pystytty palauttamaan Alzheimerin tautia sairastavan tutkimuseläimen muistoja(5).

Yhtenä optogeneettisen teknologian soveltamisen haasteena on kallon, ja aivokudoksen huono läpäisevyys valolle. Esimerkiksi kanavarodopsiini-2 toimii parhaiten kudoksia huonosti läpäisevän sinisen valon vaikutuksesta. Viimeaikoina tutkijat ovatkin etsineet ja löytäneet kudoksia hyvin läpäisevälle punaiselle ja lähi-infrapunavalolle reagoivia muunneltuja optogeneettisiä toimijoita. Näiden avulla on jo kyetty vaikuttamaan syvemmällä olevien hermosolujen toimintaan jopa kallon läpi (6). Jää nähtäväksi pystymmekö tulevaisuudessa hoitamaan aivosairauksista kärsiviä potilaita non-invasiivisesti, eli käytännössä valaisemalla potilaan kalloa punaisella valolla.

Opto_zfishblogi

Kuva: Kuvassa näkyy kuinka tutkimuseläimenä käytetyssä seeprakalan alkiossa on säädelty geenien ilmentymistä valon avulla. Kuvan esimerkissä Valo-ryhmän alkioita on kasvatettu sinisen valon vaikutuksessa. Geenin tuottama, vihreänä fluoresoiva proteiini näkyy kirkkaana kehittyvän kalan kudoksissa. Kun kaloja pidetään pimeässä, fluoresoivaa proteiinia ei ilmenny.

Kuluneen kymmenen vuoden aikana optogenetiikka on kasvanut hermosolujen aktiivisuuteen valolla vaikuttavasta menetelmästä laajaksi tutkimuskentäksi. Valon avulla tutkija voivat säädellä haluttujen solujen aktiivisuutta, solujen sisältämien proteiinien kulkeutumista solun osasta toiseen, solujen liikkumista ja vaikuttaa esimerkiksi haluttujen geenien ilmentymiseen ja proteiinien tuottamiseen (7). Viimeaikaisissa tutkimuksissa on pystytty valjastamaan jopa kolme eri valon aallonpituutta (ultravioletti, sininen, ja punainen) kolmen eri geenin ilmentymisen samanaikaiseen säätelyyn (8). Optogenetiikan tulevaisuus näyttääkin valoisalta, ja mahdollisia biolääketieteellisiä ja teollisia sovelluksia on paljon. Optogenetiikan kehitys osoittaa mainiosti tutkimuksen laaja-alaisuuden ja siihen panostamisen yhteiskunnallisen merkityksen. Harvemmin tulee ajatelleeksi kärpästen ja levien yhteyttä aivotutkimukseen ja vakavien hermostosairauksien hoitoon.

 

Jari


Tietoa kirjoittajasta:

Jari Rossi toimii Akatemiatutkijana Helsingin yliopiston Medicumissa. Ryhmä tutkii lihavuuden ja diabeteksen mekanismeja ja kehittää optogeneettisiä työkaluja, joilla voidaan säädellä geenien ilmentymistä valon avulla.

 

Viitteet:

  1. Zemelman BV, Lee GA, Ng M, and Miesenbock G. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. Neuron. 2002;33(1):15-22.
  2. Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, and Bamberg E. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100(24):13940-5.
  3. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, and Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 2005;8(9):1263-8.
  4. Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, and Pan ZH. Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration. Neuron. 2006;50(1):23-33.
  5. Ryan TJ, Roy DS, Pignatelli M, Arons A, and Tonegawa S. Memory. Engram cells retain memory under retrograde amnesia. Science. 2015;348(6238):1007-13.
  6. Chuong AS, Miri ML, Busskamp V, Matthews GA, Acker LC, Sorensen AT, Young A, Klapoetke NC, Henninger MA, Kodandaramaiah SB, Ogawa M, Ramanlal SB, Bandler RC, Allen BD, Forest CR, Chow BY, Han X, Lin Y, Tye KM, Roska B, Cardin JA, and Boyden ES. Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat Neurosci. 2014;17(8):1123-9.
  7. Muller K, and Weber W. Optogenetic tools for mammalian systems. Molecular bioSystems. 2013;9(4):596-608.
  8. Muller K, Engesser R, Schulz S, Steinberg T, Tomakidi P, Weber CC, Ulm R, Timmer J, Zurbriggen MD, and Weber W. Multi-chromatic control of mammalian gene expression and signaling. Nucleic acids research. 2013;41(12):e124.