Author: Pentti J Tienari

Menetelmä indusoitujen pluripotenttien (iP) kantasolujen tuottamiseen ihmisen ihon fibroblasteista kuvattiin vuonna 2007 (Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors Cell 2007;131:861) ja tämä keksintö toi Millenium-palkinnon tänä vuonna Shinya Yamanakalle. Menetelmä on mullistanut tautimallintamisen, kun potilaan ihosuikaleesta tehdystä fibroblasti-solulinjasta voidaan tuottaa ensin iP kantasoluja joita ohjelmoidaan muuttumaan halutuksi kohdesoluksi kuten esim. hermosoluksi tai maksasoluksi riippuen siitä, mitä tautia tutkitaan.

Näitä iP kantasoluja on opittu tekemään Meilahden kampuksella pian menetelmän julkaisemisen jälkeen Biomedicumin kantasolukeskuksessa. Anu Wartiovaaran ja Timo Otonkosken ryhmien yhteisyön hedelmänä MELAS-oireyhtymän molekulaarista taustaa on nyt onnistuttu valottamaan taudin kohdesoluissa eli hermosoluissa. MELAS tulee sanoista Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like episodes. Sanahirviössä kaikki muut sanat ovat totta, paitsi “Stroke”, sillä nämä äkilliset halvauskohtaukset eivät ole todellisuudessa verenkiertohäiriöitä (tukoksia tai vuotoja), vaan metabolisia, hermosolujen paikallisia energiantuoton häiriöitä.

MELAS-potilaiden ihon fibroblasteista tehtiin ensin iP kantasoluja, sitten nämä kantasolut ohjattiin soluviljelyolosuhteita muuntamalla erilaistumaan hermosoluiksi. MELAS-mutaatio on mitokondriaalisessa DNA:ssa (m.3243A>G) ja se esiintyy heteroplastisena eli yhdessä normaalin mitokondriaalisen DNA:n kanssa. Mutaatio ei kuitenkaan karsiutunut soluja kasvatettaessa, vaan kantasoluihin ja hermosoluihin mutaatio kulkeutui mukaan (toisinaanhan on vaara, että parhaat solut saavat kasvuedun ja mutanttisolut ja -mitokondriot karsiutuvat). Viljellyissä hermosoluissa nähtiin samanlainen mitokondrion hengitysketjun poikkeama, kuin MELAS-potilaillakin: complex I puutos oli keskeisin poikkeavuus. Uutena ilmiönä tuli esiin, että complex I kasautui autofagosomeihin, mikä viittaa siihen, että complex I puutos ainakin osittain johtuu aktiivisesta hajotuksesta solun sisällä. Kyseessä on merkttäivä havainto uudesta mekanismista, joka saattaa selittää complex I puutoksen MELAS potilailla.

Hämäläinen RH, Manninen T, Koivumäki H, Kislin M, Otonkoski T, Suomalainen A. Tissue- and cell-type-specific manifestations of heteroplasmic mtDNA 3243A>G mutation in human induced pluripotent stem cell-derived disease model. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 3

Kellogeenit säätelevät biologisia rytmejä, uni-valverytmiä, hormonirytmejä ja monia muita vuorokausirytmiä noudattavia homeostaattisia muutoksia. Joillakin ihmisillä hypothalamuksen suprakiasmaattinen tumake jätättää ja on virittinyt hieman yli 24h vuorokausirytmiin ja heillä esiintyy viivästynyt unirytmi, johon liittyy vaikeuksia ylläpitää yhteiskunnassa normiksi asetettua unirytmiä. Heillä esiintyy nukahtamisvaikeuksia, unirytmin epäsäännöllisyyttä ja näiden seurauksena univajetta sekä päiväväsymystä. Tämä on kenties tavanomaisin ja tunnetuin kellogeenien toimintahäiriön aiheuttama ongelma. Kellogeenien virityksestä riippuen jotkut ovat kronotyypiltään aamuihmisiä ja jotkut iltaihmisiä. Aamuihmiset rulettavat, sillä yhteiskunnan toiminta ja aikataulut noudattavat heidän rytmiään, tosin 24h huoltosasemat ovat suoneet helpotusta poikkeavan kronotyypin omaavien elämään.

Kellogeenit koodaavat transkriptiotekijöitä ja muita geeniekspressiota sääteleviä proteiineja. Näiden geenien ekspressio vaihtelee 24h sykleissä. Kapellimestarina ja tahdinlyöjänä toimii valolle herkkä suprakiasmaattinen tumake, josta rytmi välittyy perifeerisiin kudoksiin hormonien ja hermoyhteyksien kautta. Kaikki jet-lagistä kärsineet tietävät minkälaista on kun rytmit alkavat falskata, tulee väsymystä, keskittymiskyvyttömyyttä, ruokahalun muutoksia yms. ongelmia. Moniin immuunivälitteisiin kroonisiin sairauksiin liittyy näitä ilmiöitä myös. Reumapotilaista 80%:lla on hieman jet-lagin kaltaista kroonista väsymystä ja heillä on havaittu heikentynyt kortisolin, melatoniinin ja interleukiini-6:n erityksen vuorokausivaihtelu. Voisiko taustalla olla siis kellogeenien laiskistunut toiminta?

Jami Mandelinin johtaman työryhmän tutkimuksessa analysoitiinin kellogeenien ekspressiota reumapotilaiden nivelpinnalla. Verokkeina oli nivelrikkopotilaita, joilla ei esiintynyt reumankaltaista tulehdusreaktiota nivelissä. Nivelrustonäytteitä oli kerätty leikkausten yhteydessä. Kellogeenien mRNA ekspressiota tutkitiin kvantitatiivisella PCR:llä ja proteiinitasolla immunohistokemiallisesti. Erityistä vaivaa jouduttin näkemään, kun näytteitä standardoitiin näytteenoton vuorokauden ajan suhteen. Useiden kellogeenien ekspressio oli muuntunut reumapotilailla, lisäksi yhden keskeisen kellokomponentin, BMAL-proteiinin lokalisaatio oli muuttunut siten, että reumapotilailla se oli eksynyt solulimaan, kun taas nivelrikkopotilailla se oli tumassa (jossa sen normaalisti kuuluu ollakin).

Nivelpinnasta kasvatetuissa fibroblastivilejelmissä havaittiin myös eroja. Reumapotilaiden fibroblasteissa kellogeenien ekspression vuorokausirytmi oli erilainen kuin nivelrikkopotilaiden fibroblasteissa, vaikka soluviljelyolosuhteet oliva samat. Myös sytokiinien (IL1b ja IL6) erityksen vuorokauden vaihtelu oli reumapotilaiden fibroblasteissa vähäisempää kuin nivelrikkopotilaiden fibroblasteissa. Nivelreuman kudosvaurioon liittyvistä sytokiineistä TNFa:n havaittiin säätelevän kellogeenien ekspressiota fibroblasteissa.

Kirjoittajat pohtivat, että nivelreumassa pitkään vallitseva tulehdusympäristö johtaa siihen että nivelpinnan solujen kellogeenit menevät epävireeseen, tai oikeammin epärytmiin. Tämä dysrytmiä jää sitten vähitellen päälle, eikä häiriötä saatu soluviljelyososuhteissakaan enää korjattua. Tässä tutkimuksessa nivelpinnan fibroblastit toimivat mallina siitä, miten pitkäaikainen tulehdusympäristö voi vaikuttaa kellogeeneihin. Todennäköisesti nämä tulokset heijastavat tulehduksen vaikutusta kaikkien elimistön solujen kellogeeneihin.

Circadian timekeeping is disturbed in rheumatoid arthritis at molecular level.  Kouri VP, Olkkonen J, Kaivosoja E, Ainola M, Juhila J, Hovatta I, Konttinen YT, Mandelin J. PLoS One. 2013;8(1):e54049.

Abstrakti: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23335987

Osteoporoosi voi kehittyä monenlaisten aineenvaihdunnallisten poikkeavuuksien kautta. Näistä tyypillisimpiä on D-vitamiinin ja kalkin puutos. Osteoporoosi liittyy myös moniin kroonisiin sairauksiin liitännäisilmiönä ja monet lääkeaineet voivat edesauttaa sen kehittymistä. Suomessa arvioidaan olevan 400,000 osteoporoosin kriteerit täyttävää henkilöä ja vuosittain yli 30,000 luunmurtumaa, jossa osasyynä on luun haurastuminen.

Perinnöllinen varhain alkava osteoporoosi on vakava muoto tästä taudista. Outi Mäkitien tutkimusryhmä löysi vallitsevasti periytyvän tautimuodon taustalta WNT1 geenistä Cys218Gly mutaation. Sama geeni on tunnistettu myös toisen luita haurastuttavan taudin, osteogenesis imperfectan taustalta, ja tässä artikkelissa kuvattiin myös toinen WNT1 mutaatio peittyvästi periytyvän osteogenesis imperfectan taustalta. Mutaatiot heikensivät tyypillistä WNT1 signalointia ja hiirillä WNT1 ekspressoitui luuytimessä, erityisesti B-lymfosyytti linjan soluissa ja monissa erilaistuvissa soluissa. WNT1 ekspressiota löytyi myös joistakin luun soluista ja kirjoittavat pitävät todennäköisenä, että WNT1 signalointi hematopoieetisten ja luusolujen välillä on häiriintynyt sekä tässä osteoporoosin muodossa että osteogenesis imperfectassa.

 WNT1 nimi tulee kahdesta lähteestä (lausutaan wint). Ensinnäkin (foneettisesti, ei historiallisesti) se on banaanikärpäsen Wingless geenin homologi. Toiseksi se oli alunperin nimeltään Integration-1 (Int-1) onkogeeni, koska hiirellä mouse mammary tumor virus kykeni integroitumaan tähän geeniin ja aktivoimaan sen, mikä johti rintasyöpään. WNT1 kuuluu laajempaan WNT-geeniperheeseen solun erittämiä liukoisia signalointiproteiineja, jotka ovat kehitysbiologisesti tärkeitä ja säätelevät mm. solujen erilaistumista ja apoptoosia. WNT1 ekspressoituukin erityisesti sikiöaikana ja vain rajoitetusti aikuisiällä. WNT-signalointi vastaanottajasoluun on melko monimutkainen kokonaisuus, käsittäen ensin WNT:n sitoutumisen reseptoriinsa (Frizzled), mikä johtaa usean välivaiheen kautta beta-catenin proteiinin aktivoitumiseen. Beta-catenin toimii WNT-signaloinnissa viestinvälittäjänä tumaan. GSK3b näyttelee tässä prosessissa tärkeää roolia, sillä fosforyloimalla se jarruttaa beta-cateninin vapautumista tumaan silloin kun WNT ei ole sitoutunut reseptoriinsa. Tähän aineenvaihduntaketjuun kohdistuu huomattavaa lääkekehitys aktiviteettia. Jatkossa onkin tärkeää selvittää missä määrin WNT-signalointi liittyy yleisempiin osteoporoosin muotoihin.

Laine CM, Joeng KS, Campeau PM, Kiviranta R, Tarkkonen K, Grover M, Lu JT, Pekkinen M, Wessman M, Heino TJ, Nieminen-Pihala V, Aronen M, Laine T, Kröger H, Cole WG, Lehesjoki AE, Nevarez L, Krakow D, Curry CJ, Cohn DH, Gibbs RA, Lee BH, Mäkitie O. WNT1 mutations in early-onset osteoporosis and osteogenesis imperfecta. N Engl J Med. 2013 May 9;368(19):1809-16.