Molekylærbiologi – kunnskap for livet

zebrafisk

 

Elevene våre må ha kunnskap om molekylærbiologi. Mulighetene er mange i dag, og fagfeltet utvides stadig. Bioteknologien vil møte oss overalt, i medisin, matvareproduksjon, helse, etikkspørsmål – eleven må ha innsikt for å ta riktige valg og forstå konsekvensene.

Naturfag videreutdanning må derfor også dreie seg om molekylærbiologi. I november var hele kurssamlingen for Naturfag 2 satt sammen og drevet av Molekylærbiologisk institutt.

Aktivteter i fiskelab og datalab gjorde forskningen og fagstoffet nært og tilgjengelig for deltakerne.

Ved hjelp av dataverktøyene forskerne bruker, viste professor Rein Aasland hvordan man kan arbeide seg frem til å forstå og arbeide med stoff, mutasjoner og feil i cellenes aller minste bestanddeler. Hans utgangspunkt er transmittorstoffene for klor i cellemenbranen, det vil si proteinet som lager en vei ut av cellen for kloratom. Det er påvist mange feil i sammensetningen, med tilsvarende forstyrrelser i stoffbalansen i cellen. Et alvorlig utslag er at bæreren av slike feil får cystisk fibrose.

lab1
Sortering av embryo og larver fra zebrafisk. Ragnhild Valen (stående bakerst) og Siân Phillips veileder

DSC02410Dataprogram og databaser der all tilgjengelig informasjon om proteinet er samlet, gjør det mulig å studere sammensetning og oppbygging på dataskjermen. I datalabtimen fikk lærerne en innføring om problematikken, og øving i å bruke verktøyene. Programmene kan brukes i klasserommet, for økt innsikt og egen aktivitet med det som ellers bare finnes på mikronivå. Deltakerne har også fått en direkte kontakt med forskningsfronten – beskrivelsen av stoffene er så ny at MBI og samarbeidspartnere i USA hadde forsert fremstillingen for å gi kursdeltakerne et best mulig materiale å arbeide med.

DSC02404
Fra datalaben. Rein Aasland underviser. Rene Tvedt Pedersen bruker programvaren Jmol for visualisering av strukturer på molekylnivå.

jmol

På to labøvinger med fisk ble det anledning til å studere utviklingen fra befruktet egg til fiskelarve. Deltakerne var med på å tømme inkubatorer og isolere larver til nærmere studier. Neste øving var å sortere zebrafisk etter utviklingsstadium fra embryo via egg i utvikling, til klekket larve. Zebrafisken utvikler seg raskt, og de ulike stadiene er godt beskrevet. Med litt øving i bruk av lupe gir studiene av småfiskene og eggene god mening: larvene er gjennomsiktige og har tydelige trekk vi kjenner igjen: ryggrad, øyne, blodsirkulasjon, hjerte, finneannlegg.
I sitt foredrag om forskning med zebrafisk forklarte professor Kari Espolin Fladmark hvorfor denne arten er så godt egnet til forskning:

Stort antall egg fra hver fisk (200).

Embryo og larver er gjennomsiktige.

Før de spiser selv blir det ikke definert som dyreforsøk.

Embryo inne i skallet, larve utenfor eggeskalllet.

Kan følge merkete proteiner eller celler gjennom dyret.

Genomet er sekvensert. ca 80% av humane sykdomsgener finnes hos zebrafisk.

Det er forhodsvis enkelt å manipulere gener på encellestadiet.

Rask utvikling, mye av kroppen er dannet allerede etter 24 h.

Hva er det så forskerne gjør?

De kan sette inn mutasjoner og studere hvordan de fungerer. Man kan lage en genetisk ‘fiskemodell’ av en pasient og teste medikamenter, og screene virkningen av medikamentet.

Produsere transgene linjer i fisken: lage et DNA med en promotor (sørger for at det blir lest i fiskens organer der det skal) så få produsert det ønskete proteinet. Det finnes to metoder for å lage slike DNA- Injiseres på encellestadiet. Det er også kommet en god metode for å slå ut sekvenser av DNA: crisp/cas9-metoden.

Fisk kan regenerer celler, også nerveceller. Hvilke gener styrer regenererering, og kan vi overføre noe av dette til mennesket?

Noen sykdommer som blir studert:

ALS, den fryktete sykdommen Amyotrofisk Lateralsklerose. Forskerne lager mutantgenet, og setterdet  inn i fisken, følger DNAet i kroppen ved hjelp av fargeprotein.

Parkinsons sykdom. Hva er det som gjør at celler dør? hvilke mekanismer virker mot? Man ser på det dopaminproduserende områd i hjernen. Ved genetisk parkinson, er det mutasjon i et av 5 gener; PARK7, som lager DJ-1 protein. Proteinet kan være med på å regulere oksidativt stress i hjernen. Funksjonsfeil kan føre til Parkinson, men også diabetes og slag.I hjernen finnes blant annet  neuroner + støtteceller. Ser i fiskene at ved oksidativt stress dør de samme cellene som dør hos parkinsonpasienter, først.  DJ-1 får støttecellene til å produsere noe som hindrer oksidativt stress i hjernecellen. Ser på om økning av DJ-1 kan gi større motstandsdyktighet mot oksidativt stress,

Kursdagene inneholdt også forelesninger om medisinsk genetikk, epigenetikk og stamcelleforskning.

Førsteamanuensis Randi Hovland foreleste om medisinsk genetikk.

Avdelingen hun arbeider ved på Haukeland Universitetssykehus utfører genetisk undersøkelse ved mistanke om arvelig sykdom. Om en pasient har symptomer, kan det være nødvendig å undersøke hele familien, som kan være bærere av sykdommen.

Sykdommen kan være for eksemple kreft eller alzheimer. Undersøkelsene er underlagt lovreguleringer. Man skal ikke undersøke personer under 16 år, og ikke informere familemedlemmer om resultat – det må personen selv styre.

I Norge blir det gitt veiledning til pasienter som får avdekket risiko for alvorlig sykdom.

Kromosomsykdom kan skyldes at vi har for mye DNA, mest kjent er Downs syndrom, eller vi kan mangle biter i arvematerialet.

Det kan være ett gen som gir avvik, men også samvirkning mellom flere kan gi utslag.

Mutasjoner kan være ubetydelige, for eksempel fargevarianter, andre er patogene, og gir dårligere funksjon.

Også farmogenetikk, altså omsetting av legemidler i kroppen, er et forskningfelt.

Å sekvensere hele det humane genom, gjennom det internasjonale ‘human genomprosjektet’ tok 13 år. Nå går sekvensering raskere, man får bedre metoder.  Kartlegging for én sykdom, kan også gi utilsiktede funn. Finnerman  risiko for en annen sykdom, – skal man så opplyse pasienten om dette funnet? Og sette i verk forebyggende behandling, for eksempel fjerne bryst ved økt fare for brystkreft senere i livet?

Randi Hovland avsluttet med å anbefale boken ‘Min DNAgbok’.

Førsteamanuensis Ragnhild Eskeland holdt to foredrag, et om epigenetikk og et om stamceller.
Hun tok utgnagspunkt i Lamarcks teori om at dyrenes tilegnede egenskaper kan arves. Lamarck tok feil, selv om vi nå ser at det er mer i den 2 meter lange DNA-tråden i hver celle enn bare genene. Her ligger også epigenetiske merkelapper, som skrur av og på gener – altså får cellene til å spesialisere seg, utføre sine oppgaver, og bare det. DNA-koden er den samme i alle cellene, så er det epigenetikken som avgjør hva som brukes i ulike celler. Det finnes 4 slike kjemiske brytere. De kan være koblet til proteinet som DNA-tråden er ‘rullet opp’ på, til DNA-tråden, eller som ukodet RNA.

DSC02425
Ragnhild Eskeland underviser om stamceller

Det viser seg at kromosomene har en fast plassering i cellekjernen, 19 ligger sentralt, 18 ut mot periferien. De genrike kromosomene ligger i midten, de mer genfattige ut mot kanten. Gener ‘snakker’ med hverandre, og gir melding om de er slått av eller på. Epigemnetikken blir påvirket av miljøfaktorer, og man kan spore endringene i 2 til 4 generasjoner eter påvirkningen. Vi kan likevel ikek snakke om epigenetisk arv, det er to satdier i livssyklusen der endringene i det epigentiske materialet tilbakestilles. Hos pattedyr er det ikke påvist slik arv.

Epigenetiske feil kan være årsak til sykdommer.

Det er mange ubesvarte spørsmål i dette feltet. Bioinformatikken er et stort nytt fagfelt som får stor betydning. Det blir arbeidet tverrfaglig, både matematikk, biologi og databehandling må inn for å forstå faget.

Epigenetikken omhandler genmaterialets ‘brytere’, stoffene som slår genene av eller på.

Stamceller er celler som ikke er spesialiserte. Alle celler i kropper inneholder alt arvemateriale, men bare den delen som tremngs i cellen er aktiv. I stamcellene er alle muligheter fremdeles åpen, cellen kan spesialiseres til å bli en muskelcelle, nervecelle, eller for eksempel epitelcelle i et av hudlagene. Den befruktete eggcellen er den mest typiske stamcelle – alle kroppens celler dannes ut fra den.

Fra embryocellene kan man hente ut stamceller, og dyrke spesialiserte celler i laboratoriet. det foregår også forsøk med å tilbakestille spesialisert celler til stamceller, eller ligen stamceller. Det har lykkes å få hudceller til å opptre slik, man får induserte multipotente celler (IPS). Da kan vi bruke disse til å dyrke frem spesialiserte celler, celler med feil, eller sykdomsgen.

Sammen med muligheten for genspleising, klippe- og -limeteknologi, gir denne forskningen vide perspektiver, og den reiser etiske problemstillinger. Eskeland var innom slike, og konkluderte med at forskerne selv er svært restriktive med å maipulere humane embryoer, (eller sette sammen ‘designerbarn’). Hun viste til hvordan Storbritannia håndterer muligheten i sitt lovverk. Fra 2006 har det vært tillat å bytte ut DNA i kjernen av eggceller. Mødre med defekter i mitokodriene, kan da få satt sitt arvemateriale inn i kjernen til eggceller fra en kvinne med friske mitokondrier. Eggcellen, som nå altså inneholder DNA fra kvinnen som ønsker å bli mor, og cytoplasma fra kvinnen med friske mitokondrier, kan så bli befruktet, implanteres og vokse frem til et barn. Det første barnet med 3 foreldre ble født i Storbritannia i 2006.

Til slutt nevnte Eskeland et aktuelt forksningsprogram, Pharmatox. Her undersøker et tverrfaglig, internasjonalt team om mors bruk av medisin i svangerskapet påvirker barnet. Norge har det største mor/barn-registeret i Europa med opplysninger om slik medisinbruk. Forskerne gjør funn som kan tyde på at slike sammenhenger finnes. Det tverrfaglige er viktig også her, teamet har med faramakologer, biologer, matematikere og klinikere.