Anatomia ja kehitysbiologia

Tutkimme kolmiulotteisten anatomisten rakenteiden kehityksen säätelyä, naudan immuunijärjestelmän kehitystä ja vuorovaikutuksia varhaisen mikrobiston kanssa sekä naudan utaretulehduksen isäntä-mikrobi-vuorovaikutuksia. Olemme tutkineet myös verenkierrossa kulkevien kantasolujen erilaistumiskykyä ja sukurauhasten erilaistumista käyttäen luonnostaan kimeerisiä freemartin-kaksosvasikoita, sekä punasolujen erilaistumisen epigeneettistä säätelyä.

Anatomian ja kehitysbiologian meneillään olevat tutkimushankkeet on kuvattu alla.

3D-mallintamisen ja röntgenkuviin perustuvan tutkimuksen avulla me voimme tuottaa uutta tietoa luuston morfologiasta normaalikehityksen aikana sekä kehityshäiriöiden yhteydessä. Tutkimuksemme pääkohteet ovat koirien lonkkanivelen kehityshäiriö sekä välimuotoinen lanne-ristinikama. Tutkimuksemme voi myös avata mahdollisuuksia kuvantamiskäytäntöjen kehitykselle. Tutkimme sairauksien perinnöllistä taustaa yhteistyössä professori Hannes Lohen koirien geenitutkimusryhmän kanssa.

Koiran lonkkanivelen kasvuhäiriö, eli lonkkaniveldysplasia, on koirien yleisin tuki- ja liikuntaelimistön kasvuhäiriö. Tämä sairaus on erityisen vakava ongelma eläinten hyvinvoinnille, sillä se aiheuttaa usein kipua ja saattaa rampauttaa eläimen tai johtaa sen lopettamiseen nuorena. Sairauden perinnöllinen tausta tunnetaan puutteellisesti. Lisäksi käytetyt diagnosointi- sekä kuvantamismenetelmät vaihtelevat maasta toiseen.

Välimuotoinen lanne-ristinikama on monilla koiraroduilla esiintyvä kehityshäiriö, joka ilmenee yhtenä tai useampana epänormaalina selkänikamana lanne-ristiluualueella. Välimuotoisessa nikamassa on havaittavissa sekä lannerangan että ristiluun nikaman piirteitä ja nämä morfologiset muutokset voivat olla symmetrisiä tai epäsymmetrisiä. Sairauden vakavimmassa muodossa yksi ristiluun nikama on muotoutunut sikiönkehityksen aikana ylimääräiseksi lannerangan nikamaksi, tai yksi lannerangan nikamista on sulautunut ylimääräiseksi ristiluun nikamaksi. Tämä kehityshäiriö altistaa lanne-ristiluuliitosalueen aikaiselle rappeutumiselle, mikä voi aiheuttaa kipuja takaselkään tai pahimmillaan takaraajojen halvausoireita. Lisäksi sen on todettu aiheuttavan toispuoleista lonkkaniveldysplasiaa niissä tapauksissa, joissa koiran seitsemäs lannenikama on luutunut ristiluuhun toispuoleisesti.

Alla kuvassa on ilmaisella Slicer-ohjelmistolla tuotettuja 3D-malleja koiran lantiosta. Vasemmalla koiran terve lantio, keskellä dysplastiset lonkat joissa uudisluunmuodostusta ja oikealla lanne-ristiluualueen epäsymmetrinen rakenteellinen muutos.

Katso myös esitykset Koirangeenit –sivuilla: lonkkanivelen kasvuhäiriöt ja välimuotoinen lanne-ristinikama.

Koiran lantio 3-d

 

 

Vasta-aineita tuottavat B-solut ja immuunipuolustukselle tärkeä, valtavan laaja vasta-ainevalikoima syntyvät eri eläinlajeilla eri tavoin. Märehtijöillä on paljon vähemmän vasta-ainegeenejä kuin ihmisellä ja hiirellä, joten niiden on arveltu monimuotoistavan vasta-ainevalikoimaansa muutenkin kuin geenivalikoiman sekoittumisen avulla. Myös B-solujen tuotanto eroaa lajien välillä. Ohutsuolen loppupään massiivinen Peyerin levy on keskeinen B-solujen tuotantopaikka märehtijöillä, kun taas ihminen ja hiiri tuottavat B-solunsa luuytimessä.

Olemme tutkimuksissamme osoittaneet, että naudalla uusia B-soluja syntyy lähinnä sikiöaikana. Naudallakin ne saavat alkunsa luuytimessä, jossa vasta-ainegeenit muodostuvat useista vaihtoehtoisista palasista kuten ihmiselläkin. Olemme osoittaneet että naudan vasta-ainegeenivalikoima todellakin on hyvin niukka verrattuna esimerkiksi ihmiseen. Vasta-aineiden monimuotoisuutta kuitenkin lisää se, että naudalla palasten liitoskohtiin liittyy tai niistä poistuu hyvin runsaasti emäksiä. Tähän junktionaaliseen diversiteettiin vaikuttaa terminaalinen deoksinukleotidyylitransferaasi-entsyymi (TdT).

Luuytimestä nuoret B-solut kulkeutuvat ileumin Peyerin levyyn, jossa ne jakautuvat valtavasti, ja samalla vasta-ainegeeneihin syntyy mutaatioita. Tätä somaattista hypermutaatiota tapahtuu ihmisellä ja hiirellä lähinnä silloin, kuin aikuisen yksilön immuunijärjestelmä reagoi johonkin taudinaiheuttajaan. Nauta näyttää hyödyntävän hypermutaatiota jo sikiöaikana. Sikiössä toimii sama mutaatioita tuottava entsyymi, aktivaatio-indusoituva sytidiinideaminaasi (AICDA eli AID), joka muokkaa vasta-ainegeenejä immuunivasteen yhteydessä syntymän jälkeen.

Kuvassa on immunofluoresenssivärjäys naudan sikiön imusolmukkeesta. B-solut näkyvät punaisina, T-solut vihreinä ja TdT-entsyymi valkoisena.

Immunofluoresenssivärjäys naudan sikiön imusolmukkeesta

 

DNA:n metylaatio on tärkeä geeniaktiivisuuksien säätelymekanismi. Kun geenin säätelyalueella tai geenin sisällä oleviin sytosiiniemäksiin liittyy metyyliryhmiä, geenin toiminta yleensä vaimentuu. Metylaatiokuviot muuttuvat esimerkiksi solujen erilaistuessa, kun geenejä kytkeytyy käyttöön ja pois käytöstä. Metylaatiohäiriöt liittyvät syövän kehitykseen.

Selvitämme DNA:n metylaatiota purkavia mekanismeja, jotka tunnetaan puutteellisesti. Keskitymme erityisesti punasolujen erilaistumiseen, jonka yhteydessä metylaatio muuttuu esimerkiksi hemoglobiinigeenien aktivoituessa, ja sikiöaikaisen hemoglobiinin (HBG) vaihtuessa aikuistyyppiseen hemoglobiiniin (HBA). Käytämme tutkimuksessa ihmisen erytroleukemiasoluja, jotka voidaan erilaistaa punasolusuuntaan soluviljelyolosuhteissa, ja uutta CRISPR-genomimuokkausteknologiaa, jolla voidaan tehokkaasti sammuttaa soluissa haluttuja geenejä. Tutkimme hemoglobiinigeenien säätelyä myös naudalla, jolla on ihmisen tapaan erillinen sikiöhemoglobiini, toisin kuin hiirellä.

Aivan viime aikoina on ihmisellä ja hiirellä havaittu, että jo sikiössä ilmeisesti esiintyy hyödyllisiä mikrobeja, vaikka aiemmin kohtua on pidetty steriilinä ympäristönä. Käynnistimme äskettäin tutkimushankkeen, jossa selvitämme sikiökautista mikrobistoa ja sen merkitystä erityisesti suolen immuunijärjestelmän kehitykselle naudalla ja muillakin kotieläimillä. Nauta on erityisen kiinnostava kohde näille tutkimuksille, koska ruoansulatuskanavan mikrobisto on märehtijälle erityisen tärkeä, nauta tuottaa pääosan B-soluistaan suolistossa, ja eläimillä asiaa on mahdollista tutkia perusteellisemmin kuin ihmisellä.

Tutkimme sikiöaikaista mikrobistoa sekä molekyylibiologian että perinteisen mikrobiologian keinoin. Selvitämme mikrobien kulkeutumisreittejä emästä sikiöön ja tutkimme varhaisen immuunijärjestelmän reaktioita niihin. Vertailemme eri eläinlajeja, joiden erilaiset istukat voivat vaikuttaa mikrobien kulkeutumiseen.

Hanke tuottaa uutta tietoa sikiön mikrobiston luonteesta, muodostumisesta ja fysiologisesta merkityksestä. Se tuo uutta ymmärrystä varhaisiin isäntä/mikrobivuorovaikutuksiin ja suolistomikrobiston terveysvaikutuksiin. Sikiön mikrobisto saattaa aktivoida immuunijärjestelmää syntymän jälkeistä elämää varten, tai vaikuttaa hyödyllisten suolistomikrobien sallimiseen.

Hyödyllisten ja vahingollisten mikrobien erottaminen on yksi toimivan immuunijärjestelmän tärkeimmistä tehtävistä, mutta se ymmärretään vielä huonosti.

Hanke auttaa myös nykyaikaista karjataloutta. Nuorten vasikoiden kuolleisuus suolistoinfektioihin ja maailmanlaajuiset ongelmat antibioottien käytössä vaativat uusia keinoja infektioiden ennaltaehkäisyyn.  Näiden suunnittelu edellyttää varhaisten isäntä-mikrobivuorovaikutusten ymmärtämistä.

 

Hyödynnämme nopeasti kovettuvia silikoniaineita luonnonvaraisten ja kotieläinten makroskooppisen anatomian tutkimuksessa. Morfologisen tiedon kerääminen luonnonvaraisista eläimistä on tärkeää evolutiivisten muutosten dokumentoimiseksi. Koska pehmytkudosrakenteita on hankalampi kerätä ja säilöä kuin esimerkiksi luurankoja, olemme valmistaneet silikonimalleja mm. ilveksen ja saimaannorpan hengitysteiden tutkimuksia varten sekä aasialaisen rottalajin moniosaisen mahan rakenteiden hahmottamiseksi. Paitsi tutkimuksessa, nämä mallit ovat suureksi avuksi myös opetuksessa havainnollistamaan erilaisia pehmytkudosrakenteita. Silikonimalleja voidaan käyttää mallina myös kolmiulotteisessa digitaalikuvantamisessa, jota on hyödynnetty oppiaineessamme mm. lehmän utareiden rakenteiden tutkimuksessa ja havainnollistamisessa opetustarkoituksiin.

 

Silicone models

 

Julkaisuja

Laakkonen, J., Kankaanpää, T., Corfe, I., Jernvall, J., Soveri, T., Keovichit, K. & Hugot, J-P. (2014). Gastrointestinal and dental morphology of herbivorous mammals: where does the Laotian rock rat fit? Annales Zoologici Fennici. 51, 153-161. [Open Access full text]

Laakkonen, J. Jernvall, J. 2016. Macroscopic anatomy of the Saimaa ringed seal(Phoca hispida saimensis) lower respiratory tract. Anatomical Record. In Press.

Vesterinen, H.M., Corfe, I.J., Sinkkonen, V., Iivanainen, A., Jernvall, J., and Laakkonen, J. (2015). Teat morphology characterization with 3D imaging. Anat. Rec. Hoboken NJ 2007 298, 1359–1366.  [PubMed]

Utaretulehdus on taloudellisesti merkittävin lypsylehmien infektiosairaus. Streptococcus uberis ja useat stafylokokkilajit ovat yleisiä utaretulehduksen aiheuttajia. Tutkimuksissamme pyrimme selvittämään molekyyli- ja solubiologian, mikrobiologian sekä bioinformatiikan menetelmin utarepatogeenien infektiomekanismeja sekä niiden kykyä vastustaa naudan immuunipuolustusta.

 

Tärkeimpiä tutkimusmenetelmiämme ovat seuraavat:

  • Pehmytkudosten rakenteiden analysointi silikonimallien ja 3D-skannauksen avulla
  • Histologia, immunovärjäykset, in situ –hybridisaatio
  • Kuva-analyysi
    Video kuva-analyysistä ilmaisella ImageJ-ohjelmistolla
     - Lasermikrodissektio
     - Virtaussytometria
     - Kvantitatiivinen PCR (qPCR)
     - CRISPR-genomimuokkausteknologia

Tutkijoiden palveluna on osastollamme käytettävissä laitteistot:

 

Niku M, Ekman A, Pessa-Morikawa T, Iivanainen A. (2006), Identification of major cell types in paraffin sections of bovine tissues. BMC Vet Res. /27/, 2:5.
PubMed
Open access- kokoteksti