Ihmisen genomi koostuu noin kolmesta miljardista emäsparista. Genomin rakenne on kaikilla hyvin samankaltainen, mutta lähemmin tarkasteltuna se sisältää paljon yksilöllistä vaihtelua. Ihmisgenomissa esiintyy runsaasti toistojaksoalueita sekä rakenteellista muuntelua. Suurin osa vaihtelusta ei tuota ongelmia, mutta joissain tapauksissa muutos genomissa voi aiheuttaa jonkin sairauden tai alttiuden sairaudelle. Suurten kromosomitason muutosten tutkimiseen on kehitetty uusi menetelmä: optinen genomikartoitus.
Genomin rakenteellisen vaihtelun tyypit
Genomissa tapahtuva vaihtelu voi muodostua pienistä pistemutaatioista, toistojaksoalueista tai suuremmasta rakenteellisesta vaihtelusta. Viimeksi mainitun eli genomin rakenteellisen vaihtelun voi jakaa kuuteen päätyyppiin: deleetio (geneettisen materiaalin häviämä), duplikaatio (geneettisen materiaalin monistuma), insertio (uuden geneettisen materiaalin liittyminen DNA:han), translokaatio (geneettisen materiaalin järjestyminen uudelleen yleensä kahden kromosomin välillä), inversio (geneettisen materiaalin muuntuminen käänteiseen järjestykseen) ja aneuploidia (kokonaisten kromosomien lukumäärän muutos).
| Aneuploidia | Yksittäisiä kromosomeja on kromosomistossa normaalista poikkeava määrä |
| Deleetio | Osa kromosomista häviää |
| Duplikaatio | Osa kromosomista monistuu |
| Insertio | Kromosomiin liittyy jokin toisen kromosomin osa tai osia muualta samasta kromosomista |
| Inversio | Kromosomin emäsjärjestys muuttuu käänteiseksi tietyssä kromosomin osassa |
| Translokaatio | Kaksi eri kromosomia vaihtavat osia |
Kromosomitutkimus tuottaa tietoa
Genomin rakenteellisen vaihtelun tutkiminen antaa tärkeää tietoa geneettisistä mekanismeista. Koska geneettiset muutokset vaikuttavat sairauksien syntyyn, voi uusi tutkimustieto johtaa myös kliiniseen hyötyyn. Genomin rakenteellista vaihtelua tutkimalla voidaan diagnosoida perinnöllisiä tauteja ja tautien alttiuksia, erotella eri syöpätyyppejä tai pyrkiä selvittämään sairauksia, joiden syy on epäselvä.
Menetelmät: karyotyypitys, FISH-tutkimus, molekyylikaryotyypitys, NGS
Perinteinen tapa tutkia genomin rakennetta on karyotyypitys eli kromosomien G-raitavärjäys. Menetelmässä viljellään soluja, solujen kromosomit värjätään ja kromosomeja tarkastellaan mikroskoopilla. Kromosomit tunnistetaan ja niissä esiintyvät poikkeavuudet havaitaan kullekin kromosomille tyypillisen koon ja G-raitakuvion perusteella. Menetelmä vie aikaa ja analyysi vaatii rautaista ammattitaitoa ja kokemusta. Vaikka analysointi tehdään nykyään osittain automatisoidusti, syntyy tuloksiin helposti inhimillistä vaihtelua.
Kromosomien rakenteellista vaihtelua voidaan tutkia myös FISH-tutkimuksella, jossa tutkittavalle kromosomialueelle tehdään kohdennettuja, fluoresoivia koettimia. Analyysi suoritetaan fluoresenssimikroskoopilla, jossa tarkastellaan, kiinnittyvätkö koettimet kromosomiin. Menetelmä toimii hyvin, jos etsittävät muutokset ovat tunnettuja.
Uudempaa teknologiaa kromosomitutkimuksessa edustaa molekyylikaryotyypitys. Menetelmässä näyte-DNA (esim. syöpäsolujen DNA) ja normaalista kudoksesta peräisin oleva verrokki-DNA leimataan erivärisillä fluoresoivilla leimoilla ja hybridisoidaan mikrosirulle. Näyte- ja verrokki-DNA sitoutuvat kilpailuperiaatteen mukaisesti mikrosirulla oleviin DNA-koettimiin. Mikrosirut luetaan laserskannerilla ja kuva-analyysiohjelma muuntaa kuvan sisältämän tiedon numeeriseen muotoon. Fluoresoivien leimojen suhde kuvaa geenien kopiomäärää. Menetelmää käytetään yleisimmin kopiolukumuutosten tutkimiseen mm. syöpädiagnostiikassa.
Eniten uutta tietoa genomista on viimeisen reilun vuosikymmenen aikana saatu NGS-menetelmillä (next-generation sequencing eli rinnakkaissekvensointi). NGS-menetelmää käytetään genomin emäsjärjestyksen määrittämiseen. Menetelmässä miljoonat lyhyet sekvenssipätkät eli readit (pituus alle 300 emäsparia) analysoidaan samanaikaisesti yhdessä ajossa ja linjataan verrokkigenomia vasten. NGS-menetelmien tärkeimmät vahvuudet ovat kustannustehokkuus, nopeus ja luotettavuus. Toistojaksoalueiden ja rakenteellisen muuntelun tutkimiseen NGS ei kuitenkaan sovellu. Lyhyiden readien sisältämä tieto ei aina riitä kohdentamaan sekvensoitua osaa varmuudella oikeaan kohtaan genomia, mikä voi johtaa sekvensointituloksien tulkinnanvaraisuuteen ja virheisiin. Rakenteellisten muutosten tunnistaminen NGS:n avulla perustuu readien lyhyyden vuoksi useimmiten suoran havainnoinnin sijasta epäsuoraan päättelyyn.
Uusi tutkimusmenetelmä: optinen genomikartoitus
Optinen genomikartoitus on Bionanon kehittämä uusi menetelmä genomin rakenteellisen vaihtelun tutkimukseen. Menetelmässä ei monisteta DNA:ta, vaan hyödynnetään suuren erottelukyvyn mikroskopiaa ja automatisoitua kuva-analyysia. Lähtömateriaaliksi tarvitaan hyvälaatuista DNA:ta, josta eristetään erittäin pitkiä DNA-juosteita (yli 250 000 emäsparia). Eristetty ultrapitkä DNA leimataan fluoresoivalla leimalla ja analysoidaan mikrosirulla, jossa on satoja tuhansia vierekkäisiä nanokanavia. Yhdessä nanokanavassa mahtuu kerrallaan kulkemaan vain yksi ultrapitkä DNA-juoste, johon kiinnittyneitä fluoresoivia leimoja laite kuvaa.
Mitä pitempään laitteen annetaan kuvata leimattuja DNA-juosteita, sitä tarkempi kuva saadaan. Analyysin aikana kertyy valtava pino kuvia, jotka laitteen analyysiohjelma yhdistää kokonaisuudeksi. Lopputuloksena saadaan genomikartta, jota ohjelma vertaa verrokkigenomikarttaan ja kertoo sitten käyttäjälle mahdolliset poikkeamat genomissa.
Menetelmä ei vaadi työlästä soluviljelyä, ja määrällisesti DNA-näytettä tarvitaan erittäin vähän. Tutkittavan DNA:n pitää kuitenkin olla hyvälaatuista – koska DNA:n pitää säilyä katkeamattomana, analysoitavaksi ei käy liian vanha eikä käsitelty näyte, kuten formaliinilla fiksattu parafiiniin valettu näyte. Manuaalisia työvaiheita menetelmässä on vähän (DNA-eristys, fluoresenssileimaus ja pipetointi mikrosirulle), mikä säästää laboratoriossa kuluvaa aikaa. Itse analyysi tapahtuu täysin automatisoidusti.
| Variantti | Karyotyypitys | FISH | Molekyylikaryotyypitys | NGS | Optinen genomikartoitus |
| Aneuploidia | + | Kohdennettu | + | + | + |
| Deleetio | > 5-10 Mbp | Kohdennettu | + | Rajoitetusti | + |
| Duplikaatio | > 5-10 Mbp | Kohdennettu | + | Rajoitetusti | + |
| Insertio | > 5-10 Mbp | Kohdennettu | - | Rajoitetusti | + |
| Inversio | > 5-10 Mbp | Kohdennettu | - | - | + |
| Translokaatio | > 5-10 Mbp | Kohdennettu | - | Kohdennettu | + |
Tulokset havainnollisesti ja ilman tulkinnanvaraa
Koska laite suorittaa ohjelmallisen vertailun verrokkigenomiin, menetelmän tuloksiin ei tule inhimillistä vaihtelua. Tulosten tulkintaan ei vaadita bioinformaatikkoa, vaan laite tekee tarvittavan data-analyysin ja tuottaa kuvaajan, jossa mahdolliset poikkeamat näkyvät selvästi. Kromosomin sentromeerialuetta optisella genomikartoituksella ei kuitenkaan pysty tutkimaan. Sentromeerialueen DNA on hyvin tiiviisti pakattua, eikä sitä monisteta normaalin solunjakautumisen yhdessä. Tästä johtuen sentromeerialueelta puuttuvat kohdat, joihin fluoresenssileimat kykenisivät tarttumaan.
Menetelmässä käytetyt reagenssit ja mikrosirut toimitetaan käyttövalmiina pakettina. Laboratoriossa tehtävien manuaalisten työvaiheiden vähäisen määrän ja kulutustavaroiden käyttövalmiin pakettiratkaisun vuoksi optinen genomikartoitus on muihin uusiin teknologioihin verrattuna edullinen menetelmä. Optista genomikartoitusta voidaan käyttää ihmisten, eläinten ja kasvien genomien analysointiin niin tutkimuksessa kuin diagnostiikassa. Tulevaisuuden suuntauksena on yhdistää NGS ja optinen genomikartoitus: NGS kertoo genomin emäsjärjestyksen ja optinen genomikartoitus puolestaan kuinka geneettinen materiaali on järjestynyt.
Optinen genomikartoitus nopeuttaa tutkimusta
Genomin rakenteellisen vaihtelun tarkastelu lisää ymmärrystä geneettisistä mekanismeista ja niiden vaikutuksesta mm. perinnöllisten sairauksien syntyyn. Uusi optinen genomikartoitus tekee rakenteellisen vaihtelun tutkimuksesta entistä helpompaa.
