Tagasivaade: 2023. aasta geeniteaduses
Sisukord
Eessõna
Ühtse genoomika instituudina oleme Eestis nüüdseks vedanud geeniteadust kuus aastat. Kuigi instituut ise on veel üsna noor, siis nii Eesti biokeskuse kui ka Eesti geenivaramu – või veelgi tähtsam – meie inimeste kogemuste pagas on aastakümnete pikkune. 2023. aasta jooksul ladusime tugevale vundamendile järgmise kihi, millest silmapaistvamad teod toome esile järgnevas ülevaates.
Genoomika instituudi teadlased on maailma mastaabis endiselt esirinnas. Kinnitust võib sellele leida nii erinevatest edetabelitest, mainekates teadusajakirjades avaldatud publikatsioonidest kui ka uuenduslike teadus- ja arendusprojektide läbiviimiseks pälvitud uurimistoetustest. Vähem tähtis pole ka tipptasemel tehnoloogia – tänavu soetas meie tuumiklabor Illumina NextSeq 2000 sekvenaatori, mis võimaldab teha veelgi täpsemaid sekveneerimiskatseid.
Meie kohus on panustada ka teaduse rakendamisse. Kuigi personaalmeditsiini lahenduste tervishoiusüsteemi jõudmine kulgeb loodetust aeglasemalt, on tänavu sellele eesmärgile lähemale jõutud. Lõpule jõudis Tervise Arengu Instituudi juhitud personaalmeditsiini projekt. Selle käigus panustas ka genoomika instituut riikliku personaalmeditsiini IT-taristu valmimisse ja üle 500 tervishoiutöötaja koolitamisse.
Sellegipoolest ei ole teekond personaalmeditsiini suunas veel lõppenud. Ühena järgmistest sammudest lööme kaasa personaalmeditsiini teadus- ja arenduskeskuse loomisesse, mis võimaldaks tihedamat koostööd eri teadusalade vahel alates kliinilisest meditsiinist ja rahvatervishoiust kuni sotsiaal- ning andmeteadusteni, et uurida personaalmeditsiini rakendamise kõiki etappe.
Lõpuks ei ole me unustanud ka geenivaramu geenidoonoreid, kes on andnud hindamatu väärtusega panuse geeniteaduse arengusse. Kõikide geenidoonorite andmed on läbinud esmase genotüpiseerimisanalüüsi ja nende andmete põhjal tehtud uuringutest on praeguseks ainuüksi Eesti geenivaramu teaduskeskuse teadlased avaldanud üle 830 teadusartikli rahvusvahelistes eelretsenseeritud teadusajakirjades. Lisaks pingutame kõvasti, et saaksime hakata geenidoonoritele veebiportaali kaudu järk-järgult jagama esimesi personaalseid tulemusi ning loodame väga, et saame selle portaali käima lükata juba tuleva aasta alguses.
Sisukat lugemist!
– TÜ genoomika instituudi direktor professor Mait Metspalu
2023. aasta numbrites
Punumas käivad nii genoomika instituudi töötajad kui ka meie naabrid molekulaar- ja rakubioloogia instituudist, aga ka Tartusse tulnud ukrainlased ning teised vabatahtlikud. Kõik on oodatud siia punuma – see annab ajule töömõtetest puhkust ja ühtlasi saab teha väikese heateo.
Teadustöö rosinad ehk põnevamad teadusartiklid
2023. aastal ilmus 84 teadusartiklit, mis ilmusid genoomika instituudi teadlaste osalusel. Eesti on maailmas geeniteaduse vallas tipptegija – meil on väärtuslik andmekogu geenivaramu näol ning pühendunud ja võimekad teadlased. Edasi anname põgusa ülevaate kõige huvitavamatest avastustest, millest enamik ilmus väga mainekates teadusajakirjades.
Kui pealkiri on sinine, saab sellele klikkida, et lugeda pikemat kajastust.
Beethoveni genoomi uurimine paljastas seni teadmata andmed helilooja terviseprobleemide ja sugulaste kohta
Rahvusvahelisel teadlaste uurimisrühmal õnnestus maailmakuulsa helilooja Ludwig van Beethoveni juuste abil järjestada tema genoom. Uurimuse tulemusel saadi hulganisti uut teavet nii Beethoveni terviseprobleemide kui ka sugulaste kohta. Näiteks tuvastati Beethovenil mitu geneetilist riskitegurit maksahaiguse tekkeks. Samuti leidsid teadlased tõendeid, et hiljemalt mõni kuu enne oma viimast haigust nakatus helilooja B‑hepatiidi viirusega, mis koos alkoholi tarbimisega võis olla tema surmahaiguse peamine põhjus. Uurimuse käigus paljastati, et siiani üks Beethoveni omaks peetud juuksesalk ei pärinenudki heliloojalt, mistõttu ei kehti helilooja kohta ükski varasematest selle salgu analüüsil põhinevast järeldusest. Ühtlasi järeldasid teadlased uurimistöö tulemusena, et tõenäoliselt on Beethoveni isaliinis vähemalt üks abieluvälise isaduse juhtum, mistõttu esineb DNA andmete ja arhiividokumentide kõrvutamisel lahknevus Beethoveni juriidiliste ning bioloogiliste sugulaste vahel.
→ Teadustöö tõestas taas, et DNA uurimine võib aastasadu või isegi -tuhandeid hiljem lükata ümber mineviku kohta seni tõeks peetud fakte.
Geeniinfo aitaks tõsta südamehaiguste ennetusravi tõhusust
Geneetika ei mõjuta ainult haiguste teket, vaid ka seda, kuidas inimene reageerib ravile. Koostöös Soome kolleegidega avaldasid meie teadlased mainekas ajakirjas Nature Medicine mahuka teadustöö tulemused, kus avastasime üle 300 geneetilise variandi, mis on tugevasti seotud südame- ja veresoonkonnahaiguste ennetamiseks kasutatavate ravimite tarvitamisega. Suur osa geenidest oli seotud haigustega, mille ravile autorid keskendusid, kuid 40 avastatud geeni ei olnud varem nende haigustega seotud. Veel leidsime, et geeniandmeid ja ravimi tarvitamise infot arvestavate haiguse polügeensete riskiskooride põhjal oli võimalik prognoosida, kes vajavad intensiivsemat ravi.
Kui praegu määratakse ravi patsiendi kliiniliste näitajate järgi (näiteks suure kolesteroolisisalduse korral), siis selle uuringu tulemused näitavad selgelt, et ravi kohandamiseks võiks arvestada ka geneetilist riskiinfot. Nii oleks võimalik paremini südame- ja veresoonkonnahaiguste väljakujunemist prognoosida ja ennetada.
→ Geneetilise riskiiinfo põhjal patsiendi ravi kohandades oleks südame- ja veresoonkonna haigusi võimalik paremini ennetada ja ravida.
Vana-DNA põhjal kummutati praegused teadmised Euroopa eelajaloo kohta
Kui varem arvati, et Euroopa jääaegsed kultuurid olid küllalt sarnased, siis rahvusvahelise teadusrühma töö, milles osalesid ka genoomika instituudi teadlased, tõestas vastupidist. Uuringus analüüsiti kokku 356 iidset genoomi, mis pärinevad sellest ajast, kui Euroopasse jõudsid esimesed nüüdisinimesed, st umbes 45 000 kuni 8000 aastat tagasi. Ühe osana uurimusest keskenduti Gravetti kultuurile, mida võib pidada esimeseks üleeuroopaliseks kultuuriks. Üllatuslikult selgus, et Hispaania ja Prantsusmaa aladel elanud inimesed erinesid geneetiliselt praeguse Tšehhi Vabariigi ning Itaalia asukatest. Küsimus, miks iidse rahva tööriistad ja elatusviisid piirkonniti mõnevõrra erinesid, vaevas arheolooge aastakümneid ning värske uuring andis selles osas uusi lahendusi. Ühtlasi ilmnes selge geneetiline erinevus jääaja järgsete ida- ja lääneeurooplaste vahel. Eriti huvitav oli avastus, et Saksamaa ja Venemaa muistsed elanikud ei puutunud hoolimata geograafiliste tõkete puudumisest tuhandeid aastaid kokku.
→ Uute tehnoloogiate ja vana DNA uurimise meetodite abil õnnestub nüüd isegi väga halvas seisus ajaloolisest materjalist tuvastada infot, mis võimaldab saada üha selgema pildi inimkonna arengust, migratsioonist ning kultuuride mitmekesisusest.
Generatiivse tehisintellekti tulek genoomikasse
Tehisintellekt on sõna, mis tuli möödunud aasta jooksul ilmselt pea kõigi kõnepruuki. Generatiivne tehisintellekt on aga juba mitme viimase aasta jooksul muutunud genoomika valdkonnas tähtsaks – seda tänu arvutusressursside suurenenud kättesaadavusele ja sügavate generatiivsete mudelite (SGM) arendamisele viimase kümnendi jooksul. Sügavad generatiivsed mudelid suudavad õppida genoomiandmete keerulist struktuuri ning neid saab kasutada mitmesuguste ülesannete jaoks, nagu realistlike kunstlike genoomide loomine, mõõtme vähendamine ja bioloogiliste funktsioonide ennustamine. Hiljuti tutvustasid meie teadlased esimest korda ülevaadet generatiivsest tehisintellektist genoomikas ning lisaks arendati uudseid generatiivseid närvivõrke suuremahuliste genoomiandmete genereerimiseks. Nende mudelite genereeritud kunstlike genoomide potentsiaal seisneb selles, et need võivad toimida privaatsust säilitavate alternatiividena reaalsetele biopankadele ning parandada andmete kättesaadavust teadlastele üle maailma.
→ Generatiivne tehisintellekt võimaldab genoomikas uuenduslikku lähenemist, võimaldades muu hulgas kunstlike genoomide loomist, mis hõlbustab teadlaste ligipääsu mitmekesistele andmetele.
Teadlased tuvastasid uusi aknega seotud geene
Akne on maailmas üks levinumaid nahahaigusi, mida kogeb elu jooksul hinnanguliselt 85% teismelistest ja noortest täiskasvanutest. Enamasti taandub see 20ndate eluaastate keskpaigas, aga mitte alati. On leitud, et 26% naistest ja 12% meestest kogevad akne sümptomeid veel 40ndates eluaastates. Suur osa akne geneetilistest põhjustest oli seni teadmata, kuid meie teadlaste uuring heitis teemale uut valgust. Esmalt viidi läbi ülegenoomne assotsiatsiooniuuring Eesti geenivaramu andmetel, milles võrreldi aknega patsientide rühma ja kontrollrühma. Geenivaramus on üle 30 000 geenidoonori, kellel on akne olnud või kellel on akne praegu. Seejärel uuriti ka Soome ja Hollandi biopankade andmeid. Tulemusena leiti erinevatest kromosoomidest üles 23 piirkonda, kus esines statistiliselt olulisel määral väikseid, vaid ühe geeniinfo ühiku suurusi erinevusi aknega patsientide ja kontrollrühma inimeste vahel.
→ Kuigi tegemist on alusuuringuga, annab see uusi teadmisi akne geneetiliste tagamaade kohta, mis võivad tulevikus aidata arendada tõhusamat akneravi.
Uurimistöö heidab valgust bantu keeli kõnelevate populatsioonide laienemisele Aafrikas
Aafrikas on umbes 350 miljonit inimest, kes räägivad üht või mitut 500st bantu keelest. Seni oli vähe teada bantu keeli kõnelevate populatsioonide demograafilise ajaloo, geneetilise mitmekesisuse ja keeruliste dünaamikate kohta, mis on kujundanud Aafrika mandri keelelist, bioloogilist ning kultuurilist maastikku. Ajakirjas Nature avaldatud uuringus kontrollisid meie teadlased ruumilise geneetilise modelleerimise abil peamisi hüpoteese bantu keeli kõnelevate populatsioonide laienemise kohta üle kogu Aafrika mandri, sealhulgas nende rändeteede, -aja ja populatsioonide vaheliste kontaktide kohta. Töö näitas, et Lääne‑Aafrikast kaugemal kahaneb bantukeelsete populatsioonide geneetiline varieeruvus järk-järgult. Praegune Sambia ja Kongo Demokraatlik Vabariik on osutunud erinevate laienemisteede vahelise suhtluse tähtsateks sõlmpunktideks. Tulemused seavad kahtluse alla varasemad mudelid bantukeelsete populatsioonide laienemise kohta ja rõhutavad vajadust tervikliku erialadevahelise lähenemisviisi järele tulevastes uuringutes, et paremini mõista, kuidas mõjutas rahvaste demograafiline ajalugu nende keelelist arengut.
→ Uuringu mõju on seega kaugeleulatuv, puudutades ajaloolist keeleteadust, antropoloogiat, populatsioonigeneetikat ja biomeditsiini uuringuid, mis keskenduvad Aafrika populatsioonide ning nende järeltulijate geneetilisele mitmekesisusele.
Leiti emakaväliste raseduste geneetiline riskitegur
Emakaväline rasedus on olukord, kui viljastatud munarakk pesastub ja areneb väljaspool emakaõõnt. Kõige sagedamini tekib emakaväline rasedus munajuhas. Tuhandest rasedusest on umbes 20 emakavälised, seega on tegu ühe sagedama varase raseduse tüsistusega. Emakaväline rasedus ei saa normaalselt lõpuni areneda ja võib teatud juhtudel olla ka eluohtlik. Arvatakse, et emakaväline rasedus kujuneb siis, kui embrüo jääb munajuhasse „kinni” ja munajuha mikrokeskkond soosib embrüo pesastumist. Nüüd leidsid teadlased mahukas uuringus esimest korda DNA piirkonna, mis on seotud emakavälise raseduse riskiga. Selles piirkonnas asub geen MUC1. MUC1 kodeerib glükoproteiini, mille arvatav roll munajuhas on takistada embrüo pesastumist. Seega annab uuring väärtuslikku infot embrüo pesastumise mehhanismide kohta.
→ Meie teadlaste juhtimisel korraldatud uuring on järjekordne tõestus sellest, kui väärtuslikud on suured biopangad naiste tervise ja rasedustüsistuste uurimiseks.
Neandertallaste geenipärand võib kaasa tuua Covid-19 raske haiguskulu
Mitu teadlaste rühma üle maailma on tuvastanud, et Covid-19 rasket haiguskulgu põhjustavad muutused DNA 3. kromosoomis. Sellegipoolest oli seni teadmata, missugused konkreetsed geenivariandid suurendavad raskete sümptomite riski ja miks. Juba enne koroonapandeemiat alustasid meie teadlased statistilise analüüsiga, mille käigus võrreldi Eesti geenivaramu geenidoonorite proove neandertallaste genoomijärjestustega, et mõista, millised geenivariandid on evolutsiooni käigus säilinud. Nii jõuti järelduseni, et sellessamas 3. kromosoomis on nüüdisinimene pärinud teatud geenid neandertallastelt. Seejärel uurisid teadlased teemat edasi ja suutsid esimest korda seostada neandertallaste pärandina saadud konkreetseid geenivariante Covid-19 raske haiguskuluga. Kuigi Eesti geenivaramu andmekogus on Euroopa populatsioonis kajastuv neandertallaste päritolu hästi esindatud, ei saa nende andmete põhjal teha järeldusi kogu inimpopulatsiooni kohta.
→ Eesti geenivaramu valdab rikkalikku andmestikku neandertallaste geenipärandi mõju uurimiseks Euroopa nüüdisinimestele.
Depressiooniga inimesed võtavad vererõhuravimeid kehvemini
Epidemioloogilised uuringud näitavad, et depressiooniga patsientidel on teistega võrreldes rohkem südamehaigusi ning ka südamehaigustest tingitud suurem suremus. Südamehaiguste ennetamisel on tähtis hoida kõrge vererõhk kontrolli all ja kasutada vererõhuravimeid arsti juhiste järgi. Meie teadlased uurisid Eesti geenivaramu andmetest, kas depressiooniga inimesed võivad südamehaiguste ennetamiseks järgida vererõhuravimite võtmisel kehvemini arsti antud juhiseid. Leiti, et tõepoolest tarvitavad depressiooniga patsiendid vererõhuravimeid halvemini – nad ostavad ravimiretsepte välja kaootilisemalt ja neil tekivad ravimite tarvitamise vahel pikemad pausid. Viletsamas vererõhuravimite tarvitamises mängivad oma osa ka depressiooniga seotud geenivariandid. Seejärel uurisid teadlased, kas depressiooni ravi antidepressantidega mõjutab patsientide vererõhuravimite kasutamise mustreid. Selgus, et ravi alustamisel antidepressantidega paraneb ka patsientide vererõhuravimite manustamine.
→ Kõrge vererõhuga patsientide seas tasub tähelepanu pöörata ravimata depressioonile, millega tegelemisel võib paraneda ka hüpertensiooniravimite ravisoostumus.
Unikaalsed uuringud
Nagu eelnevast põnevamate teadusartiklite plokist saab lugeda, siis kaalukas osa meie teadustööst viiakse läbi geenivaramu väärtusliku andmestiku abil. Edasi järgneb ülevaade äsja lõppenud või veel käimasolevatest uuringutest, millesse annavad suure panuse just geenidoonorid uuringutes osalejatena.
TÜ kliiniline uuring tuvastas täiesti uued geenivariandid, mis võivad mõjutada ravimite toimet
Ravimid ei mõju kõigile inimestele ühtmoodi: osal tekivad kõrvalmõjud ja teistel ei toimi ravim üldse. Selle kliinilise uuringu eesmärk oli välja selgitada haruldased ja sagedad geneetilised variandid, mis on seotud ravimite toime ning kõrvaltoimete tekkimisega. Perearstil on sellise info abil tulevikus võimalik välja kirjutada igaühele isiklikult sobiv ravim või määrata selle sobiv annus juba enne ravikuuri alustamist.
Uuringusse kaasati Eesti geenivaramust üle saja geenidoonori, kellel hinnati uuringuvisiidi käigus kahe ravimi ja nende lagusaaduste kontsentratsiooni muutust ajas. Mitmel geenidoonoril leiti täiesti puudulik ensüümi aktiivsus – ravimi kontsentratsioon püsis terve päeva jooksul suur.
Uuring on osa projektist „Haruldaste ja sagedaste geenivariantide mõju ravimite kõrvaltoimetele”, mille vastutav täitja on TÜ farmakogeneetika professor Lili Milani.
Eesti inimarengu aruanne
Selle aasta alguses avaldati Eesti inimarengu aruanne 2023 „Vaimne tervis ja heaolu”, mille valmimisse panustasid genoomika instituudi kaasprofessor Kelli Lehto ja teadur Kadri Kõiv, kaasates muu hulgas geenidoonorite seas 2021. aasta kevadel läbi viidud heaolu ning vaimse tervise uuringus kogutud andmed. Meie põhisõnum oli selge: vaimse tervise probleemid on kogu rahvastikus väga levinud ja paljud inimesed ei jõua abi saamiseks meditsiinisüsteemi. Samuti näitasime geenivaramu andmetel ka geneetilise eelsoodumuse tähtsat osa depressiooni avaldumisel.
Eesti inimarengu aruanne valmis kahe aasta jooksul ja sellesse panustas kokku üle 70 tunnustatud teadlase. Tutvu sellega Eesti Koostöö Kogu veebilehel.
Uuringust „Geeniandmed ja tervisekäitumine” selgub, kuidas võiks kasutada geeniinfot südamehaiguste ennetamisel
Tegemist on teadaolevalt suurima omataolise uuringuga Euroopas, kus osaleb 1500 geenidoonorit vanuses 25–55 eluaastat. Uuringus hinnatakse, kuidas mõjub südame isheemiatõve suurest geneetilisest riskist teadasaamine noore inimese terviseriskidele ja tervisekäitumisele. Selline uuring on tähtis viiside leidmiseks, kuidas saaks tulevikus kasutada inimese geeniinfot südame- ja veresoonkonnahaiguste (nt südame isheemiatõbi, ajuinfarkt) vältimiseks.
Arvestatav töö lasub selle uuringu korraldamisel Eesti perearstidel, kes nõustavad ja motiveerivad patsiente ning alustavad vajaduse korral ka kõrget vererõhku langetavat ja kolesteroolisisaldust vähendavat ravi. Uuring lõpeb 2024. aastal ning saadud tulemusi ja teadmisi kasutatakse Eesti tervishoiusüsteemis personaalmeditsiini rakendamisel.
Uuring on osa rahvusvahelisest projektist INTERVENE, mille vastutav täitja on TÜ bioinformaatika professor Reedik Mägi.
Tartlaste abiga uuritakse, milline on valguse mõju inimeste tervisele ja heaolule
Valgus mõjutab inimeste igapäevast heaolu rohkem, kui seni on arvatud. Tartu Ülikooli ja Tartu linna koostöös viiakse läbi uuringut valguse mõjust vanemaealiste inimeste tervisele ning heaolule. Need teadmised aitavad tulevikus nii Tartus, teistes Eesti paikades kui ka maailma linnades planeerida arukamalt tervisele sobivamat ja kestlikumat linnavalgustust.
Uuringusse kaasatakse Tartust kuni 500 üle 65-aastast inimest ja kuni 2024. aasta veebruari keskpaigani on võimalik veel uuringus osalemiseks soovi avaldada. Uuritavad jagatakse kahte rühma, kusjuures ühele rühmale luuakse uued, bioloogiliselt sobivamad valgustingimused, samal ajal kui teine rühm jätkab elamist harjumuspärastes tingimustes.
Rohkem teavet osalemise kohta loe uuringu veebilehelt.
Uuring on osa Euroopa teadusprojektist ENLIGHTENme, mille vastutav täitja on TÜ genoomika-metaboloomika kaasprofessor Toomas Haller.
Geenidoonorid saavad osaleda diabeediuuringus
Diabeet on kujunenud üleilmseks pandeemiaks, mis mõjutab enam kui 420 miljonit inimest. Eesti Diabeediliidu andmetel on haigus diagnoositud Eestis umbes 70 000 inimesel, kellest enamik põeb haiguse levinumat vormi ehk teist tüüpi diabeeti, mida rahvakeeli kutsutakse vanema ea suhkruhaiguseks. Samas on vastamata veel väga paljud diabeeti puudutavad küsimused. Näiteks ei osata veel täpselt ennustada, kellel võib elu jooksul diabeet tekkida ja miks mõnel inimesel ilmnevad haiguse tüsistused varem kui teistel.
Neile küsimustele vastuste leidmiseks viime geenidoonorite seas läbi uuringut, et leida võimalusi, mis aitaksid parandada tervishoius teist tüüpi diabeedi käsitlust. Eelkõige keskendume teist tüüpi diabeedi kujunemise ja sellega kaasuvate haiguste riski uurimisele, et jälgida tulevikus haigust paremini ja ennetada tüsistuste tekkimist. Uuringusse kutsutakse e‑kirja teel osalema üle 40-aastaseid geenidoonoreid olenemata sellest, kas neil on diabeet või mitte.
Uuring on osa suurest rahvusvahelisest projektist OPTOMICS, mille vastutav täitja on TÜ bioinformaatika professor Reedik Mägi.
