Banaanikärpäsen nykyinen tutkimus

Banaanikärpäsen nykyistä tutkimusta tehdään lähes kaikilla biologian ja lääketieteen osa-alueilla. Nykyään banaanikärpänen onkin yksi yleisimmin biologiassa käytetyistä malliorganismeista, jota käytetään sadoissa laboratorioissa ja josta on eristetty kasvatuksiin tuhansia genotyypiltään erilaisia mutanttikantoja. Myös lajin koko genomin emäsjärjestys on selvitetty jo vuonna 2000, vuotta ennen ihmisen genomia. Erityisesti banaanikärpäsiä käytetään geneettisissä ja fysiologisissa tutkimuksissa, sekä lääketieteessä erilaisten sairauksien tautimallina. Koska ihmisen ja banaanikärpäsen geenitoimintojen on havaittu olevan pohjimmiltaan melko samanlaisia, voidaan kärpäsellä saatuja tuloksia soveltaa usein myös ihmisellä.

Banaanikärpästutkimuksen edut nykytutkimuksessa

Pelkkä sattuma tai tutkimuksen pitkä historia eivät ole syynä banaanikärpäsen suosioon tutkimuskohteena tai sen valintaan tutkimuksen malliorganismiksi. Banaanikärpäsen käyttöön ovat koko tutkimuksen historian ajan vaikuttaneet useat seikat, kuten:

• Lajin kasvattamisen helppous, nopeus ja halpuus
• Pieni kromosomisto
• Geneettisen rekombinaation puuttuminen koirailta
• Useita mutaatiokantoja, uusien mutaatioiden tuottaminen helppoa

Nykyistä tutkimusta ovat sen lisäksi edistäneet huomattavasti:

• Olemassa olevan tutkimuksen valtava määrä
• Tutkijayhteisön ylläpitämät kantakeskukset ja mahdollisuus tilata lähes kaikkia mutanttikantoja
• Suuri määrä käytettävissä olevia geenimuuntelutekniikoita
• Sekvensoitu genomi
• Genomin samankaltaisuus ihmisen ja muiden selkärankaisten kanssa

Erityisesti kärpästen kasvattamisen helppous, edullinen hinta, nopeus ja pitkä tutkimusperinne ovat tehneet banaanikärpäsestä suositun tutkimuskohteen. Samoin monipuolinen kokeellinen tutkimus on banaanikärpäsellä luonnollisesti huomattavasti helpompaa kuin esimerkiksi ihmisellä, joka puoltaa sen käyttöä varsinkin ihmisten sairauksien tutkimisessa. Nykyään monien uusien geenimuuntelutekniikoiden kehitys, kuten siirto- ja poistogeenisten yksilöiden tuottaminen tai kohdennettu mutageneesi on mahdollistanut geenien toiminnan ja säätelyn entistä yksityiskohtaisemman selvittämisen. Lyhyen sukupolvenkierron vuoksi kokeiden tulokset ovat myös nopeasti nähtävissä. Tämän lisäksi jo olemassa olevan tiedon ja tutkimuksen valtava määrä jouduttaa uuttakin tutkimusta. Internetin kehityksen myötä alan tutkijat ovat myös verkostoituneet entistä voimakkaammin. Kärpästutkijat ovat tosin kautta historian muodostaneet poikkeuksellisen tiiviin yhteisön, jonka sisällä tiedon kulku ja esimerkiksi erilaisten kantojen vaihto on perinteisesti ollut hyvin vapaata.

Tutkimusmenetelmiä

Käytännössä kaikkia modernin molekyylibiologian tutkimusmenetelmiä sovelletaan banaanikärpäseen. Esimerkkejä menetelmistä ovat muun muassa:

• Tehokkaat mutaatiokartoitusmenetelmät, jotka perustuvat esimerkiksi SNP-markkereihin tai mikrosatelliitteihin
• Muiden organismien kanssa homologisten geenien "poisto" (engl. gene knockout) ja muokkaus.
• Geenien hiljentäminen RNAi-teknologialla
• Erilaistumattomien solulinjojen ylläpito sekä niiden indusointi ja tutkimus
• Geenien ekspressiotutkimus, erityisesti ekspression paikantamistutkimus
  • DNA-mikrosirujen (engl. DNA microarray) käyttö
  • Funktionaalinen genomiikka
• Transgeenisten kärpästen tuotto
  • Geenit, jotka voidaan kytkeä "päälle" tai pois tietyissä kehitysvaiheissa tai kudoksissa
  • Geenien vuorovaikutusten tutkiminen FLP/FRT-menetelmällä
• Erilaisten geenikirjastojen ja tietokantojen käyttö: mm. geenien transposonimutantit, cDNA-kirjastot, geeniekspressio- ja polymofismitietokannat
  • FlyBase, erittäin kattava tietopankki ja portaali muiden tietopankkien resursseihin

Klassisessa banaanikärpäsgenetiikassa genomiin on perinteisesti aiheutettu sattumanvaraisia mutaatioita. Tutkimalla suuria määrä mutantteja kärpäsiä voidaan niiden joukosta tunnistaa esimerkiksi haluttu sairauden fenotyyppi. Tämän jälkeen fenotyypin aiheuttava mutaatio on mahdollista, vaikkakin erittäin työlästä paikantaa. Muun muassa edellä mainitut muokkausmenetelmät yhdessä genomin tunnetun sekvenssin kanssa mahdollistavat myös monet huomattavasti vähemmän työläät lähestymistavat biologisten prosessien selvittämiseksi.

Koska koko banaanikärpäsen genomin sekvenssi tunnetaan, voidaan eri ominaisuuksien tunnistamisessa käyttää myös usein vähemmän työlästä käänteistä lähestymistapaa (engl. reverse genetics). Koska useiden geenien toiminta myös muissa organismeissa tunnetaan, voidaan kärpäseltä etsiä mahdollinen vastaava homologinen geeni ja aiheuttaa siinä mutaatioita. Jos homologista geeniä ei kärpäsellä ole, kehittyneet siirtogeenimenetelmät mahdollistavat esimerkiksi ihmisgeenin siirron kärpäseen. Usein käytetty tapa on nk. UAS-GAL4-geenisiirto, joka mahdollistaa banaanikärpäsen oman tai täysin vieraan lajin geenin ekspression kudoksissa, joissa sen tuotetta ei normaalisti synny.

Tautimallinnuksessa banaanikärpäsellä tehdään myös nk. geneettisiä seulontatutkimuksia, joiden menetelmän kehittämisestä Christiane Nüsslein-Volhard ja Eric Wieschaus saivat Nobelin lääketieteen palkinnon vuonna 1995. Seulontatutkimuksissa aiheutetaan sattumanvaraisia mutaatioita taudin oireita ilmentävän kärpäsen genomiin. Eristämällä yksilöt, joilla taudin ilmiasussa tapahtuu muutos voidaan löytää sairauden syntyyn vaikuttavia muita mutaatioita ja uusia geenejä. Menetelmällä onkin onnistu löytämään useita ennen tuntemattomia ihmisen tautigeenejä. Vastaavankaltaista menetelmää voidaan toki käyttää yleisesti minkä tahansa biologisen prosessin osatekijöihin vaikuttavien geenien paikantamiseen. Muita varsinkin lääketutkimuksessa käytettyjä menetelmiä ovat ehdokasgeenianalyysit ja lääkeaineiden seulontatutkimukset, jotka osaltaan perustuvat mahdollisuuteen kasvattaa ja valikoida suuria määriä kärpäsiä yksinkertaisesti ja edullisesti.

Nykyinen Drosophila-tutkimus onkin auttanut selvittämään monien biologisten prosessien taustalla piileviä tekijöitä. Esimerkiksi syövän, hermostorappeumasairauksien, käyttäytymisen, immuniteetin, vanhenemisen, monitekijäisen periytymisen ja alkionkehityksen vaiheita on tutkittu runsaasti banaanikärpäsellä.. Erityisesti ihmisten tautien tutkimuksessa banaanikärpänen on osoittautunut merkittäväksi koe-eläimeksi. Evoluution kuluessa samat molekulaariset yksiköt ja geenit, joita käytetään esimerkiksi soluviestintään ja organogeneesiin, ovat valikoituneet samaan käyttöön myös korkeammilla eliöillä kuten ihmisellä.

Banaanikärpänen ihmisten sairauksien tutkimuksessa

Tautimallinnus banaanikärpäsessä on kehittynyt nopeasti merkittäväksi ihmisen sairauksien syntymekanismien selvityskeinoksi. Muun muassa useisiin hermostorappeumiin eli neurodegeneratiivisiin sairauksiin on kehitetty geneettinen kärpäsmalli, jossa toistuvat tautien keskeiset piirteet. Yhä useampien geneettiset säätelyjärjestelmien ja biokemiallisten mekanismien onkin havaittu olevan samankaltaisia ihmisen ja banaanikärpäsen välillä. Tämä evolutiivinen samankaltaisuus mahdollistaa mm. edellä mainittujen ihmisellä käyttökelvottomien genomin muokkausmenetelmien käytön tautitutkimuksissa ilman eettisiä ongelmia.

Esimerkiksi muistin mekanismien selvittämisessä banaanikärpänen on osoittautunut oivalliseksi tutkimuskohteeksi. Kärpästen hermosto, varsinkin aistitoimintoihin ja liikkumiseen liittyviltä osiltaan, on kärpäsillä hyvin kehittynyt. Banaanikärpäsen on osoitettu pystyvän oppimaan monenlaisia asioita, kuten erilaisia käyttäytymismalleja. Banaanikärpäseltä onkin onnistuttu löytämään useita tärkeitä oppimiseen ja muistiin vaikuttavia geenejä. Niiden selvittämiseen on käytetty useita erilaisia menetelmiä, kuten esimerkiksi geenien hiljentämistä ja DNA-mikrosirutekniikkaa.

Banaanikärpäsiä on myös jo kauan käytetty muussakin neurotieteiden tutkimuksessa. Viime aikoina kehitetyt useat hermostorappeumasairauksien tautimallit ilmentävät esimerkiksi ihmisen tautigeenejä kärpäsen hermostossa. Vaihtoehtoisesti poistogeenisillä yksilöillä joitakin kärpäsen vastingeenejä on muokattu tai hiljennetty ihmisen kaltaisen taudinkuvan aikaansaamiseksi. Myös lisäämällä kärpäsen genomiin ihmisen geenejä, joilla ei ole vastinetta kärpäsessä, on siirtogeenisillä yksilöillä saatu esiin ihmistautien piirteitä. Esimerkkejä banaanikärpäsillä tutkituista ihmisen hermostosairauksista ovat mm. Parkinsonin tauti ja erilaiset polyglutamiinitaudit, kuten Huntingtonin tauti. Kärpästen hermoston yksinkertaisuus kuitenkin asettaa näille tutkimuksille monia rajoituksia.

Banaanikärpäsellä tehdyissä Pavlovilaisissa käyttäytymiskokeissa puolestaan tietyt tuoksut sähköshokkiin yhdistämällä on pystytty eristämään oppimisvaikeuksellisia kärpäskantoja. Näistä eristetyt mutatoituneet geenit (esimerkiksi dunce, rutabaga ja amnesiac) ovat osoittautuneet tärkeiksi muistin kehityksessä. Tuoreet tutkimukset ovat myös paljastaneet banaanikärpäsen pitkäaikaiseen muistiin vaikuttavia geenejä. Eräiden tutkijoiden mukaan banaanikärpäsen muisti- ja oppimistutkimuksessa ollaankin lähitulevaisuudessa pääsemässä vaiheeseen, jossa voidaan siirtyä yksittäisten geenien tutkimisesta jopa koko muistin kehityksen vuorovaikutusverkoston tutkimukseen.

Muisti- ja hermostotutkimuksen lisäksi myös alkoholin vaikutusten ja alkoholismin tutkimuksessa banaanikärpästä on käytetty erittäin paljon. Banaanikärpästen ja nisäkkäiden alkoholivaste on erittäin samankaltainen: esimerkiksi kärpästen liikkeiden kontrolli heikkenee jo pienen alkoholialtistuksen vaikutuksesta ja annosta lisättäessä ne menettävät liikuntakykynsä täysin. Pitkäaikaisessa altistuksessa kärpäsille kehittyy myös toleranssia alkoholia vastaan. Alkoholinsietokyvyltään erilaisten kärpäskantojen geneettinen tutkimus onkin paljastanut useita alkoholiherkkyyteen vaikuttavia geenejä, joille on löydettävissä vastingeenit myös ihmisestä. Siten kärpäsellä tehtävä tutkimus voi paljastaa yksityiskohtia myös ihmisten alkoholismin perinnöllisyydestä.

Aiheesta muualla

• FlyBase – Kattava tietopankki banaanikärpäsen ja sen sukulaislajien tutkimuksesta, genetiikasta ja molekyylibiologiasta (englanniksi)
• The WWW Virtual Library: Drosophila – Portaali erilaisiin verkossa oleviin banaanikärpässivustoihin (englanniksi)