Geenien hiljaisilla mutaatioilla on suuri vaikutus soluissa tapahtuvaan proteiinintuottoon (Väitös: FM Antti Kulmala, 15.5.2020, biotekniikka)
FM Antti Kulmala tutki väitöstyössään hiljaisten mutaatioiden vaikutusta kahden laajasti käytetyn sitojaproteiinityypin tuottoon Escherichia coli -bakteerissa. Kulmalan väitöstutkimuksessa havaittiin, että hiljaisilla mutaatioilla on mitä moninaisimpia vaikutuksia proteiinituottoon ja tuottoisännän elinkykyyn.
Hiljaisilla mutaatioilla viitataan proteiinia koodaavan geenin muutoksiin, jotka eivät aiheuta muutoksia proteiinin aminohappokoostumuksessa. Hiljaiset mutaatiot geenissä ovat mahdollisia, koska geneettinen koodi on runsas, eli yhtä aminohappoa voidaan koodata useammalla kodonilla, metioniinia ja tryptofaania lukuun ottamatta. Hiljaisessa mutaatiossa tiettyä aminohappoa koodaava kodoni siis vaihtuu toiseen samaa aminohappoa koodaavaan kodoniin.
Hiljaisten mutaatioiden ajateltiin pitkään olevan merkityksettömiä proteiinien toiminnan kannalta, mutta viime vuosina on havaittu, että niillä on varsin kokonaisvaltainen vaikutus proteiinien ja myös solun toimintaan.
– Nykyisin tiedetään, että proteiinia koodaavan geenin DNA:n emäsjärjestys ei sisällä informaatiota ainoastaan proteiinin aminohappojärjestyksestä, vaan se toimii myös eräänlaisena proteiinisynteesin säätelyelementtinä. Hiljaiset mutaatiot saattavat häiritä tätä säätelyä ja vaikuttaa esimerkiksi proteiinin laskostumiseen, joka on olennaisen tärkeää proteiinin toiminnan kannalta, Kulmala kertoo.
Kulmala halusi ulottaa ilmiön tutkimisen myös geenitekniikalla muokattuihin vasta-aineisiin – niin kutsuttuihin rekombinanttivasta-aineisiin – joita käytetään runsaasti erilaisissa sovelluksissa aina perustutkimuksesta diagnostisiin ja lääkinnällisiin sovelluksiin. Jo projektin ensi metreillä havaittiin, että rekombinanttivasta-aineen geeniin tehdyillä hiljaisilla muutoksilla voi olla dramaattinen vaikutus.
Tietynlaiset hiljaiset mutaatiot rekombinanttivasta-aineen geenissä tappoivat isäntäsoluna käytetyn Escherichia coli -bakteerin, joka on suosittu isäntä rekombinanttivasta-aineiden tuotannossa. Toisenlaiset hiljaiset mutaatiot taas palauttivat isäntäsolun elinkyvyn sekä kyvyn tuottaa rekombinanttivasta-ainetta varsin korkeina pitoisuuksina. Vaikutukset olivat siis hyvin merkittäviä.
Toinen merkittävä havainto oli se, että hiljaisten mutaatioiden vaikutus vaihteli soluissa olevasta antibioottiresistenssigeenistä riippuen.
– Tällaista havaintoa ei ole aiemmin raportoitu. Havainto on sikäli tärkeä, että erilaisia antibiootteja käytetään tavallisesti bakteerisoluissa tapahtuvassa proteiinituotossa.
Hiljaiset mutaatiot ovat olennaisia erilaisten sitojaproteiinien tuotossa
Toinen merkittävä tulos liittyi hiljaisia mutaatioita sisältävän signaalipeptidikirjaston luomiseen. Rekombinanttivasta-aineeseen liitettyä signaalipeptidiä tarvitaan kuljettamaan rekombinanttivasta-aine bakteerisolun sisällä niin kutsuttuun periplasmiseen tilaan. Kuljetus bakteerisolun periplasmiseen tilaan on olennaisen tärkeää rekombinanttivasta-aineen toiminnan kannalta.
Signaalipeptidin hiljaisilla mutaatioilla oli suuri merkitys myös rekombinanttivasta-aineen kuljetuksessa bakteerisolun periplasmiseen tilaan. Tämän lisäksi merkittävää oli, että hiljaisia mutaatioita sisältävä signaalipeptidikirjasto mahdollisti erilaisten rekombinanttivasta-aineiden tuoton parantamisen.
Hiljaisia mutaatioita sisältävän signaalipeptidikirjaston monikäyttöisyyttä tutkittiin lisäksi kloonaamalla täysin erilainen sitojaproteiini, suunniteltu ankyriinitoistoproteiini, signaalipeptidikirjastoon.
– Rekombinanttivasta-aineiden tapaan suunnitellut ankyriinitoistoproteiinit ovat monella tapaa potentiaalisia sitojaproteiineja. Signaalipeptidikirjaston avulla onnistuttiin parantamaan merkittävästi suunnitellun ankyriinitoistoproteiinin kuljetusta periplasmiseen tilaan, ja näin lisäämään proteiinin ilmentymistä bakteeriviruksen, faagin, pinnalla.
Proteiinien ilmentämistä faagin pinnalla kutsutaan faaginäyttötekiikaksi, ja sitä käytetään runsaasti proteiinien suunnatussa evoluutiossa. Aiemmin suunniteltujen ankyriinitoistoproteiinien faaginäyttö on ollut hankalaa.
***
FM Antti Kulmala esittää väitöskirjansa ” Unveiling the secrets of DNA: Improved expression and phage display efficiency of synthetic recombinant binding proteins in E. coli through modulation of codon usage” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 15.5.2020 klo 12.00.
Turun yliopiston väitöstilaisuuksia ei koronavirustilanteen vuoksi järjestetä yleisötilaisuuksina. Väittelijä, vastaväittäjä ja kustos ovat vähintään ääniyhteydessä. Yleisön on mahdollista seurata väitöstä etäyhteyden kautta: https://utu.zoom.us/j/65614798921
Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Vesa Hytönen (Tampereen yliopisto) ja kustoksena apulaisprofessori Urpo Lamminmäki (Turun yliopisto). Tilaisuus on suomenkielinen. Väitöksen alana on biotekniikka.
Väitöskirjan lukukappale on yliopiston Natura-rakennuksen infopisteessä (kulku Vesilinnantien puoleisen ulko-oven kautta: Vesilinnantie 3, 20500 Turku), josta sitä voi pyytää puhelimitse (numero ulko-ovessa) arkisin klo 9–15 päivystävältä henkilökunnalta paikan päällä tutustuttavaksi.
Turun yliopisto seuraa aktiivisesti koronavirustilannetta ja viranomaisten ohjeita. Yliopisto päivittää ohjeitaan tilanteen mukaan. Ohjeet ja linkit löytyvät osoitteesta: utu.fi/koronavirus
Väittelijän yhteystiedot: +358 29 450 4590, anjkul@utu.fi
> Väittelijän kuva
