Mudelorganism

Allikas: Vikipeedia

Mudelorganism on organism, mida kasutatakse bioloogiliste protsesside uurimisel. Mudelorganismid kasvavad kiiresti, nendega on lihtne ja odav töötada ning nad on laialdaselt kättesaadavad. Aastakümnetepikkuse uurimisega on nende kohta kogunenud väga palju teavet, mistõttu on kindlate mudelorganismidega töötamine veelgi kasulikum[1].[2]

Tänu kõikide elusorganismide ühisele põlvnemisele, metaboolsetele ja arengulistele radadele ning geneetilise materjali säilimisele evolutsiooni käigus saab mudelorganismidel tehtud avastusi üldistada teistegi, raskemini uuritavate organismide kohta[3]. Mudelorganisme kasutatakse laialdaselt haiguste uuringutes, kui inimkatsed oleksid liiga keerulised või ebaeetilised[3]. Siiski tuleb saadud teabe üldistamisel ühelt liigilt teisele olla ettevaatlik[4]

Mudelorganismide tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varbuss on väga levinud mudelorganism molekulaarbioloogias, sest tema keharakkude arv on determineeritud ning rakud on läbipaistvad. Tema genoomiga on lihtne manipuleerida, võimaldades visualiseerida kindlaid rakutüüpe ja rakustruktuure. Sellel fotol on metsiktüüpi ussiliini N2 värvitud Oil-Red-O-ga, mis toob esile triglütseriidide varud. Näha on tüüpilised rasvadepood gonaadis, munades ja hüpodermises.

Mudelorganismid võib üldistatult jagada kolme gruppi.

Geneetilised mudelorganismid on liigid, millega on lihtne geneetiliselt manipuleerida. Nende eeliseks on arvukas järglaskond ja lühike generatsiooniaeg, nii et korraldada saab ulatuslikke ristamisi üle mitme põlvkonna. Tavaliselt on ühest liigist olemas mitut sorti mutante, mis on detailselt geneetiliselt kaardistatud. Sellised organismid on näiteks pagaripärm (Saccharomyces cerevisiae), puuviljakärbes ja varbuss.[1]

Eksperimentaalsed mudelorganismid ei pea olema tingimata geneetiliselt lihtsalt manipuleeritavad. Näiteks kodukanal ja suurel kannuskonnal (Xenopus laevis) on selles osas puudusi, kuid see-eest on neil robustsed embrüod, millega on kerge manipuleerida ja mida on lihtne uurida. Arengubioloogias kasutataksegi neid liike laialdaselt mudelorganismidena. [1]

Genoomsete mudelorganismide uurimine on oluline sellepärast, et nad on huvipakkuvas positsioonis fülogeneesipuus või nende genoomis on mingi vajalik omadus. Näiteks kerakalal (Fugu rubripes) on inimesele suuruselt sarnane geenide kogum, kuid palju väiksem genoom (400 miljonit aluspaari inimese 3 miljardi asemel). Genoomide suuruse erinevus tuleneb peamiselt inimese genoomi mittefunktsionaalsete geenide suuremast hulgast: kordustest, pikematest DNA lõikudest geenide vahel ja suurematest intronitest. [1]

Mudelorganismid ja inimene[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mudelorganisme kasutatakse laialdaselt inimese haiguste uuringuteks. Selleks, et neid ravida ja ennetada, on vaja inimese bioloogiat palju paremini tunda. Lisaks võib ühe haiguse kulg inimesel võtta mitu tosinat aastat, lihtsamate mudelorganismidega saab aga haigusi jäljendada ja teadlased saavad neid palju kiiremini uurida. Neidsamu tõvesid inimeses uurida oleks mõnikord pea võimatult keeruline või väga tihti ebaeetiline. [2]

Üle 60% inimhaigusi põhjustavaid geenidest, mis tänapäevaks on kindlaks määratud, on vaste nii kärbse kui ka ussi geenides, paljastades umbes 1500 geeniperekonnast koosneva tuumiku, mis on olemas kõikides loomades[1]. Kui teadlased avastavad mingi kindla geeni seotuse kindla haigusega, siis üks esimesi reaktsioone on uurida välja, mis on selle geeni funktsioon mudelorganismis. See teadmine võib anda tähtsaid vihjeid, mõistmaks haiguse põhjuseid ja arendamaks ravivõimalusi[2].

Puuviljakärbeste ja mesilaste uurimine annab teavet geenide ja keskkonna mõjust käitumisele. [2]

Uuringud puuviljakärbeste, leivahallituse ja hiirtega on aidanud defineerida peamisi seaduspärasusi, mis on seotud bioloogilise kella või tsirkadiaansete rütmidega, mis valitsevad une ja teisete oluliste keha funktsioonide üle. [2]

Pärmide uurimisel on saadud selgust sündmuste järjekorrast rakutsüklis, mille jooksul rakk kahekordistab oma sisaldisi ja jaguneb kaheks. Need teadmised on aidanud miljoneid inimesi, kuna paljud vähiravil kasutatavad ravimid töötavad rakutsükli häirimise põhimõttel. [2]

Katsetest pärmiga on selgunud ka, kuidas geene sisse ja välja lülitatakse. See teadmine aitab mõista, kuidas saavad rakud, mis sisaldavad samu geene, üksteisest nii palju erineda. Nii on omakorda võimalik mõista nii normaalseid arenguprotsesse kui ka haigusi, mis ilmnevad, kui geeni aktiivsuses esineb häireid. [2]

Arvutimudelid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvuteid saab rakendada virtuaallaboritena, kus teadlased saavad teostada eksperimente, mis päriselus oleksid väga keerulised. Näiteks saab arvuti simuleeritud keskkonnas luua määratud omadustega viiruse asurkonna, jälgida selle arengut ning seeläbi analüüsida ja ennustada nakkushaiguste levikut.

Kuna sellised mudelid on keerulised, on nende genereerimiseks vaja kõrgjõudlusklastreid. Tihti töötavad need arvutid nädalaid, et genereerida miljoneid tulemusi.

Mitte ükski tulemuste kogum ega mudel ei anna absoluutse kindlusega õigeid tulemusi, seetõttu peavad teadlased samu probleeme testima erinevate mudelitega. Mida rohkem sarnaseid tulemusi saadakse, seda kindlamalt võib ennustustesse suhtuda.

Virtuaalsete mudelitega pole aga võimalik loomkatseid täielikult asendada, kuna arvutimudelid koostatakse nende teadmiste põhjal, mis on juba olemas. Pigem on tegu väärtuslike tööriistadega, mille abil teadlased saavad katsetada ideesid, mida edaspidi päris organismides testida. Kaks erinevat mudelit toetavad teineteist, et täiustada meie teadmisi bioloogilistest protsessidest.[2]

Tähtsamad mudelorganismid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viirused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Prokarüoodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eukarüoodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Protistid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Seened[muuda | redigeeri lähteteksti]

Schizosaccharomyces pombe rakk duplitseeritud tsentrosoomiga. Pilt on tehtud Tartu Ülikoolis läbivkiirguse elektronmikroskoobi abil.

Taimed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fluorestseeruvate värvidega töödeldud müürlooga õis: emakasuue, kroonlehed, tolmuterad. Pilt: Heiti Paves, TTÜ.

Harilik müürlook (Arabidopsis thaliana) on tänapäeval kõige populaarsem taimne mudelorganism. Müürlook on lähedalt sugulane sinepitaimega. Tänu väikesele kasvule ja lühikesele generatsiooniajale on kaardistatud palju fenotüüpe ja biokeemilisi mutante. Harilik müürlook oli esimene taim, mille kogu genoom sekveneeriti (avaldati 2000. aastal). Isetolmlemine teeb müürlooga iseäranis heaks mudelorganismiks: järglased (seemned) tulevad kõrvalise abita ja taimeliinide omavahelist ristumist on lihtne ära hoida. Müürlooka kasutatakse taimefüsioloogia, arengubioloogia, molekulaargeneetika, populatsioonigeneetika, tsütoloogia ja molekulaarbioloogia uurimustes.[15]

Selaginella moellendorffii on jäänuk evolutsiooniliselt vanast soontaimede liinist ja võtmeelement maismaataimede fülogeneesi mõistmisel.

Brachypodium distachyon on aruluste perekonda kuuluv hea mudel parasvöötme teraviljade uurimiseks.

Lotus japonicus on liblikõieliste taimede mudelorganism, mille abil uuritakse lämmastiku fikseerimise eest vastutavat sünteesi.

Küürlemmel (Lemna gibba) on üheiduleheline veetaim, üks väikseimaid õistaimi. Ökotoksikoloogias kasutatakse lemle kasvu-uuringuid, hindamaks kemikaalide toksilisust taimedele. Kuna taime saab kasvatada puhaskultuurina, saab arvata välja mikroobsed tegurid. Lemlet kasutatakse rekombinandina geeniekspressiooni uurimisel biokompleksravimite majanduslikuks tootmiseks. Ta on ka hea näide asurkonna suuruse kasvukõverate koostamiseks. [16]

Maisi (Zea mays) 10 suurt kromosoomipaari on mikroskoobi all väga hästi uuritavad. Geneetilised omadused, sealhulgas teadaolevad ja kaardistatud fenotüübilised mutandid ning suur järglaste arv ristamisel aitasid avastada transponeeruvad elemendid. Kaardistatud on DNA markereid ja ka genoomi järjestus on määratud. Mais on oluline mudelorganism geneetikas, molekulaarbioloogias ja agronoomias.[17]

Medicago truncatula on liblikõieliste mudelorganism, mis on lähedalt suguluses hariliku lutserniga. Seda kasutatakse lämmastiku sidumise eest vastutava sümbioosi uurimiseks.

Pärdiklill (Mimulus) on mudelorganism evolutsioonilistes ja funktsionaalsetes genoomiuuringutes. [18]

Tubakat (Nicotiana benthamiana) kasutatakse mudelorganismina taimpatogeenide uuringutes. [19]

Tobacco BY-2 cells on tubaka (Nicotiana tabaccum) rakususpensioon. Seda kasutatakse üldisteks taimefüsioloogiaalasteks uuringuteks rakutasandil.

Riisi (Oryza sativa) kasutatakse mudelorganismina teraviljaliste bioloogias. Tal on üks väikseimaid genoome teraviljaliikide seas ja see on ka sekveneeritud.

Physcomitrella patens on sammaltaim, mida kasutatakse üha enam taimede arengu ja molekulaarse evolutsiooni uurimiseks. Siiani on see ainus soonteta taim, mille genoom on täielikult sekveneeritud [20]. Siiani on tegu ka ainsa maismaataimega, mille kohta on leiutatud tõhus geenide väljalülitamise metoodika[21].

Pappel (Populus) on perekond, mida kasutatakse mudelorganismina metsageneetikas ja puittaimede uuringutes. Papli genoom on küllalt väike ja kasv kiire.

Loomad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Levinuimad selgroogsed mudelorganismid on järgmised.

Koera (Canis lupus familiaris) geenide uurimine on koera kauaaegse tõuaretuse tõttu väga kasulik, mõistmaks pärilikke haigusi ja geenide toimimist[29], samuti vananemise geneetikat[30].

Merisiga (Cavia porcellus) oli väga levinud laboriloom 20. sajandi teise pooleni[31]. Neid kasutati vaktsiinide väljatöötamisel ja antikehauuringutes[32]. Tänapäeval merisigu enam nii laialdaselt mudelloomadena ei kasutata[31].

Hamster (Cricetus) ja teised närilised on imetajatest kõige tavalisemad katseloomad. Laialt levinud rakukultuuriks on hiina hamstri munasarja rakud, mille abil toodetakse suures mahus terapeutilisi valke.

Sebrakala (Danio rerio) on varasel arenguperioodil pea läbipaistva kehaga, mis tagab unikaalse visuaalse juurdepääsu looma siseanatoomiale. [33]

Kass (Felis sylvestris catus) on oluline mudelorganism võrdlevas imetajate genoomikas, kuna on obligatoorne karnivoor. [34]. Ka biomeditsiinis on kassid olulised, eriti neuroteadustes, käitumisbioloogias, reproduktiivses psühholoogias ja endokrinoloogias. [35]

Kodukana (Gallus gallus domesticus) kasutatakse arengubioloogilistes uuringutes, kuna ta on amnioot ning väga sobiv mikromanipulatsioonideks ja geeniproduktide üleekspresseerimiseks. Ta on kasulik ka toksikoloogilistes uuringutes tänu ägedale reageeringule keskkonnamürkidele, mille väljendumist saab määrata väliste indikaatoritega: munetud munade arv, koore paksus jne. [36]

Reesusmakaaki (Macaca mulatta) kasutatakse laialdaselt inimese haiguste uurimiseks ja uute ravimite väljatöötamiseks, kuna on nii geneetiliselt, füsioloogiliselt kui ainevahetuslikult inimesele väga sarnane. Ta on oluline ka primaatite evolutsiooni mõistmisel.[37]

Laborihiired Tartu Ülikoolis Biomeedikumis

Koduhiir (Mus musculus) on inimesele lähedane. Geenijärjestused, mis kodeerivad elutähtsate bioloogiliste protsesside eest vastutavaid valke, on inimeses ja hiires väga sarnased. Seepärast on hiir kasulik arengubioloogilistes, geneetilistes ja immunoloogilistes uuringutes. Hiire genoomi sekveneerimine aitab mõista ka inimhaigusi ja töötada välja ravistrateegiaid, mille testimine poleks lubatud inimese peal[38]. Hiir pole levinuim imetajast mudelorganism mitte ainult genoomi suurele sarnasuse tõttu inimesega, vaid ka põhjusel, et temaga on lihtne töötada, ta on kättesaadav, viljakas ja suhteliselt odav. [39].

Silmulisi (Petromyzontiformes) uuritakse selgroogsete evolutsiooni mudelorganismina.[40]

Medaka (Oryzias latipes) on kala, mis on kasvava tähtsusega eksperimentaalbioloogias.[41]

Rottide (Rattus norvegicus) kasutamine mudelorganismina on väga levinud, mistõttu on kogunenud suur hulk andmeid, mille põhjal uurida inimese tervist ja haigusi[38]. Aastakümneid on rotte kasutatud ravimite testimiseks. Väga palju teadmistest vähki tekitavate molekulide kohta on saadud just uuringutest rottidega.[2]

Sigmodon hispidust kasutati varem poliomüeliidi uuringutel.

Sebraamadiin (Taeniopygia guttata) on laululindude, laulusüsteemide ja mitteimetajate kuulmise uurimisel kasutatav linnuliik. [42]

Kerakala (Takifugu rubripes) on hea geeniuuringuteks tänu väikesele genoomile, kus on vähe „rämps-DNAd“, kuid mis on suuruselt sarnane inimese genoomiga. [1]

Suure kannuskonna (Xenopus laevis) kudu ja embrüoid kasutatakse arengubioloogias, rakubioloogias, toksikoloogias ja neuroteadustes. [43][44]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 What are 'model organisms'?
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Using Model Organisms to Study Health and Disease
  3. 3,0 3,1 E.C. Griffiths (2010). What is a model?
  4. Michael Allen Fox (1986). "The Case for Animal Experimention: An Evolutionary and Ethical Perspective". Berkeley ja Los Angeles: University of California Press. ISBN 0-520-05501-2
  5. David Goodsell. Bacteriophage phiX174
  6. Kenneth Todar. All About E. coli
  7. Genome sequence of the bacterium Caulobacter crescentus
  8. Chlamydomonas reinhardtii resources at the Joint Genome Institute
  9. Dictyostelium discoideum GeneDB
  10. Joanna D. Moody, Donglu Zhang, Thomas M. Heinze, Carl E. Cerniglia1. Transformation of Amoxapine by Cunninghamella elegans Applied Environmetal Microbiology. 2000 August; 66(8): 3646–3649
  11. Rowland H. Davis (2000). "Neurospora: contributions of a model organism". Oxford University Press. ISBN 0-19-512236-4
  12. R. Ohm, J. De Jong, L. Lugones, A. Aerts, E. Kothe, J. Stajich, R. De Vries, E. Record jt. (2010). "Genome sequence of the model mushroom Schizophyllum commune". Nature Biotechnology28 (9): 957–963. doi:10.1038/nbt.1643. PMID 20622885
  13. [1]
  14. Ustilago maydis (maize smut)
  15. About Arabidopsis
  16. Bruce M. Greenberg, Xino-Dong Huang, D. George Dixon. „Applications of the aquatic higher plant Lemna gibba for ecotoxicological assessmentJournal of Aquatic Ecosystem Stress And Recovery (endine Journal of Aquatic Ecosystem Health), 1. kd., number 2 (1992), 147-155, DOI: 10.1007/BF00044046
  17. J. Strable, M.J. Scanlon. „Maize (Zea mays): a model organism for basic and applied research in plant biologyCold Spring Harb Protoc. Oct. 2009
  18. mimulusevolution.org
  19. Michael Goodin, David Zaitlin, Rayapati Naidu, Steven Lommel (2008). "Nicotiana benthamiana: its history and future as a model for plant-pathogen interactions". Molecular Plant-Microbe Interactions 21 (8): 1015-1026. doi:10.1094/MPMI-21-8-1015
  20. Stefan A. Rensinget jt. The Physcomitrella Genome Reveals Evolutionary Insights into the Conquest of Land by Plants Science 4. jaanuar 2008: Vol. 319 no. 5859 lk. 64-69
  21. Ralf Reski (1998): Physcomitrella and Arabidopsis: the David and Goliath of reverse genetics. In: Trends in Plant Science. 3:209-210. doi:10.1016/S1360-1385(98)01257-6
  22. M. Srivastava, O. Simakov, J. Chapman, B. Fahey, M.E.A. Gauthier, T. Mitros, G. S. Richards, C. Conaco jt. (2010). The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity, Nature 466 (7307): 720–6. Bibcode 2010Natur.466..720S. doi:10.1038/nature09201. PMC 3130542. PMID 20686567
  23. Adam H. Hart, Roddie Reventar, Alan Bernstein. "Genetic analysis of ETS genes in C. elegans", Oncogene (2000) 19, 6400-6408
  24. H.G. Müller (1982). "Sensitivity of Daphnia magna straus against eight chemotherapeutic agents and two dyes". Bull. Environ. Contam. Toxicol. 28: 1–2. doi:10.1007/BF01608403
  25. [2]
  26. J. A. Chapman, E.F. Kirkness, O. Simakov, S. E. Hampson, T. Mitros, T. Weinmaier, T. Rattei, P.G. Balasubramanian jt. (2010). "The dynamic genome of Hydra". Nature 464 (7288): 592–6.
  27. Susan E. Wilson-Sanders. Invertebrate Models for Biomedical Research, Testing, and Education
  28. P. Ladurner, L. Schärer, W. Salvenmoser, R. Rieger (2005). "A new model organism among the lower Bilateria and the use of digital microscopy in taxonomy of meiobenthic Platyhelminthes: Macrostomum lignano, n. sp. (Rhabditophora, Macrostomorpha)". Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research 43: 114–126
  29. Jeremy R. Shearman ja Alan N. Wilton (2010). Origins of the Domestic Dog and the Rich Potential for Gene Mapping
  30. Sarah Christine Canterberry (2006). Understanding the genetics of aging: a canine model
  31. 31,0 31,1 Shayne C. Gad (2007). Animal Models in Toxicology, 2. tr. Taylor & Francis, lk. 334–402
  32. Mary Elizabeth Reid, (1958). The Guinea Pig in Research. Human Factors Research Bureau. lk. 62–70
  33. J.M. Spitsbergen, M.L. Kent (2003). The state of the art of the zebrafish model for toxicology and toxicologic pathology research—advantages and current limitations Toxicol Pathol 31 (Suppl): 62–87
  34. J.W. Bradshaw, D. Goodwin, V. Legrand-Defretin, H.M. Nott: Food selection by the domestic cat, an obligate carnivore. Comp Biochem Physiol A Physiol 1996, 114(3):205-209
  35. New model organism could be the cat’s meow for studying human disease
  36. Janice M. Bahr (2008). The Chicken as a Model Organism
  37. NewScientist: Macaque joins the genome Hall of Fame 12. aprill 2007
  38. 38,0 38,1 What Is a Model Organism?
  39. Danielle Simmons (2008) Use of Animal Models in Studying Genetic Disease: Transgenesis and Induced Mutation
  40. Morgan Reginald O., Silvia Martin-Almedina, Gracia Montserrat, Jorge Jhoncon-Kooyip, Maria-Pilar Fernandez (2006).Deciphering function and mechanism of calcium-binding proteins from their evolutionary imprints
  41. I. Werneburg, S.T. Hertwig (2009). Head morphology of the ricefish, Oryzias latipes (Teleostei: Beloniformes) Journal of Morphology, 270:1095-1106.
  42. Taeniopygia guttata
  43. J. Wallingford, K. Liu ja Y. Zheng (2010). Current Biology v. 20, p. R263-4
  44. R.M. Harland ja R.M. Grainger (2011). Trends in Genetics v. 27, p 507-15