Mudelorganism

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.
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. Mudelorganisme kasutatakse laialdaselt haiguste uuringutes, kui inimkatsed oleksid liiga keerulised või ebaeetilised. Siiski tuleb saadud teabe üldistamisel ühelt liigilt teisele olla ettevaatlik.
Mudelorganismide tüübid.
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.
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.
Genoomsete mudelorganismide uurimine on oluline sellepärast, et nad on huvipakkuvas positsioonis fülogeneesipuus või nende genoomis on mingi vajalik omadus. Näiteks kerakalal ("Fugu rubripes") on inimese omaga 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.
Mudelorganismid ja inimene.
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 tõbesid inimesel uurida oleks mõnikord pea võimatult keeruline või väga tihti ebaeetiline.
Rohkem kui 60 protsendil inimhaigusi põhjustavatel geenidel, mis tänapäevaks on kindlaks määratud, on vaste nii kärbse kui ka ussi geenides, paljastades umbes 1500 geeniperekonnast koosneva tuumiku, mis on olemas kõikidel loomadel. 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.
Puuviljakärbeste ja mesilaste uurimine annab teavet geenide ja keskkonna mõjust käitumisele.
Uuringud puuviljakärbeste, leivahallituse ja hiirtega on aidanud defineerida peamisi seaduspärasusi, mis on seotud bioloogilise kella või tsirkadiaansete rütmidega, mis valitsevad une ja keha muude oluliste funktsioonide üle.
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.
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.
Arvutimudelid.
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.
Tähtsamad mudelorganismid.
Eukarüoodid.
Taimed.
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.
"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 väiksemaid 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.
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.
"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.
Tubakat ("Nicotiana benthamiana") kasutatakse mudelorganismina taimpatogeenide uuringutes.
"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 väiksemaid 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 . Siiani on tegu ka ainsa maismaataimega, mille kohta on leiutatud tõhus geenide väljalülitamise metoodika.
Pappel ("Populus") on perekond, mida kasutatakse mudelorganismina metsageneetikas ja puittaimede uuringutes. Papli genoom on küllalt väike ja kasv kiire.
Loomad.
Levinumad selgroogsed mudelorganismid on järgmised.
Koera ("Canis lupus familiaris") geenide uurimine on koera kauaaegse tõuaretuse tõttu väga kasulik, mõistmaks pärilikke haigusi ja geenide toimimist, samuti vananemise geneetikat.
Merisiga ("Cavia porcellus") oli väga levinud laboriloom 20. sajandi teise pooleni. Neid kasutati vaktsiinide väljatöötamisel ja antikehauuringutes. Tänapäeval merisigu enam nii laialdaselt mudelloomadena ei kasutata.
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.
Kass ("Felis sylvestris catus") on oluline mudelorganism võrdlevas imetajate genoomikas, kuna on obligatoorne karnivoor. Ka biomeditsiinis on kassid olulised, eriti neuroteadustes, käitumisbioloogias, reproduktiivses psühholoogias ja endokrinoloogias.
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.
Reesusmakaaki ("Macaca mulatta") kasutatakse laialdaselt inimese haiguste uurimiseks ja uute ravimite väljatöötamiseks, kuna ta sarnaneb väga inimesega nii geneetiliselt, füsioloogiliselt kui ka ainevahetuslikult. Ta on oluline ka primaatide evolutsiooni mõistmisel.
Koduhiir ("Mus musculus") on inimesele lähedane. Geenijärjestused, mis kodeerivad elutähtsate bioloogiliste protsesside eest vastutavaid valke, on inimesel ja hiirel 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&lt;ref name="hiir/rott"&gt;What Is a Model Organism?&lt;/ref&gt;. Hiir pole levinuim imetajast mudelorganism mitte ainult genoomi suure sarnasuse tõttu inimese genoomiga, vaid ka põhjusel, et temaga on lihtne töötada, ta on kättesaadav, viljakas ja suhteliselt odav..
Silmulisi ("Petromyzontiformes") uuritakse selgroogsete evolutsiooni mudelorganismina.
Medaka ("Oryzias latipes") on kala, mis on kasvava tähtsusega eksperimentaalbioloogias.
Rottide ("Rattus norvegicus") kasutamine mudelorganismina on väga levinud, mistõttu on kogunenud suur hulk andmeid, mille põhjal uurida inimese tervist ja haigusi. Aastakümneid on rotte kasutatud ravimite testimiseks. Väga palju teadmistest vähki tekitavate molekulide kohta on saadud just uuringutest rottidega.
"Sigmodon hispidus"''t on varem kasutatud poliomüeliidi uurimisel.
Sebraamadiin ("Taeniopygia guttata") on laululindude, laulusüsteemide ja mitteimetajate kuulmise uurimisel kasutatav linnuliik.
Kerakala ("Takifugu rubripes") on hea geeniuuringuteks tänu väikesele genoomile, kus on vähe "rämps-DNAd", kuid mis on suuruselt sarnane inimese genoomiga.
Suure kannuskonna ("Xenopus laevis") kudu ja embrüoid kasutatakse arengubioloogias, rakubioloogias, toksikoloogias ja neuroteadustes.