Ved å generere spesifikke mutasjoner i dyremodeller kan viktige molekylære sykdomsmekanismer kartlegges
Fra naturens side er utveksling av genetiske elementer innen et genom etablert for å sikre genetisk variasjon. Denne mekanismen kalles homolog rekombinasjon. I 1958 ble Joshua Lederberg tildelt nobelprisen for sitt arbeid med å beskrive rekombinasjon i bakterier (1). I dag er det mulig å generere spesifikke mutasjoner ved å utnytte rekombinasjonsteknikker i alle veletablerte modellorganismer innen molekylærbiologisk forskning, så som Escherichia coli (bakterie), Saccharomyces cerevisiae (gjær, encellet eukaryot), Drosophila melanogaster (bananflue, flercellet eukaryot organisme) og Mus musculus (mus, pattedyr).
Årets nobelpris i medisin eller fysiologi er tildelt Mario Capecchi, Martin Evans og Oliver Smithies for deres banebrytende arbeid for oppdagelsen av prinsipper for hvordan presise genetiske endringer, mutasjoner, kan lages i mus. Flere grunnleggende oppdagelser ledet frem til det endelige prinsippet for slik genmodifisering i levende dyr. Den første oppdagelsen var at homolog rekombinasjon, dvs. utveksling av identiske, eller nesten identiske, DNA–sekvenser, kunne skje i pattedyrceller. Den andre oppdagelsen var identifisering av embryonale stamceller (ES-celler), og at disse kunne dyrkes in vitro og likevel beholde sin evne til å danne kjønnsceller ved injeksjon i nye museembryoer. Kombinasjonen av disse nyvinningene gjorde det mulig å skreddersy genendringer i embryonale stamceller og deretter å innføre en slik endring i mus ved å injisere de modifiserte stamcellene i en blastocyst.
Arbeidet som ledet frem til årets nobelpris, ble innledet ved at forskningsgruppene til Capecchi og Smithies, uavhengig av hverandre, påviste at homolog rekombinasjon i pattedyrceller kunne utnyttes for å lage en spesifikk endring i et gen (2 – 4). Kunststykket for begge grupper var å selektere celler hvor det hadde skjedd endringer ved homolog rekombinasjon. Dette var i utgangspunktet som å lete etter en nål i en høystakk, fordi frekvensen av slike rekombinasjoner i pattedyrceller er ca. en per 1 000 000 celler. Capecchi-gruppens positiv-negativ seleksjonsstrategi er siden blitt den dominerende teknikken for seleksjon av modifiserte embryonale stamceller (5).
Konseptet om eksistensen av stamceller har eksistert i over 100 år og ble utledet av forskning på teratomer (6). Martin Evans utnyttet muligheten til å lage kimære mus ved å injisere embryonale karsinomceller (EC-celler) i museblastocyster. Dette arbeidet stoppet opp, fordi cellene dannet teratomer og ikke kunne bidra til å danne kjønnsceller i museembryoer. Med 1970-årenes nye antistoffteknologi kunne han vise at det fantes normale celler som var svært lik embryonale karsinomceller (7). Neste skritt var å lage kimære mus med slike normale celler og vise at de var arvbare i neste generasjon (8). Ved å sette sammen disse to oppdagelsene, muligheten til å endre spesifikke gen i pattedyrceller, og identifisering av udifferensierte embryonale stamceller, ble det mulig å endre spesifikke gen i mus. Arbeidet med den første musen med slike mutasjoner ble publisert i 1989 (9). Prinsippene bak denne teknologien ble omtalt i Tidsskriftet for nesten ti år siden (10). Oliver Smithies beskrev homolog rekombinasjon i cellelinjer for Norsk Biokjemisk Selskap i 1987. Mario Capecchi gjestet Oslo i 1999 på en stor konferanse innen utviklingsbiologi.
Målrettet genmodifisering i mus startet en ny æra innen molekylærmedisin og basal molekylærbiologi. De siste 20 årene er metoden videreutviklet til å kunne endre spesifikke gener i gitte organer ved et ønsket tidspunkt. I dag er mer enn 10 000 gener modifisert ved denne metoden. Viktige forskingsbidrag har også kommet fra norske fagmiljøer (11 – 13). Det er etablert flere enn 500 musemodeller for humane sykdommer, inkludert diabetes, nevrodegenerativ sykdom, hjertesykdom og kreft. Metodens styrke ligger i at man har kunnet etterprøve sammenhenger mellom mutasjoner og biologiske eller fysiologiske konsekvenser i pattedyr. Metoden gir også unike muligheter til å generere dyremodeller til bruk for legemiddelutvikling relevant for sykdom hos mennesker.
