Uurimisteemad

1. Bakterigenoomide j?rjestuste arvutuslik analüüs, bakteritüvede virulentsuse ning antibiootikumi resistentsuse ennustamine genoomi j?rjestuse alusel.
Viimasel ajal oleme osalenud paljudes suurtes koost??projektides, kus sekveneeritakse sadu v?i tuhandeid bakteri isolaate. Oleme testinud ja arendanud arvutuslikke t??riistu, mis on vajalikud nendes projektides tekkivate genoomij?rjestuste analüüsiks.
Iga uuritav genoom on vaja assambleerida, seej?rel teostatakse neile liigi kontroll (kas sekveneerimiseks korjati ?ige bakteriliik), saastuse kontroll (ega teisi liike andmetes sees ei ole), MLST tüübi m??ramine, tuumikgenoomi puu ehitamine, resistentsusgeenide otsimine,
resistentsusgeenide konteksti (ümbritsevate geenide) analüüs, plasmiidide olemasolu ennustamine ja plasmiidide kirjeldamine. M?ned meie t??rühmas arendatud genoomide analüüsi programmid on kirjeldatud artiklites Roosaare et al., 2017 (StrainSeeker), Roosaare et al., 2018 (PlasmidSeeker) ja Aun et al., 2018 (PhenotypeSeeker).

Sellisel suuremahulisel bakterigenoomide analüüsil v?ib olla erinevaid bioloogilisi v?i meditsiinilisi eesm?rke. ?heks levinumaks eesm?rgiks on bakteritüvede v?i resistentsusgeenide leviku epidemioloogiline analüüs: saame uurida kuidas levivad bakteritüved v?i resistentsusgeenid naaberriikide vahel, erinevate keskkondade (virts, pinnavesi) v?i erinevate peremeesorganismide vahel (inimene, koduloomad, r?ndlinnud). Juurde saab tuua ka ajalise skaala küsides kui kiiresti bakteritüved v?i resistentsusgeenid piirkondade, keskkondade v?i peremeesorganismide vahel üle kanduvad.
Teine levinud genoomide uurimise eesm?rk on funktsionaalne analüüs, mille k?igus selgitatakse millised genoomi piirkonnad on loodusliku valiku surve all. Selleks paigutatakse bakterid mingisse keskkonda, kus toimub selektsioon. Seej?rel sekveneeritakse m?ned bakterite isolaadid, mis j?id ellu p?rast selektsiooni. Neid v?rreldakse genoomidega isolaatidest, mis eraldati enne selektsiooni. Sageli ?nnestub tuvastada olulised muutused vaid m?nes üksikus geenis ja nii teada saada millised geenid on olulised muutunud keskkonnatingimustes elluj??miseks. ?heks n?iteks sellisest uurimist??st on J?ers et al., 2019, kus uuriti milline ainevahetusrada osaleb muropeptiidide olemasolu tunnetamisel uinuvates bakterirakkudes.

Kolmas levinud eesm?rk bakterigenoomide uurimisel on nende bakterite omaduste ennustamine j?rjestuse alusel. Enamasti on ennustatavateks omaduseks virulentsus v?i resistentsus erinevatele antimikroobsetele ainetele. Selles valdkonnas oleme oma t??grupiga asunud aktiivselt arendama vastavaid ennustusmudeleid. Meie ennustusmudelite sisendiks on uuritava bakteritüve DNA j?rjestus, selle alusel peaks mudel suutma ennustada millistele antibiootikumidele antud bakteritüvi on resistentne. Lisaks diagnostilisele v??rtusele v?imaldavad sellised mudelid ka teada saada millised geenid osalevad resistentsuse tekkes. Meie tarkvara v?imalustega saab tutvuda programmi PhenotypeSeeker veebilehel.

2. DNA j?rjestusel p?hinevate diagnostiliste testide arendamine.
Oleme oma uurimisgrupis juba rohkem kui 10 aastat uurinud DNA ahelate omavahelist paardumist ja DNA ahela pikenemist polümeraasi ahelreaktsiooniga (PCRiga). DNA ahelate paardumine on aluseks paljudele molekulaarbioloogilistele meetoditele, seet?ttu on oluline m?ista ja ennustada milline DNA j?rjestus v?ib teistega paarduda ja kuidas see protsess t?pselt realiseerub. Meie tegevus h?lmab DNA paardumise biokeemilist modelleerimist ja vastava tarkvara kirjutamist. Meie t??rühm on laialt levinud praimerite disaini programmi Primer3 üks peamistest arendajatest.

Meie DNA-DNA paardumise alased teadmised leiavad praktikas kasutamist mitmesuguste PCR-il p?hinevate molekulaarsete testide n?ol. N?iteks oleme me aidanud luua diagnostilisi teste haigustekitajate avastamiseks patsientide proovidest AS-le Quattromed HTI (praeguse nimega SynLab Eesti O?) ja toiduallergeenide DNA avastamise teste koost??s AS-ga Icosagen. Oleme arendanud v?lja diagnostilise testi vastsündinute sepsise p?hjustajate leidmiseks koost??s Hollandi ettev?ttega Microbiome (van den Brand et al., 2014). Hetkel on k?imas t?? multipleks-PCR testide arendamiseks, mis v?imaldaksid Listeria monocytogenes ohtlikke tüüpe senisest kiiremini m??rata.

Pikemale perspektiivile m?eldes arendame mitte ainult PCR teste, aga ka DNA sekveneerimisel p?hinevaid diagnostilisi teste. DNA sekveneerimise suur eelis PCRi ees on selles, et kui PCR test v?imaldab tuvastada vaid ühte patogeeni ühe testiga, siis sekveneerimine v?imaldab analüüsida k?iki uuritavas proovis olevaid haigustekitajaid korraga. Eestis on DNA sekveneerimisel p?hinevad testid juba mitmes kohas kasutusele v?etud, üheks kuulsamaks n?iteks on seni koroonaviiruste tuvastamine reoveest. Meie ?ppetooli panus DNA sekveneerimisel p?hinevate testide arendusse on niinimetatud ?signatuur-j?rjestuste“ leidmine igale uuritavale liigile. Signatuur-j?rjestused on 16-32 nukleotiidi pikkused j?rjestuse fragmendid mis on iseloomulikud ainult ühele uuritavale liiigile. ?heks publitseeritud n?iteks selles vallas on meie t??rühma artiklid Raime ja Remm, 2018 ja Raime et al., 2020, kus kirjeldame signatuur-j?rjestuste valimise metoodikat taimsete toidukomponentide tuvastamiseks toidu sekveneerimise andmetest.
P?him?tteliselt on v?imalk leida ka funktsionaalseid signatuur-j?rjestusi, mis on seotud mingi kindla biokeemilise funktsiooni v?i ainevahetusraja olemasoluga rakkudes. Siin on üheks n?iteks antimikroobse resistentsuse tuvastamine signatuur-j?rjestustega. Tahaksime arendada selliseid teste ka inimese mikrobioomi uurimiseks.

3. Kiirete arvutusmeetodite arendamine inimese personaalsete genoomide analüüsiks.
Viimase viie aasta jooksul oleme koostanud mitmeid originaalseid meetodeid inimeste personaalsetest genoomij?rjestustest erinevate variantide leidmiseks. FastGT (Pajuste et al., 2017) leiab 30 minutiga k?ik varem kirjeldatud ühenukleotiidsed variandid ja indelid, KATK leiab k?ik indiviidi erinevused referentsgenoomist ca 3 tunniga (Kaplinski et al., preprint).
Lisaks uurime ka muid variatsioone , n?iteks Alu-kordusj?rjestusi, mis v?ivad inimeste genoomides uutesse kohtadesse siseneda ja selle kaudu haigusi tekitada.?Alu kordused?on 300 nukleotiidi pikkused j?rjestused, mida on inimese genoomis ca 1 miljon. M?ned neist kordusj?rjestustest on v?imelised aeg-ajalt aktiveeruma ja genoomis uude kohta ümber paiknema. Oleme loonud metoodika Alu kordusj?rjestuste inserteerumiste tuvastamiseks indiviidide genoomidest (Puurand et al., 2019), hetkel arendame meetodeid geenide koopia arvude (n?iteks amülaasi geen) ja VNTR kordusj?rjestuste (n?iteks ACAN, MAO jt.) koopia arvude leidmiseks.

Meie meetodid kasutavad senistest v?ga erinevat l?henemist ja on seet?ttu ca 30 korda kiiremad traditsiooniliselt kasutatavatest meetoditest, seejuures kaotamata t?psuses. Tarkvara kiirus on ülimalt oluline just suuremahulistes inimgenoomi uurimise projektides.

Untitled2