Rakumaailma filosoofiline kivi

Mart Saarma, Urmas Arumäe

2012. aasta Nobeli füsioloogia ja meditsiini auhind anti põhjapanevate avastuste eest raku- ja arengubioloogias. 8. oktoobril kell 11.30 astus Nobeli füsioloogiaja meditsiinikomisjoni sekretär prof Göran K. Hansson Stockholmis Karolinska instituudi Nobel Forumi hoone loengusaali ja teatas, et 2012. aasta Nobeli füsioloogia ja meditsiini auhind antakse Sir John B. Gurdonile ja Shinya Yamanakale „avastuste eest, mis näitavad, et küpseid rakke võib ümber programmeerida pluripotentseteks rakkudeks”. Järgnenud pressikonverentsil selgitasid Karolinska instituudi teadlased auhinna pälvinud avastusi. Alfred Nobeli testamendi järgi määravad Nobeli meditsiini ja füsioloogia auhinna Karolinska instituudi professorid. 1901. aastast on seda antud teadlastele, kelle avastused on andnud inimkonnale kõige rohkem kasu. Otsuse teeb Nobeli assamblee, kuhu kuulub 50 Karolinska instituudi professorit, oktoobrikuu esimesel koosolekul, tihti auhinna väljakuulutamise päeva hommikul. Kandidaatide valimine on pikk ja vaevarikas, sellega tegeleb Nobeli füsioloogia ja meditsiini komitee. Sinna määratakse kolmeks aastaks viis Karolinska instituudi professorit, kes toimivad põhiliikmena, ja kümme abiliiget Nobeli assambleest. Üks professoritest määratakse kolmeks aastaks komitee sekretäriks, kelle põhitöö on komitee materjalide ettevalmistamine ja kandidaatide igakülgne analüüs.

Tänavu on Nobeli auhinna suurus kaheksa miljonit Rootsi krooni, s.t umbes 930 000 eurot. Sel aastal tunnustati Nobeli füsioloogia ja meditsiini auhinnaga kaht teadlast, kes olid avastanud, et täiskasvanud organismi spetsialiseerunud rakke saab ümber programmeerida teisteks rakutüüpideks. Munarakud ja varase embrüo rakud (embrüonaalsed tüvirakud) on pluripotentsed, s.t need võivad areneda kõikideks rakutüüpideks. Loote arenemisel täiskasvanud organismiks rakud diferentseeruvad ja spetsialiseeruvad. Kaua arvati, et täiskasvanud organismi rakkude seisund on pöördumatu, s.t. üht rakutüüpi ei saa enam põhimõtteliselt muuta teiseks. Tänavused Nobeli auhinna laureaadid on muutnud seda arusaama radikaalselt.

John B. Gurdon näitas 1962. a ajakirjas Journal of Embryology and Experimental Morphology, et täiskasvanud kannuskonna Xenopus laevis sooleraku tuumast saab tekitada normaalse kullese, s.t. diferentseerunud raku DNA sisaldab informatsiooni kõikide rakutüüpide jaoks. Teadusavalikkus neid tulemusi kohe omaks ei võtnud, aga varsti, pärast kordamist teistes laborites, said neist põhitõed. Shinya Yamanaka näitas 44 aastat hiljem, et täiskasvanud organismi rakke võib küllaltki lihtsate muudatustega ümber programmeerida embrüolaadseteks rakkudeks, millest võib omakorda tekitada teisi rakutüüpe. Need läbimurdelised katsed muutsid täielikult meie ettekujutust organismi arengust ja rakkude diferentseerumisest. Nüüd me mõistame, et rakud ei kaota oma arenguvõimalusi igaveseks ja et üht rakutüüpi saab teiseks ümber programmeerida. Eriti Yamanaka tööst oodatakse ka suurt praktilist kasu regeneratiivse meditsiini valdkonnas, kus hukkunud või känguvad rakud asendatakse tüvirakkudest tekitatud uute rakkudega. Gurdoni ja Yamanaka avastused on muutnud põhitõdesid, avanud uusi uurimissuundi, loonud täiesti uusi võimalusi meditsiinis ja biotehnoloogias uurimaks haigusi ning arendamaks uusi diagnostikaja ravimeetodeid.

Me kõik oleme arenenud viljastatud munarakust

Siinkohal on meeldiv mainida, munaraku avastas Eesti teadlane Karl Ernst von Baer 1827. aastal. Paari päeva jooksul pärast munaraku viljastamist sisaldab embrüo rakke, millest igaüks võib moodustada täiskasvanud organismi. Neid rakke kutsutakse pluripotentseteks embrüonaalseteks tüvirakkudeks. Loote edasises arengus arenevad nendest rakkudest erineva ehituse ja talitlusega rakud (naha-, maksa-, lihas-, närvi-, näärme- ja sugurakud). Kaua arvati, et diferentseerumisel toimuvad rakkudes, ja eriti nende tuumas paiknevas DNA s, pöördumatud muutused, mistõttu nende muutmine teiseks rakutüübiks on võimatu. Kannuskonnaga katsed, mida Gurdon tegi Cambridge’i ülikoolis, näitasid, et see arusaam on vale. Ta asendas kannuskonna munaraku tuuma täiskasvanud konna sooleraku tuumaga ja näitas, et sellistest munarakkudest arenevad algul kullesed ja hiljem täiskasvanud konnad. Peab märkima, et Gurdoni katsed ei õnnestunud kohe – siiratud tuumaga embrüotest andsid paljud ka väärarendeid. Pikaajaline ja sihikindel töö metoodika täiustamisel kandis siiski vilja. Gurdoni avastus käivitas ka laialdase uurimistöö loomade kloonimise alal. Ühe looma keharakkude tuumade siirdamisega võib ju luua palju temaga geneetiliselt identseid loomi. 1981. aastal teatasidki Karl Illmensee ja Peter Hoppe ajakirjas Cell, et neil on õnnestunud tuumasiirdamise teel kloonida normaalne hiir. Kuna hiir on kõige populaarsem uurimisobjekt nii alus- kui ka meditsiiniuuringutes, üritasid kümned laborid maailmas seda katset korrata. Vaatamata tõsistele pingutustele see neil ei õnnestunud. Tekkis suur skandaal, mis kahjuks on tänapäevani ühemõtteliselt lahendamata. Paradoksaalselt ei olnud hiir esimene kloonitud imetaja. 1996. aastal teatas Ian Wilmuti rühm Roslini instituudis šotimaal, et neil on õnnestunud kloonida lammas Dolly, siirates täiskasvanud lamba piimanäärme raku tuuma munarakku. Lihtne see ei olnud. Tuuma ülekanne osutus sedavõrd keeruliseks operatsiooniks, et 277st siirdamisest õnnestus ainult üks. Dolly oli sündides igati normaalne, aga suri noorelt kopsuvähki. Nüüdseks on kloonitud väga paljud imetajad, sealhulgas ka mõned haruldased liigid.

Miks on vaja loomi kloonida? Tundub mõistlikuna toota palju selliseid põllumajandusloomi, kes on terved ja annavad hea kvaliteediga produkte. Kloonimine on väga oluline uute ka ravimite arendamisel. Seaduste järgi tuleb uusi ravimikandidaate algul testida katseloomadel. On selge, et geneetiliselt sarnastel loomadel saadud tulemused on omavahel paremini võrreldavad. Väga oluline on kloonimine ka regeneratiivses teraapias.

Palju on arutatud inimese kloonimise võimaluse üle. On täiesti selge, et maailma teadlased peavad inimese kloonimist ebaeetiliseks ja põhimõtteliselt tarbetuks.

Tulles tagasi Nobeli preemia juurde jääb arusaamatuks, miks ei antud seda Ian Wilmutile. Oli ta ju ikkagi esimene, kes näitas et imetajate kloonimine on võimalik, ning avas uue lehekülje imetajate arengubioloogias. See tundub seda üllatavam, et Nobeli testamendi järgi võib preemia üheaegselt anda kolmele teadlasele, nagu ka tihti on toimitud.

iPS-rakkudest võib saada igasuguseid keharakke

2006. aastal näitas Shinya Yamanaka labor, et täiskasvanud organismi rakke saab muuta tüvirakkudeks ka katseliste manipulatsioonidega. Yamanakat huvitas, millised geenid hoiavad embrüonaalseid tüvirakke pluripotentsena, laskmata neil muutuda spetsialiseeritud rakkudeks. Olgu kõrvalpõikena mainitud, et embrüonaalsete tüvirakkude avastamise, kirjeldamise ja kasutamise eest ning transgeensete tehnoloogiate loomise eest anti 2007. aastal Nobeli auhind Sir Martin J. Evansile. Tõsise töö tulemusena õnnestus Yamanakal selgitada rida selliseid geene. Edasi siirati tema laboris neid geene diferentseerunud fibroblastidesse (sidekoerakud) eesmärgiga muuta nad tagasi pluripotentseks. Pika töö tulemusena õnnestuski leida nelja geeni kombinatsioon, mis sellise muutuse esile kutsub. Tegemist on oluliste transkriptsioonifaktoritega Oct3/4, Sox2, Klf4 ja c-Myc. Transkriptsioonifaktorid on valgud, mis rakutuumas käivitavad või pidurdavad eri geenide avaldumist. Yamanaka leitud faktorid käivitasid geneetilise programmi, mis on vajalik rakkude pluripotentse seisundi tekkimiseks ja alalhoidmiseks. Tundub täiesti ootamatuna, et lõpplahendus ongi nii lihtne: inimese genoomi u 20 000 geenist vajati vaid nelja. Saadud pluripotentseid tüvirakke nimetatakse iPS-rakkudeks (induced pluripotent stem) ja neist võib tekitada väga erinevaid rakutüüpe.

2006. aastal ajakirjas Cell avaldatud töö leidis kohe maailmas suurt vastukaja, sest tüvirakkude uurimine oli juba sel ajal väga populaarne. On ju tüvirakkudel põhinevale regeneratiivsele meditsiinile pandud suured lootused. Tõepoolest, väga paljude haiguste puhul on tegemist rakkude hävimise või kängumisega ja kaotatud rakke saaks asendada uutega, mis on tekitatud tüvirakkudest. Tollal oli suurimaks probleemiks see, et embrüonaalseid tüvirakke võis saada vaid varajastest inimembrüotest, mis on tehniliselt raske ja väga paljudele eetiliselt vastuvõtmatu.

Yamanaka töö pakkus sellele keerulisele probleemile põhimõttelise lahenduse: muudame patsiendi enda rakud iPS-rakkudeks ja tekitame neist soovitud rakke, mida kasutame haiguse parandamisel. Yamanaka töö vallandas iPS-tüvirakkude alaste uurimuste laviini. Viimaste aastate jooksul on selgunud, et inimese iPS-rakkudest võib saada igasuguseid keharakke. Paraku pole kõik läinud ilma probleemideta. Näiteks on mõned iPS-rakud tekitanud kasvajaid. Samuti on olnud raskusi iPS-rakkudest tekitatud närvirakkude integreerimisega aju närvivõrgustikku. iPS-rakud on siiski loonud täiesti uued alused regeneratiivsele meditsiinile.

Sir John Gurdoni ja Shinya Yamanaka avastused on meile andnud väga palju: ühelt poolt täiesti uued põhimõtted rakkude ja organismide arengust, teiselt poolt on nad suhteliselt kiiresti käivitanud suure tähtsusega uusi rakendusi. Gurdoni töö käivitas loomade kloonimise ja Yamanaka töö andis täiesti uue hoo regeneratiivsele meditsiinile.

Usume, et eelseisval kümnendil jõuavad nende teadlaste avastused ka kliinikusse ja aitavad haigeid.

*

Sir John Gurdon on sündinud 1933. aastal Dippenhallis Inglismaal. 1960 kaitses ta doktorikraadi Oxfordi ülikoolis, oli järeldoktor California tehnoloogiainstituudis ja töötas 1972. aastast alates Cambridge’i ülikoolis rakubioloogia professorina. Praegu töötab Cambridge’is omanimelises Gurdoni instituudis. Peale Nobeli auhinna on ta saanud muid väljapaistvaid teaduspreemiaid ja on paljude ülikoolide audoktor.

Shinya Yamanaka on sündinud 1962. aastal Jaapanis Osakas, just samal aastal, kui John Gurdon tegi teedrajava avastuse. 1987 lõpetas ta Kobe ülikooli MD-na ja spetsialiseerus ortopeedilisele kirurgiale, enne kui alustas biomeditsiinilisi alusuuringuid. 1993. a kaitses ta doktorikraadi Osaka linnaülikoolis, töötas järeldoktorina Gladstone’i instituudis San Franciscos ja Nara teaduse ja tehnoloogia instituudis Jaapanis. Praegu töötab professorina Kyoto ülikoolis ja kohakaasluse alusel Gladstone’i instituudis. 2012. a on Yamanaka saanud teisegi väga väärika rahvusvahelise preemia: avastuste eest tüvirakkude alal pälvis ta koos Linuxi arvutisüsteemi looja Linus Thorvaldsiga miljonieurose aastatuhande tehnoloogia auhinna (Millennium Technology Prize), mida annab välja Soome tehnikateaduste akadeemia.