Raku kõrvade keemia

Olga Mazina, Laura Herm, Ago Rinken

Brian K. Kobilka (sünd 1955) Minnesota Dulthi ülikooli keemia ja bioloogia eriala lõpetanu, Yale ülikoolist meditsiinidoktori kraad, Duke’i ülikooli järeldoktor ja hiljem Stanfordi ülikooli uurija. Howard Hughesi nimelise meditsiiniinstituudi uurija (1989–2003). Robert J. Lefkowitz (sünd 1943) Columbia ülikooli ravi- ja kirurgiakolledži lõpetanu (1966), Duke’i ülikooli meditsiiniprofessor (1982), USA rahvusliku teaduspreemia saaja (2007). Sel aastal autasustas Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia Nobeli preemiaga keemias kaht silmapaistvat USA teadlast nende töö eest G-valkudega seotud retseptorite uurimisel. Robert J. Lefkowitz (sünd 1943) ja Brian K. Kobilka (sünd 1955) on oma teadustegevuse aastate jooksul teinud sellel alal palju olulisi läbimurdeid, millest värskeim on vahest G-valguga seotud adrenoretseptori kristallstruktuuri määramine ning selle avaldamine teadusajakirjas Nature 2011. aastal. G-valguga seotud retseptor, mis tunneb ära ja seob virgatsaine (antud näites adrenaliin) rakuvälisest ruumist, läbib α-spiraalina raku membraani seitse korda ja on kompleksis rakusisese gunaniini nukleotiide siduva regulaatorvalguga (G-valguga). Suhtlemine on meie elu oluline osa, millest lähtudes teeme ka enamiku oma otsustest. Infovahetus inimeste vahel ei piirdu vaid suulise ja kirjaliku „ametliku” keelega, vaid siia on kaasatud palju teisi märke (ilmed, kehakeel, hääletoon jne), mis on tihti tähtsamadki. Selline paljutahuline suhtlemine pole iseloomulik ainult inimühiskonnale, vaid ka teistele kooslustele. Intensiivne suhtlemine rakkude ja kudede vahel toimub ka inimese sees ning sellest suhtlemisest sõltub paljus inimese tervis ja enesetunne. Iga organism, keda moodustav rakuhulk omavahel „ei räägi”, on määratud kindlale hukule.

Määravat rolli rakkudevahelises suhtluses etendab keemia – molekulid, mida üks rakk eritab ja teine ära tunneb ning seepeale vastuse tekitab. Meie närvisüsteemi rakud ehk neuronid annavad päevas üksteisele ning organismile tervikuna edasi tuhandeid käske, võimaldades meil niiviisi hakkama saada meid ümbritseva keskkonnaga. Signaal liigub neuroni pikki jätkeid pidi nagu elekter traadis, kuid teise rakku jõudmiseks peavad sellest rakust vabanema virgatsaine ehk signaalimolekulid, mida tuntakse ära teise raku poolt. Signaali vastuvõtjaks on tavaliselt raku membraanides olevad valgulised retseptorid, mis reageerivad signaalile ise (ioon-kanal-retseptorite ja ensüüm-retseptorite korral) või siis annavad informatsiooni edasi rakusisestele regulaatorvalkudele (G-valkudele).

Kuna ülekantavaid signaale on väga palju, on organismis ka sadu erinevaid rakust saadetavaid signaalimolekule. Infokandjateks võivad olla valguseosakesed footonid, mõnusad ja vastikud lõhnamolekulid, aga ka suhteliselt lihtsad orgaanilised molekulid, nt serotoniin, dopamiin, adrenaliin, mis oma bioloogiliste funktsioonide tõttu on tuntud kui õnne- ja mõnuhormoonid. Signaalimolekulideks on ka hoopis suuremad ja komplekssemad molekulid, nagu inimese enda opiaadid ehk endopioidid, steroidid, kasvufaktorid ja suured valgulised hormoonid.

Kuna retseptorid mängivad olulist rolli rakkude tegevuse reguleerimisel, on nad ka olulised regulaatorid siis, kui haiguse tõttu on raku talitlus häiritud. Sobiv retseptori aktivaator või blokaator võib edastada rakku signaali, mis taastab selle normaalse talitluse ja likvideerib sellega ka haigusoleku. Seetõttu ongi rakkudevahelised retseptorid väga head kohad organismi suunatud mõjutamiseks – ravimiseks. Retseptorid, mis edastavad oma signaali üle G-valkude (GPCR) ongi kujunenud olulisteks ravimimärklaudadeks ja kuni pool turul leiduvatest retseptiravimitest on suunatud just nende retseptorsüsteemide reguleerimisele.

Huvi keskmes adrenaliini siduvad retseptorid

Missugune aga on selle retseptorvalgu, mis täidab organismis eluliselt tähtsat rolli, keemiline olemus? Sellele küsimusele vastamiseks on teinud tohutu töö selle aasta Nobeli keemiapreemia laureaadid Robert Lefkowitz ja Brian Kobilka, kelle huvi keskpunktis on olnud adrenaliini siduvad retseptorid. Vaatamata oma suurele tähtsusele organismis, on retseptoreid rakus vähe ja seetõttu on neid raske määrata ja kirjeldada. Oma teadusliku töö algul, 1960ndate aastate teisel poolel võttis Robert Lefkowitz kasutusele joodi radioaktiivse isotoobiga märgistatud hormoonid, et määrata virgatsaine seostumist retseptoriga. See võimaldas iseloomustada retseptoreid erinevates kudedes ja ka leida uusi ühendeid, mis seostuvad antud retseptoritega. Kui retseptor oli määratav, siis oli vaja ta ka kinni püüda. Kaheksakümnendate alguses konstrueeriti püüniseid (afiinsuskolonne), millega retseptorit püüda ja lõpuks ka näkkas. Kasutades suures koguses kudesid ja mitmeid puhastusetappe, saadi adrenaliini siduv valk puhtalt kätte. See võimaldas määrata valgu aminohappeline järjestus ning leida ka seda kodeeriv geen, mille kohta avaldati ka 1986. aasta mais artikkel ajakirjas Nature. Valgu struktuuri analüüsides leiti seitse hüdrofoobset, vett mittearmastavat ala, mis ei saa vabalt raku sees paikneda. Loogiliselt oletati, et need osad asuvad siis raku membraanis. Kuna sellised alad olid varem avastatud valgusretseptori, rodopsiini, struktuuris, ja üsna pea leiti need ka teiste G-valguga retseptorite struktuuris, siis oletati, et tegemist on terve valkude perekonnaga, mis läbivad rakumembraani seitse korda ja mis funktsioneerivad nagu retseptorid.

Robert Lefkowitz jätkas oma tööd, uurides retseptori toimimise mehhanisme. Oluliseks tähiseks nendes uuringutes on uute valkude avastamine, osalevad need ju retseptori signaaliülekande peatamisel (retseptorit fosforüleeriv ensüüm – retseptor kinaas ja G-valke blokeeriv valk β-arrestiin). Brian Kobilka lahkus Lefkowitzi laborist 1989. aastal ja seadis oma uurimistöö eesmärgiks saada aru, kuidas toimub ligandi sidumine retseptoriga. Kuna inimsilm sinna ei ulatu, tuleb kasutada röntgenkiirgust ja valk fikseerida kristalli. Ja siis algas raske töö, mis tõi esimesed tulemused sellel alal alles rohkem kui kümne aasta pärast. G-valguga retseptoritel on rakus täita tähtis roll, kuid nad on vägagi kapriissed ning nende kristalli saamine pole sugugi lihtne. Alles viis aastat tagasi õnnestus Kobilka töörühmal leida niipalju keemilisi ja molekulaarbioloogilisi nippe, et kristalliseerida β-adrenoretseptori valk ning määrata selle tegelik struktuur. Tulemus avaldati 2007. aastal. Siin sai kinnitust, et retseptoril on tõesti seitse membraani läbivat heeliksit ja nende vahel adrenaliini äratundev sidumiskoht. Pärast seda on Brian Kobilka osalusel avaldatud juba ligi kümne erineva G-valguga seotud retseptori struktuurid, aga kirsiks tordil, mis võis olla ka viimaseks udusuleks, mis murdis Nobeli komitee otsuse selgroo, oli aktiveeritud β-adrenoretseptori struktuur koos G-valguga, mis avaldati 2011. aastal.

Rakkude jutuvadas tahame oma sõna sekka öelda

G-valguga seotud retseptorid on olnud ka meie, Tartu ülikooli keemia instituudi bioorgaanilise keemia õppetooli töörühma uurimisobjektiks juba üle 20 aasta. Suurt tähelepanu on pööratud mehhanismidele, kuidas toimub ligandide (ehk signaalmolekulide) äratundmine retseptorite poolt ja signaali ülekanne G-valkudele. Meie huviorbiidis on dopamiini retseptorid, mis on muuhulgas seotud näiteks Parkinsoni tõve ja sõltuvushäiretega, kuid ka peptiidsed retseptorid, mis organismis reguleerivad ka söögiisu ja seksuaalkäitumist. Praegu on päevakorral uute aktiivsete ühendite leidmiseks mudelsüsteemide loomine ja biosensorite arendamine. Püüame luua GPCR-l põhinevaid ülitundlikke biosensoreid, mis võimaldaksid jälgida ka üksikute hormooni molekulide seostumist, mis on oluline kehaväliselt viljastatud embrüote tervise hindamiseks. Kuna tavaline optiline süsteem jääb siin jõuetuks, püüame fluorestsentsmikroskoopia tehnikaid rakendades luua uusi lahendusi, mis võimaldaksid saavutada soovitud tundlikkuse.

Koos kolleegidega terves maailmas üritame jätkuvalt dekodeerida rakkude keemilist keelt ning samas mõjutada seda endale sobivas suunas saamaks aru, kuidas käib rakkude omavaheline suhtlus ja sisemonoloog, miks just sellisel kombel ja kuidas saaksime meie oma sõna sekka ütelda rakkude mitmekeelses jutuvadas. Nobeli auhind tunnustab mitte ainult selle aasta kahe laureaadi, vaid tuhandete inimeste tööd, kes on oma panuse andnud nii retseptorite kui ka nendega seotud molekulide uurimisse ja meile nii vajalike ravimite arendamisse.