Rakud – kivid elu emaplaadil

Marek Strandberg

Mart Loog pälvis teaduspreemia uurimistsükli „Rakkude pooldumist reguleerivad fosforüleerimislülitid” eest. Geenidesse kätketud teadmine annab elusale küll aluse, kuid elu ise kulgeb valdavalt rakkudes ning arvukates valkudevahelises seostes ja keemilistes reaktsioonides. Millisesse tegevusse rakk lülitub, sõltub paljudest asjaoludest, millest üks on näiteks see, kui palju ja kuidas liidetakse raku tegevust määrava valgu külge fosforhappejääke. Nagu on selgunud, on fosforüleerimisprotsessi tähendus palju laiem kui pelk ADP- ja ATP- (koolibioloogiast tuntud adenosiindifosfaat ja adenosiintrifosfaat) vaheline muundumine ja energiasalvestamine. Organism on kui omaette maailm, kui ühiskond, kus oluline toimub selle ehituskivides – rakkudes. Mikroskoobi leiutamisest saadik on rakke vaadeldud ja teadus rakendab rakus toimuva mõistmiseks pea kõiki füüsika ja keemia uurimismeetodeid, ometi pole ammendavat vastust selle kohta, kuidas toimib rakk tervikuna. Rakku võib väga suurel üldistustasemel võrrelda näiteks mõne moodsa tehasega, kus arvutivõrgu küljes on peale trükiseadmete ka terve rida tootvaid masinaid. Masinais töötab tarkvara, mis on võrreldav (jällegi väga üldistatult) elusa pärilikkus-ainega, kuid selle tarkvara seisund ja väljundid sõltuvad suurest hulgast asjaoludest. Nagu rakkudegi puhul, on tulevik määratud mitte ainult pärilikkusainega, vaid ka keskkonnaga, millest sõltuvalt rakk oma plaane ja tegevust muudab. Võime ette kujutada segadust, mille kutsub esile arvutisse valatud kohvikogus. Nii võib ka rakkude toimimine häiruda ja kulgeda ebasoodsas, näiteks vähkkasvaja suunas, kui võimalikke geneetilisi eeldusi võimendab ja suunab mõni liialt tugev ja liialt vales kohas olev keemiline signaal. Just selliste keemiliste signaalide ja nendega seotud raku käitumist lülitavate ahelate uurimisega tegelebki Mart Loog. Ta pälvis tänavu ka riikliku teaduspreemia uurimistsükli „Rakkude pooldumist reguleerivad fosforüleerimislülitid” eest. M. S.

Küllalt traditsiooniline küsimus: kuidas teie teadushuvi välja kujunes? Miks just rakud ja rakkude pooldumine?

Mart Loog: Teadushuvi kujunes keskkoolis. Pinget pakkusid reaalained, eriti keemia ja biokeemia. Ülikoolis sobis täpselt minu huviga keemiaosakonnas professor Jaak Järve algatusel loodud bio-orgaanilise keemia eriprogramm. Rõhuasetus oli kvantitatiivsel biokeemilisel mõttelaadil, mis teataval määral erineb rakubioloogide ja geneetikute lähenemisest. Võtmesõnadeks olid reaktsioonide kiiruskonstandid, biomolekulide omavahelise äratundmise mehhanismid ja ensümaatiliste protsesside dünaamika.

Suur küsimus on minu jaoks olnud see, et kuidas on loodus lahendanud paradoksaalse olukorra, saavutades rakusiseste signaalide täpsuse tuhandete erinevate molekulide keskkonnas. Kuidas leitakse üles õige molekul, millele antakse signaal? Kuidas on garanteeritud, et sarnaste signaalide müra ei riku protsesside regulatsiooni täpsust? Raku signaalivõrgustikes on neid probleeme keerulisem lahendada kui näiteks elektroonilises mikroskeemis, sest signaalimolekulid difundeeruvad lahuses igas suunas, mitte ei ole suunatud mööda diskreetseid ühendusi nagu elektronid. Nende küsimustega alustasin proteiini kinaaside uurimist Uppsala ülikooli doktorantuuris. Proteiini kinaasid on ensüümid, mis lisavad fosfaatrühmi valkudele. Nad on ühed tähtsaimad molekulaarsed lülitid rakkudes. Hiljem California ülikoolis San Franciscos muutsin veidi suunda ja hakkasin uurima selliseid proteiini kinaase, mis reguleerivad rakkude pooldumist. Sellest sai eriti huvitav ülesanne, sest rakkude pooldumise protsess hõlmab endast sadu signaale ja lüliteid, mis peavad olema ajaliselt ja üksteise suhtes täpselt paigas. Tegelikult on rakkude pooldumine otseselt vaid bioloogiline taustsüsteem, kus spetsiifilisuse küsimust saab uurida.

Rakke on uuritud üsna pikka aega ja aina paremate meetoditega. Kui kaua veel võib õnnestuda rakkudest aina uusi teadmisi ammutada?

Tegelikult on rakkude uurimise suurem ja huvitavam osa alles ees. Kui 1990ndate lõpus hakkasid ilmuma genoomide järjestused, sealhulgas inimese genoom 2000. aastal, siis võib öelda, et tõelise stardi sai rakuteadus ju alles XXI sajandil. Tõesti, laiemapõhjalist ja süstemaatilist tööd on saadud teha tegelikult ainult kümme viimast aastat. Muidugi võib tunduda, et uuritud on juba palju ja et mis seal nii väga enam. Kuid kõige huvitavam aeg on ikka veel ees ja see kestab aastakümneid. Kuni mõistame rakku sellise sügavuseni, et saame süsteemi tasemel ennustada võimalike ravimikandidaatide toimeid. Ja mis veel paljulubavam: mitmete võimalike ravimite toimeid koosmõjus, suunatuna üheaegselt signaalivõrgustike eri punktidesse. See kõik on praegu veel täiesti võimatu, aga võib ju kujutleda, milliseid võimalusi see annab haiguste ravis.

Praegu on olukord ikka veel väga algeline. Geneetikud sekveneerivad (pärilikkusaine järjestuse määramine – toim.) genoomi ja siis korreleerivad haiguste fenotüüpidega. Aga geenide ja fenotüübi vahel on ju terve valkude toimimise ja ainevahetuse mustmiljon seost ja reaktsiooni. Mehhanism, mis on geneetilise informatsiooni ja selle reaalses elus materialiseerumise vahel, on suurema osa olukordade puhul teadmata. Seetõttu on genoomika ajastule järgnemas proteoomika ja süsteemibioloogia ajastu.

Rakkude pooldumine on ka teie huviobjekt. Kui palju on sel protsessil siis ajendeid ja regulatsiooniahelaid, mis juba teada, ja mis on see, mille uurimisega te tegelete?

Regulatsiooniahelaid on tohutult. Näiteks ainuüksi üks raku pooldumist reguleeriv lülitimolekul, mida uurime, tsükliinist sõltuv proteiini kinaas, lülitab sisse vähemalt 700 lülitit erinevate märklaudvalkude näol. Neist 700st on mingil määral selgeks saanud vaid 50 ja seda peamiselt viimase kümne aasta jooksul. Ometi avastati see lülitimolekul juba 1970ndatel. Need arvud annavad ehk aimu, millise arengutõusu algusetapis me praegu alles oleme. Mitmekümneaastane viivitus enne buumi ei tulenenud mitte teadlaste laiskusest, vaid sellest, et geneetika käib alati oma meetoditega tükk maad ees. Nagu kaardistades maad või tähti taevas, mida hiljem uurima hakatakse. Kümme aastat tagasi, kui olid olemas genoomi järjestused, tulid ka uued proteoomika ja muud meetodid, mis lõid pinnase uuele perioodile.

Siin väljendub ka tänapäeva rakuteaduses toimunud põhimõtteline nihe: kui seni kombiti suhtelises pimeduses ja paljude eesmärk oli teha avastus, leida mingi oluline geen/valk, millel oli kusagil süsteemides mingi roll, mis väljendus paljudel juhtudel vaid selles, et mutantne geen tappis raku, siis nüüd on teisiti. Nüüd ei ole niivõrd küsimuseks, et mis teeb mida, vaid et kuidas. Milline on mehhanism? Läbi on saamas ettevalmistav ja kirjeldav etapp, alanud on veelgi huvitavam, suuri süsteeme ja mehhanisme selgitav etapp. Põhitegijatest geenid/valgud on juba avastatud, nimed on antud ja põrutavate üksikavastuste asemel on käimas pikem mõistmise protsess.

Kui palju kõneainet tekitanud organismide vananemine ja lõpuks surm on seotud raku pooldumismehhanismiga?

Jah, kromosoomide otsas on DNA jupid, mis iga raku pooldumisega eemaldatakse. Need on telomeerid. Kui tavaline keharakk on pooldunud kindla arvu kordi, on telomeer lühenenud kriitilise piirini ja rakk enam ei pooldu. See on seotud vananemisega. Aga rakkudes on ka ensüüm, telomeraas, mis seda lühenemist võib ära hoida. Rakus, kus seda ensüümi on palju, võib lubatud pooldumiste arv olla hoopis suurem ja kogu organismi tasemel võiks selle ensüümi taseme üles viimine põhjustada pikemat eluiga. See on aga kahe otsaga asi. On näidatud, et kõrge telomeraasi tase on seotud ka soodumusega vähi tekkeks, sest rakkude pooldumisel ei ole piiranguid. Ehk siis igavese elu eliksiiri siit vist veel loota ei saa. Andes rakkudele litsentsi poolduda lõpmatult ja mitte vananeda, anname organismile ka suurema soodumuse vähkkasvajate tekkeks. See võib tasakaalustada lõpliku efekti eluea pikkuse osas nulliks. Kuid uuringud käivad ja lootust on.

Fosforüleerimine… Koolibioloogiast on paljudel meeles rakkudes energia salvestamine ADP ATPks muundamisel, et siis hiljem seda kasutada näiteks ainete sünteesimisel, muutes ATP uuesti ADPks. Mis rakus veel fosforüleerimisse puutub? Millised on fosforüleerimise ja rakkude pooldumise seosed?

Tõepoolest, ATP on tähtis energia salvestamise molekul rakus, kuid tal on ka mitmeid muid tähtsaid funktsioone. Juba nimetatud proteiini kinaasid (biolooglised katalüsaatorid, mis valgumolekulidele fosforhappe jääke liidavad – toim.) kasutavad näiteks ATPd fosfaatrühma doonorina valkude fosforüleerimisel. Fosfaatrühm oma struktuuri ja laenguga muudab valgu omadusi. See ongi lüliti. Ilus on selle asja juures veel see, et fosfaati saab teise ensüümiga valgu küljest ka ära võtta. Niimoodi toimivadki kahepositsioonilised molekulaarsed lülitid. Nii nagu need, mis on seina küljes lampide jaoks. Kinaasi lülitite puhul on aga lisaks veel palju elemente, millega saab muuta neid spetsiifilisemateks, et müra ja rakus kulgevad valed signaalid ei omaks kõrvalmõjusid. Näiteks üks mehhanism, mille oleme leidnud, on multi-fosforüleerimiskaskaadide kasutamine.

Mis on veel oluline rakkude toimetamist lülitavate mehhanismide puhul?

Oluline on meie temaatikas veel proteiini kinaaside roll ravimi sihtmärkidena. See on grandioosne teadussuund. Olen kuulnud hinnanguid, et kuni 25% kogu maailma farmaatsiatööstuse teadusarenduse eelarvest läheb proteiini kinaasidele suunatud ravimite väljatöötamiseks. Ja edu on juba hakanud tulema. Näiteks mõned aastad tagasi ajakirjanduses poleemikat tekitanud Gleevec (vähiravim, mille toimeaine mõjutab kiirelt paljunevaid, vähirakke sealhulgas, rakke moel, et need hävivad – toim.). Palju proteiini kinaaside inhibiitorid (pärssijad) on kliinilistes katsetuses. Muide, isegi Viagra on otseselt suunatud mõjutama kinaasisignaali.

Olulised ravimisihtmärgid on proteiini kinaasid just sellepärast, et paljud haigusseisundid on põhjustatud geenimutatsioonidest, mis rikuvad kinaasi poolt reguleeritavat lülitit. Signaal muutub liiga tugevaks ja lüliti lekib ka siis, kui signaal peaks olema välja lülitatud. Nii näiteks on mitmete vähkkasvajate puhul, kui rakkude pooldumist kontrolliv lüliti lekib ja signaal on, piltlikult öeldes, kogu aeg tugev (vastava aine kontsentratsioon kõrge – toim.), mille tulemuseks on rakkude kontrollimatu pooldumine. Ometi ei ole kinaasidele suunatud ravimidisain kerge ja huvitavaks teeb selle ülesande just see, et need sajad proteiini kinaasid on siiski suhteliselt sarnased. Isegi väga paljulubavate ravimikandidaatide puhul on ebameeldivad kõrvalmõjud teiste lülitite suunas tavalised. See aga on jällegi spetsiifilisuse probleem.

Missugune on teie meelest hea teadus?

Hea teaduse tunneb ära selle tegija pühendumise sügavusest. Kõige olulisem on teadlase sisemine kirg mõista seda süsteemi, nähtust või mehhanismi, mida uuritakse. Ja kui see kombineerub õnnelikult ka originaalse lähenemisega ning on olemas ka teatav üllatusmoment, siis on tulemus fantastiline. Iga teadustöö taga on teadlane, sealt on näha tema mõttemaailm ja on tunda see jõud, mis paneb teda pikki päevi ja öid laboris teadmise nimel pingutama ja ennast unustama. Hea teadus ei ole see, kui tehakse midagi lihtsalt rutiinist, et oleks pikk CV, või vaid sellepärast, et see valdkond on kuum ja popp ja peajoon.

Kas Eesti teadus- ja kõrghariduskorraldus rahuldab? Mida peaks teisiti tegema?

Kindlasti on, mida võiks teisiti teha. Näiteks, meil puuduvad mehhanismid välismaalt inimeste värbamiseks. Selles osas puudub tegelikult igasugune strateegia. Meie ülikoolides ei looda ametikohti, ei tehta rahvusvahelisi konkursse loodavate laborite juhikohtadele, nagu tehakse igal pool mujal. Üldiselt luuakse koht siis, kui kindel inimene on saatuse sunnil siia jõudnud. Selle peale öeldakse, et me ei saa rakendada neidsamu strateegiaid, mis mujal. Et oleme väike rahvas. Eks tõde see ole, meil on väljakujunenud ja stabiilne eesti teadlaskond, kes on siin ja siia jääb. Mõnes mõttes on süsteem loodud juba olemasoleva seisundi hoidmiseks. Reformida on raske, kuigi proovitakse. Majade ehitamine ja aparaatide ostmine selle probleemi vastu ei aita. Uusi inimesi on vaja. Huvitavaid väljast tulijaid paraku palju ei ole, rotatsiooni pole. Seetõttu on kohalike intellektuaalse pankrotistumise oht pidev ja väga suur. Kindel on see, et samamoodi jätkates ei suuda me konkureerida rahvusvaheliste dünaamiliste tõmbekeskustega.

Lahendus on siiski olemas. Tuleb panustada noortesse. Noored mõtlevad teisiti. USAs antakse võimalus oma laboriga alustada 30–35aastastel. Nagu seal öeldakse, et neile, kes on veel näljased. Muide, on väidetud, et valdav enamik Nobeli auhinnani viinud eksperimentidest on tehtud alla 35 aasta vanusena. Et suurendada šanssi, et need eksperimendid tehakse just selle ülikooli laborites, võetakse Ameerikas igaks juhuks tööle noori, kelle teadustöö kõrgpunkt on veel ees, aga mitte möödas. Meil ei ole sellest veel päris aru saadud, aga me liigume selles suunas.