Organismi transpordisüsteemid tõid Nobeli auhinna

Toivo Maimets

Thomas Südhof, Randy Schekman ja James Rothman on tänavused laureaadid.

Kui lugeda kokku kõik täiskasvanud inimese rakud, siis on tulemuseks neljateistkümne nulliga lõppev arv. Kui mõelda, et nad kõik on tekkinud vaid ühestainsast rakust, viljastatud munarakust, siis on see hulk üsna aukartustäratav. Ent lisaks kõigele peavad need rakud ka omavahel suhtlema, et alluda organismi kui terviku vajadustele. Näiteks vigastuste puhul tuleb teatud rakkudel hakata haava parandama ja armkude tekitama, paljud närvirakud toimivad mingi informatsiooni edastajana ning ka rakkude suremine on tihti terviku huvides korraldatud organiseeritud sündmuste ahel.

Võimsa toimega signaalmolekulid
Selliste igapäevaste suhtluste jaoks on olemas terve hulk signaalmolekule. Mõned neist toimivad lühemate vahemaade ulatuses, liikudes vaid naaberrakkudeni. Näiteks ajus toimub närviimpulsi ülekande ajal dopamiini (või mõne muu nn virgatsaine) toimetamine ühest närvirakust teise. Teised aga võivad kanduda näiteks vereringet kasutades üsna kaugele: nii kandub insuliin, mida toodetakse kõhunäärmes, üle kogu keha kõigi rakkudeni ja võimaldab neil glükoosi kasutusele võtta.
Signaalmolekulid on tavaliselt väga võimsa toimega, mis tähendab seda, et kui nad satuvad valesse kohta või valel ajal, siis suudavad nad kasuliku tegevuse asemel palju segadust korraldada. Tagajärjeks võivad olla tõsised haigused ja ka organismi surm. Näiteks II tüüpi diabeedi puhul on probleemiks nii insuliini väljutamine pankreaserakkudest kui ka insuliini vahendatav glükoosi transport lihasrakkudesse. Ka meie immuunsüsteemi rakud toimetavad edasi mitmesuguseid signaale ja kindlustavad niiviisi organismile efektiivsed immuunreaktsioonid. On teada ka mitmeid bakteritoksiine, mille mürgine toime seisneb just selles, et nad halvavad organismisisesed transpordirajad – tuntuimad neist on botulismi- ja teetanusebakterite toksiinid.
Et õige koht ja aeg on signaalmolekulide jaoks kriitilise tähtsusega, siis on loomulik küsida, kuidas nad „teavad”, kuidas jõuda just õigesse kohta vajalikul ajal ja mitte organismi miljardite rakkude vahel „ära eksida”.
Ent elu on veelgi keerulisem. Ka rakkude sisemus ei ole üks ühtlane mass, vaid seal on palju ruume, mis on omavahel eraldatud mitmesuguste vaheseinte –
membraanidega. Sellised membraanid moodustavad keerulisi rakusiseseid labürinte (vt foto). Paljud signaalmolekulid, mis on sekreteeritavad valgud, sünteesitaksegi rakusisestel membraanidel ning nende väljumine rakust toimub mööda mitmesuguseid membraanidega ümbritsetud „siseruume” ja „kanaleid”. Rakutuuma ja mitokondrite ümber on lausa kahekordne membraan. Ka siin on oluline see, et signaalmolekulid pääseksid just õigesse kohta vajalikku tööd tegema ega satuks valesse kohta segadust tekitama.
Lahendus saadi biokeemia, rakubioloogia ja geneetika abiga
Selliste küsimuste uurimisega tegelesidki tänavuse Nobeli meditsiiniauhinna kolm laureaati Thomas Südhof, Randy Schekman ja James Rothman.
1970. aastate lõpuks, kui Rothman ja Schekman oma uuringuid olid alustanud, oli selge, et paljud signaalmolekulid toimetatakse edasi vesiikulite sees. Vesiikulid on pisikesed membraanidega ümbritsetud põiekesed, mida võib ette kujutada seebimullina – ainult et mulli piirava seebikihi asemel on rakumembraan. Teatud tingimustel sopistub ühest suurest mullist välja mõni pisike, läheb lendu ja kui kohtab teist mulli, võib sellega ühineda. Niiviisi on esimese suure mulli sisust üks väike osa sattunud teise mulli sisse. Seebimullide puhul on sisuks muidugi õhk, ent „rakumullide” –
vesiikulite – puhul on seal sees just olulised signaalmolekulid.
Kuidas aga rakud selliseid vesiikuleid tekitavad? Ja kuidas vesiikulid teavad, kuhu minna ning mil moel oskavad nad uute rakkudega kokku sulanduda? Nagu ikka, oli küsimuste lahendamiseks vaja mitut lähenemisviisi, mis hõlmasid nii biokeemiat, rakubioloogiat kui ka geneetikat.
Randy Schekman, kes töötas 1959. aasta Nobeli laureaadi Arthur Kornbergi laboris, otsustas kasutada geneetilist lähenemist. Tavalise pagaripärmi (Saccharomyces cerevisiae) rakud toodavad ja eritavad teatud tüüpi valke – glükoproteiide. Kuna pärmirakkudes geneetiliste mutatsioonide tegemine on üsna lihtne, siis otsustas ta teha terve hulga erinevaid mutante ning oletas, et kui mõnes mutandis on glükoproteiidide väljutamine häiritud, siis on põhjuseks vastava geeni mutatsioon, mille täpse olemuse saab seejärel kindlaks teha. Muidugi on loogiline arvata, et paljud sellised elutähtsad mutatsioonid lõpevad raku surmaga ning seetõttu kasutas ta nn temperatuuritundlikke mutante. Need on sellised geenimutatsioonid, mis käituvad ühel kasvutemperatuuril, nt 32 kraadi juures, täiesti normaalsena, võimaldades rakkudel kasvada ja paljuneda, ning alles mingil teisel kasvutemperatuuril (nt 37 kraadi) tuleb välja nende mutantne omadus, mis põhjustab rakkudes defekti.
Sellisel moel õnnestus Schekmanil kindalaks teha 23 geeni, mis on vajalikud glükoproteiidide normaalseks transpordiks rakkude sees ning nende väljutamiseks rakkudest. Edaspidi kirjeldas ta ka paljude nende geenide funktsiooni. Näiteks pani ta tähele, et mutatsioonid geenides sec17 ja sec18 põhjustasid raku sees ebatavaliselt väikeste vesiikulite kogunemise ning järeldas, et neil geenidel on oma roll vesiikulite kokkusulandumises – vastavate geenide defekt põhjustas funktsiooni kadumise.
James Rothman, kes oli 1970. aastatel Stanfordi ülikoolis noor uurija, lähenes probleemile biokeemikuna ning otsustas rakkudest välja puhastada need molekulid, mis on vesiikulite kokkusulandumisel määrava tähtsusega. Ta kasutas ära varasemat teadmist, et teatud viirus (vesikulaarse stomatiidi viirus e VSV) toodab rakku sisenemisel suure hulga valku (VSV-G), mida toimetatakse raku sees ühest ruumist teise ning tänu selle valgu erinevusele ülejäänud rakuvalkudest on võimalik tema transpordi eri etappe suhteliselt lihtsalt jälgida. Biokeemiliste meetoditega puhastas ta rakkudest mitmeid valke, millega VSV-G oma teel seondus ning mis olid vajalikud transpordisüsteemi korralikuks toimimiseks. Üks esimesi sel moel eraldatud transpordivalke sai nimeks NSF ning õige pea selgus ka, et tegu oli Schekmani avastatud geeni sec18 valguproduktiga. Et Rothman kasutas oma töös loomarakke, nt hamstri omi, Schekman aga pärmirakke, siis oli ka kohe selge, et transpordigeenid ja vastavad valgud on evolutsioonis konserveerunud – see tähendab, et tegemist on evolutsiooniliselt väga vana süsteemiga, mille komponendid ei ole miljonite aastate jooksul oluliselt muutunud.
Üks olulisi kohti organismis, kus toimub pidevalt intensiivne signaalmolekulide transportimine, on aju. Eri närvirakkude kohtumiskohas – sünapsides – antakse signaal ühelt närvirakult teisele jällegi vesiikulitesse pakitud signaalmolekulidega. Rothman uuris järgmisena, milliste valkudega seonduvad tema eraldatud NSF ja teised, ning leidis sünapside läheduses olevad mitmesugused sellised valgud (näiteks SNARE). Ehkki need valgud olid ka varem teada, näitas just Rothman, et tegu on kriitiliste valkudega, millest osa on vesiikuli membraanis (v-SNARE) ja teised märklaudraku membraanis (t-SNARE). Nende SNARE-valkude omavaheline äratundmine ja seondumine põhjustab selle, et vesiikul sulandub õige raku membraaniga ning mitte nende rakkude membraanidega, kellel õiget t-SNARE-valku ei ole. Erinevad vesiikulite ja märklaudrakkude SNARE-valgud moodustavad justkui erilise koodi, mis peavad sobima nagu lukk ja võti, et transpordiprotsess (membraanide ühinemine) edukalt lõpetatud saaks.
Rothman ja Schekman olid näidanud, milliste mehhanismidega toimub vesiikulite ühinemine märklaud­rakkudega. Kuidas aga kindlustada, et see toimuks just vajalikul ajal, ei hetkegi varem ega hiljem? Näiteks ajus peab virgatsainete liikumine ühest neuronist teise olema äärmiselt täpselt ajastatud ja toimuma just sellel hetkel, kui närviimpulss (aktsioonipotentsiaal) sellesse kohta jõuab. Samuti on oluline insuliini õigeaegne väljutamine pankreaserakkudest, et seda veres ringleks just nii palju, kui hetkel vaja.
Sellele küsimusele otsis vastust Thomas Südhof, kellest oli saanud noor teadlane Dallases. Aastaid tagasi olid Bernard Matz, Ulf von Euler ja Julius Axelrod (Nobeli auhind 1970) näidanud, et närvirakkude otstes asuvates sünapsides toimub virgatsainete kogunemine ning nende ülekanne naaberrakkudesse.

Aga kuidas siis toimub sündmuste ajastamine?
Südhof uuris, kuidas toimub ajus närvi­rakkudevaheline kommunikatsioon. Rothman ja Schekman olid teada saanud, milliste mehhanismide kaudu see toimub. Ent kuidas toimub sündmuste ajastamine? Närvirakkudes olevad vesiikulid vabastavad oma sisu ju ainult sel hetkel, kui närvirakk peab andma signaali edasi naaberrakkudele. Oli teada, et kuidagiviisi on selles protsessis olulised kaltsiumiioonid. Südhof hakkas otsima kaltsiumiioonidele tundlikke valke närvirakkudes ning avastas olulised molekulid, mis reageerivad kaltsiumi sissetungile. Osutus, et kui elektriline signaal (aktsioonipotentsiaal) jõuab närviraku otsani, siis muutub rakumembraan kaltsiumiioonidele läbilaskvaks ning need sisenevad rakku. Selle tulemusel aga toimub vesiikulite membraanide ühtesulandumine ning virgatsaine (dopamiini) liikumine järgmise neuroni poole. Just Südhofi tööd lisasid eelmistele „õige ajastuse” komponendi ning pilt sai terviklik.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming