Nobeli meditsiinipreemia 2009
Nobeli meditsiinipreemia võitsid tänavu Elizabeth Blackburn, Carol Greider ja Jack Szostak Nobeli komiteele tüüpiliselt elegantses sõnastuses „selle eest, kuidas telomeerid kaitsevad kromosoome ning telomeraasi ensüümi eest". Selle otsusega ületab naisteadlaste osa meditsiinipreemia laureaatide seas esmakordselt vapustava viie protsendi piiri.
Nobelini viinud avastuste tegemise ajal oli Carol Greider 24aastane elurõõmust pakatav doktorant Elizabeth Blackburni laboris. Blackburn ja Szostak olid oma põhjapanevate avastuste avaldamisel 30aastased. Kõik kolm hilisemat laureaati olid 1980. aastatel, mil tänavune auhind suures osas välja teeniti, veel noored ja väga aktiivsed teadlased, kelle tegevus tollasest molekulaargeneetika peavoolust veidi kõrvale jäi. Selleks et mõista, kuidas said Tasmaanias sündinud Blackburnist, Londonist pärit Szostakist ja ameeriklasest Greiderist teadusmaailma tähed, tuleb minna tagasi algusesse.
Nullpunktist ja haruldasest juhusest
Molekulaarbioloogia kui teaduse nullaastaks võib pidada aastat 1953, kui James Watson ja Francis Crick avaldasid esimese bioloogilise makromolekuli, desoksüribonukleiinhappe ehk DNA kolmemõõtmelise struktuuri. DNA on kahest vastassuunalisest ahelast koosnev kaksikheeliks, kus suhkur-fosfaat selgroog paikneb väljaspool ja neli lämmastikalust moodustavad seespool spetsiifilisi paare. Kuna mõlemad võimalikud aluspaarid on võrdse laiusega, on ka kaksikheeliks ühtlase läbimõõduga. Ahelate suunalisus tähendab lihtsalt, et „esimene" ja „tagumine" ots, mida DNA puhul kutsutakse vastavalt 5´ ja 3´otsteks, on erineva keemilise struktuuriga. Teadusajakirjas Nature avaldatud üheleheküljelise artikli ainus joonis on ühel või teisel kujul jõudnud pea igasse bioloogiaõpikusse. Lisaks on molekulaarbioloogide folkloori püsivalt kinnistunud ka tolle artikli viimane lause: „It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggest a possible copying mechanism." - „Meie tähelepanu alt ei ole välja jäänud, et meie poolt postuleeritud spetsiifiline paardumine viitab võimalikule kopeerimismehhanismile."
Tagantjärele tarkusena võib öelda, et siin on tegu väga haruldase juhusega, kus molekuli kolmedimensioonilise struktuuri kirjeldamine annab koheselt usutava vihje bioloogilise funktsiooni kohta; hilisem valkude ja RNAde kolmemõõtmeliste struktuuride kirjeldamine ei viinud sarnaselt elegantsete hüpoteeside püstitamisele, kuna avastatud struktuurid osutusid uurijate suureks pettumuseks ebakorrapärasteks ning seega vähemalt esialgu hoomamatult keerulisteks. Nimelt annab spetsiifiline aluspaardumine, kus A nukleotiid paardub alati T nukleotiidiga ning G nukleotiid C-ga, lihtsa võimaluse ühte ahelat matriitsina kasutades sellele teine ahel peale sünteesida, seejuures tütarahelas justkui peegelpildina matriitsahela järjestust säilitades. Nõnda saab põhimõtteliselt väga lihtsal viisil ükskõik kui kompleksset geneetilist informatsiooni täpselt kopeerida.
Problemaatiline elukorraldus?
Tõepoolest, DNA kopeerimise ehk replikatsiooni mehhanism osutus eksperimentaalsel uurimisel põhimõtteliselt selliseks, nagu Watson ja Crick ette nägid. Paraku lisas replikatsiooni eksperimentaalne uurimine protsessile keerukust. Nimelt selgus, et uue DNA ahela süntees toimub alati 5´- 3´ suunas ning et uue ahela sünteesi juuretab DNAle paarduva lühikese RNA ahela süntees, millele DNA polümeraas hakkab lisama DNA aluseid vastavalt paardumise reeglitele. Teadmata põhjusel vajavad kõik DNA polümeraasid, mis DNA matriitsilt uut DNAd paljundavad, alustuseks RNA juuretise 3´-otsa, millele lisatakse esimene DNA nukleotiid. RNA ahelad on DNAga keemiliselt üsna sarnased, kuid neid iseloomustab madalam stabiilsus: seega on neid rakus hõlpsam lagundada. Replikatsiooni käigus RNA juuretis tõesti lagundatakse ning asendatakse DNAga.
Nagu näha jooniselt, põhjustab selline elukorraldus väikese probleemi. Nimelt jäävad paljundatavate DNA ahelate 3´-otsad uude DNAsse kopeerimata, sest pärast seal asuva RNA juuretise lagundamist ei ole DNA polümeraasil kuhugi esimest nukleotiidi lisada. Sellisel viisil kopeerituna jääksid kromosoomid iga rakupõlvkonnaga õige pisut lühemaks. Inimese puhul moodustaks see lühenemine keskmiselt üks miljondik keskmisest kromosoomipikkusest rakujagunemise kohta. Sedavõrd tühine kahanemine ei peaks esmapilgul suuremat muret valmistama, aga kui arvestada, et keskmine inimene koosneb hinnanguliselt 1014 tuumakast rakust (ning 1015 bakterirakust), muutub kõik. Iga rakujagunemisega kaotavad meie kromosoomide 92 otsa kokku umbes 2000 aluspaari. Selleks, et ühest rakust saaks 1014, on vaja ümmarguselt 50 rakupõlvkonda, mille jooksul genoomi pikkus keharakkudes väheneks 100 000 aluspaari võrra. Arvestades, et perekond Homo on viimase 2,5 miljoni aasta jooksul andnud 83 000 põlvkonda, oleks meie genoom selle aja jooksul pidanud sugurakkudes kromosoomiotste arvel kaotama enam kui 160 miljonit aluspaari.
Ideaalne mudelorganism
Kromosoomiotste replikatsiooniprobleemi kirjeldas esmakordselt Vene bioloogiateoreetik Aleksei Olovnikov 1971. aastal. Ta pakkus välja hüpoteesi, mille kohaselt elu jooksul toimuv kromosoomiotste lühenemine viib keharakkude jagunemise peatumisele ja sealtkaudu organismi vananemisele. Ja ennustas ka, et hulkrakse elu järjekestvuse tagab ensüüm, mis sugurakkudes pikendab kromosoomiotste DNAd. Kromosoomiotste probleemile oli paraku raske eksperimentaalselt läheneda, kuna raku kohta on neid liiga vähe (inimesel 92), et neid olnuks mugav biokeemiliste meetoditega isoleerida.
Siin tuleb mängu Elizabeth Blackburn, kes 1975. aastal alustas värske doktorina tööd Joseph Galli laboris kromosoomiotste probleemi lahendamiseks. Neil oli õnn töötada kauni, just parasjagu eksootilise ning kromosoomiotste uurimiseks ideaalse organismiga. Nimelt tükeldab ainurakne loom Tetrahymena oma elutsükli käigus kromosoomid kümneteks tuhandeteks tükkideks. Nõnda ei tule Tetrahymena't kasvatades kunagi kromosoomiotstest puudust.
Töömahuka DNA järjestamise tulemusel avastasid Blackburn ja Gall 1978. aastal, et Tetrahymena kromosoomide otsad koosnevad kuuealuselistest segmentidest, mis identsete järjestustena 20-70 korda korduvad. Sellised kromosoomiotstes asuvad monotoonsed järjestused ongi telomeerid (telos on kreeka keeles ots ja meros on osa). Seega, kui kromosoomide sisemised piirkonnad sisaldavad kõrge kompleksusega funktsionaalseid geenijärjestusi, siis telomeerid on hoopis teistsugused elemendid - struktuursed. Telomeere on sageli võrreldud kingapaelte plastotstega, mis ei lase paeltel otsast hargnema hakata.
Appi tuli pärm
Teadmine, et telomeerid koosnevad ebatavalistest DNA-järjestustest, ei tähenda paraku iseenesest, et neil kromosoomiotste kaitsmisel ka mingi sisuline roll on. Telomeeride funktsiooni näitamisel osutus õigeks meheks pärmiuurija Jack Szostak, kes teadis, et võõra DNA viimine pärmi rakkudesse viib reeglina selle lagundamisele. Koostöös Elizabeth Blackburniga liitsid nad Tetrahymena telomeerid pärmirakkudes tavaliselt lagundatava DNAga ning näitasid 1982. aastal, et telomeeridega DNAd enam ei lagundatud. Veelgi enam, pärm hakkas Tetrahymena telomeeridele oma telomeeride järjestusi lisama. See katse ei tõestanud üksnes, et telomeersetel järjestustel on DNAd stabiliseeriv roll, vaid näitas ka telomeeride kõrget evolutsioonilist konserveerumist: kui looma telomeerid töötasid seenes, pidid nad sarnase funktsiooniga olema ka nende ühises eellases, kes tõenäoliselt enam kui miljardi aasta eest ringi ujus.
Peamine sai selgeks
Nüüd, kus oli selgunud nii telomeeride järjestus kui heidetud valgust nende bioloogilisele tähtsusele, tekkis võimalus lahendada algne DNA otste paljundamise probleem: kuidas paljundada DNA ahela 3´-otsa ilma RNA juuretiseta. 1985. aastal õnnestus Carol Greideril koos Elizabeth Blackburniga näidata, et telomeerseid kordusi lisatakse tõesti kuue nukleotiidi kaupa kromosoomide otstesse. 1987. aastaks olid nad isoleerinud ensüümkompleksi, mis telomeere pikendab (seega telomeraasi) ning näidanud, et see koosneb RNAst ja valgust. Mõne järgneva aasta jooksul selgus, et telomeraas on pöördtranskriptaas ehk DNA polümeraas, mis kasutab matriitsina RNAd, mitte DNAd, nagu „tavalised" DNA polümeraasid. Seega ei vaja telomeraas, erinevalt „tavalistest" DNA polümeraasidest, sünteesi alustamiseks matriitsile aluspaardunud juuretist. Telomeraasi ensümaatiliselt aktiivse valgu kirjeldamine 1990. aastate keskpaigaks tähendas, et põhijoontes olid telomeeride olemus ja sünteesi mehhanismid välja selgitatud.
Liigselt muretsemata rakenduse pärast
Kirjeldatud katsed andsid küll lahenduse baasteaduslikule kromosoomiotste replikatsiooniprobleemile, kuid ei oma iseenesest nähtavat meditsiinilist rakendust. 1989 näitasid Vicki Lundblad ja Jack Szostak, et defektset telomeraasi sisaldavad pärmirakud lõpetavad koos telomeeride järkjärgulise lühenemisega ka paljunemise, justkui enneaegselt vananedes. Tänaseks on näidatud inimese telomeraasi mutatsioonidest põhjustatud telomeeride lühenemise seoseid mitmete haigustega. Mõned neist on seotud enneaegse vananemise sündroomidega.
Kui telomeeride lühenemine põhjustab rakujagunemiste peatumist ja vananemist, siis telomeeride pikendamine vastupidi soodustab rakkude jagunemist. Inimeses on telomeraasi ensüümi leitud eelkõige sugurakkudes ja tüvirakkudes, mis peavad olema vajadusel alati võimelised jagunema. Telomeraas annab seega rakkudele midagi surematuse taolist. Keharakkude surematus ei pruugi aga alati organismi jaoks hea uudis olla. Tõepoolest, aktiivset telomeraasi ensüümi on leitud 90 protsendist vähirakkudest. Seega on telomeraas praegusel hetkel üks paljulubavamaid märklaudu vähi ravis ja väga aktiivse praktilise huvi objekt (Google'i otsing telomerase + cancer annab üle poole miljoni vaste).
Kokkuvõtteks võib öelda, et tänavuse meditsiininobeliga tunnustati teadlasi, kes oma teaduslike huvide praktiliste väljundite pärast liigselt muretsemata lahendasid baasteaduses üleskerkinud probleemi ning panid sellega aluse uutele suundadele vähi ja vananemise bioloogias.
ÜLO MAIVÄLI (1972) on Tartu Ülikooli Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituudi teadur. Lõpetanud 1995 Tartu Ülikooli molekulaarbioloogia erialal ja kaitsnud samas 2004 doktorikraadi. Aastail 2005-2006 oli postdoktorantuuris Dundee Ülikoolis. Põhiline uurimisteema: ribosoomide metabolism bakterirakus.
