NOBELI MEDITSIINIPREEMIA 2024 ⟩ Ambros ja Ruvkun avastasid rakke peenhäälestavad vidinad – algul ei uskunud neid keegi

Caenorhabditis elegans'i turjal ratsutati Nobeli meditsiinipreemiateni. Foto: Wikimedia Commons

Tänavuse Nobeli preemiaga tunnustati kaht teadlast – Victor Ambrost ja Gary Ruvkuni –, kes avastasid geenide aktiivsuse reguleerimise aluspõhimõtted ja näitasid ära selle toimemehhanismid.

Meie kromosoomidesse salvestatud teavet võib võrrelda meie keha kõigi rakkude jaoks kirja pandud kooste- ja kasutusjuhendiga: iga rakk sisaldab samu kromosoome, seega sisaldab iga rakk täpselt samu geenide komplekti ja täpselt samu juhiseid. Erinevatel rakutüüpidel, nagu lihas- ja närvirakud, on aga väga erinevad omadused. Kuidas need erinevused tekivad? Vastus peitubki geeniregulatsioonis, mis võimaldab igal rakul valida ainult asjakohased juhised. See tagab, et igas rakutüübis on aktiivsed ainult need õige geenid.

Victor Ambros ja Gary Ruvkun tundsid huvi, kuidas erinevad rakutüübid arenevad. Nad avastasid mikro-RNA, uue klassi pisikesi RNA molekule, millel on geeniregulatsioonis ülioluline roll. Nende murranguline avastus paljastas täiesti uue geeniregulatsiooni põhimõtte, mis osutus hulkraksete organismide, sealhulgas mõistagi ka inimeste jaoks ülioluliseks, et mõista, kuidas samast genoomist tekib sedavõrd suur hulk erinevaid rakke. Nüüd on teada, et inimese genoomist võib tekkida üle tuhande erineva mikro-RNA. Nende üllatav avastus paljastaski geeniregulatsioonis täiesti uue mõõtme. Mikro-RNA-d on osutunud organismide arenemise ja toimimise seisukohalt väga oluliseks.

Detailsem selgitus 

Tänavuse Nobeli meditsiinipreemia andmise põhjuseks on rakkudes toimuvate ning elutähtsate regulatsioonimehhanismide avastamine, millega on kindlaks tehtud geenide detailsed kontrollmehhanismid: geneetiline teave liigub DNA-st sõnumitooja (messenger) RNA-sse (mRNA) protsessi, mida nimetatakse transkriptsiooniks, ja seejärel käivitubki rakkudes valkude tootmine. Seal tõlgitakse mRNA-sid nii, et valgud valmistatakse DNA-s talletatud geneetiliste juhiste järgi. Reegel on selline, et igale kolmele nukleotiidile vastab valgusünteesis konkreetne aminohape (valgu koostisosa). Rakus tegutsev ribosoom loeb sellest läbi liikuvat mRNA-d nagu valgu koostejuhendit ja järjestabki aminohappeid selle juhendi alusel valguks. Alates 20. sajandi keskpaigast on mitmed kõige fundamentaalsemad teaduslikud avastused selgitanud, kuidas need protsessid toimivad.

Meie elundid ja koed koosnevad paljudest erinevatest rakutüüpidest, mille DNA-sse on salvestatud identne geneetiline teave. Need erinevad rakud ekspresseerivad aga ainulaadseid valkude komplekte. Kuidas see võimalik on? Vastus peitub geenide aktiivsuse ülitäpses reguleerimises, nii et igas konkreetses rakutüübis on aktiivne ainult õige – selle raku olemust tagav – geenide komplekt. See võimaldab näiteks lihasrakkudel, soolerakkudel ja erinevat tüüpi närvirakkudel täita oma spetsiifilisi funktsioone. Lisaks tuleb geenide aktiivsust pidevalt peenhäälestada, et kohandada rakufunktsioone meie keha ja keskkonna muutuvate tingimustega. Kui geeniregulatsioonis läheb midagi viltu, võib see põhjustada tõsiseid haigusi, nagu vähki, diabeeti või autoimmuunhaigusi. Seetõttu on geenide aktiivsuse regulatsiooni mõistmine olnud paljude aastakümnete oluline eesmärk.

Geneetilise teabe voog: DNA-st saab mRNA ja sellest valgud

Identne geneetiline teave on salvestatud kõigi meie keharakkude DNAsse. See nõuab geenide aktiivsuse täpset reguleerimist, et igas konkreetses rakutüübis oleks aktiivne ainult õige geenide komplekt.

1960. aastatel näidati, et spetsiaalsed valgud, mida tuntakse transkriptsioonifaktoritena, võivad seostuda DNA spetsiifiliste piirkondadega ja kontrollida geneetilise teabe voogu, määrates kindlaks, milliseid mRNA-sid toodetakse. Sellest ajast peale on tuvastatud tuhandeid transkriptsioonifaktoreid ja pikka aega arvati, et geeniregulatsiooni peamised põhimõtted on lahendatud. Kuid 1993. aastal avaldasid tänavused Nobeli preemia laureaadid ootamatult aga veel ühed molekulid, mis kirjeldasid geeniregulatsiooni uut taset, mis osutus väga oluliseks: tegemist oli evolutsioonilises mõttes väga vana mehhanismiga.

Väikese ussi uurimine viib suure läbimurdeni

1980. aastate lõpus olid Victor Ambros ja Gary Ruvkun koos Sydney Brenneri ja John Sulstoniga 2002. aastal Nobeli preemia saanud Robert Horvitzi laboris järeldoktoriteks. Horvitzi laboris uurisid nad suhteliselt vähenõudlikku 1 mm pikkust ümarussi Caenorhabditis elegans. Vaatamata oma väiksusele on C. elegans'il palju spetsiifilisi rakutüüpe, nagu närvi- ja lihasrakud, mida leidub ka suurematel ja keerukamatel loomadel, mistõttu on see kasulik mudel kudede arenemise ja küpsemise uurimiseks hulkraksetes organismides. Ambros ja Ruvkun olid huvitatud geenidest, mis kontrollivad erinevate geneetiliste programmide aktiveerimise ajastust, tagades erinevate rakutüüpide õigeaegse arengu. Nad uurisid kahte mutantset usside tüve, lin-4 ja lin-14, millel ilmnes arengu ajal geneetiliste programmide aktiveerimise ajastusesdefekte. Laureaadid soovisid tuvastada muteerunud geenid ja mõista nende funktsiooni. Ambros oli varem näidanud, et lin-4 geen näis olevat lin-14 geeni negatiivne regulaator. Kuid kuidas lin-14 aktiivsus blokeeriti, polnud teada. Ambros ja Ruvkun olid nendest mutantidest ja nende võimalikest suhetest huvitatud ning asusid neid saladusi lahendama.

Victor Ambros uuris oma vastloodud Harvardi ülikooli laboris C. elegans'i nimelise ussi nn lin-4 mutanti. Metoodiline kaardistamine võimaldas geeni kloonida ja viis ootamatu leiuni: lin-4 geen tootis ebatavaliselt lühikese RNA molekuli, millel puudus kood valkude tootmiseks. Need üllatavad tulemused näitasid, et see väike lin-4 RNA vastutab lin-14 inhibeerimise eest. Kuidas see toimib?

Samal ajal uuris Gary Ruvkun lin-14 geeni reguleerimist oma vastloodud laboris Massachusettsi üldhaiglas ja Harvardi meditsiinikoolis. Erinevalt sellest, kuidas geeniregulatsioon siis teadaolevalt toimis, näitas Ruvkun, et lin-4 ei inhibeeri lin-14 mRNA tootmist. Reguleerimine näis aset leidvat geeniekspressiooni protsessi hilisemas etapis valgu tootmise peatamise kaudu. Katsed näitasid ka lin-14 mRNA lõiku, mis oli vajalik selle inhibeerimiseks lin-4 poolt. Kaks laureaati võrdlesid oma tulemusi, mille tulemuseks oli läbimurdeline avastus.

Lühike lin-4 järjestus sobis komplementaarsete järjestustega lin-14 mRNA kriitilises segmendis. Ambros ja Ruvkun viisid läbi täiendavad katsed, mis näitasid, et lin-4 mikro-RNA lülitab lin-14 välja, seondudes selle mRNA komplementaarsete järjestustega, blokeerides lin-14 valgu tootmist. Avastatud oli uus geeniregulatsiooni põhimõte, mida vahendab seni tundmatu RNA tüüp, mikro-RNA! Tulemused avaldati 1993. aastal kahes artiklis ajakirjas Cell.

Avaldatud tulemused võttis teadlaskond algul vastu peaaegu kõrvulukustava vaikusega. Kuigi tulemused olid huvitavad, peeti ebatavalist geeniregulatsiooni mehhanismi C. elegans'i eripäraks, mis ei ole inimeste ja muude keerukamate loomade puhul tõenäoliselt asjakohane. See arusaam muutus 2000. aastal, kui Ruvkuni uurimisrühm avaldas oma avastuse teise mikro-RNA kohta, mida kodeerib let-7 geen. Erinevalt lin-4-st oli let-7 geen vägagi iidne ja esines kogu loomariigis. Artikkel tekitas suurt huvi ja järgnevate aastate jooksul tuvastati sadu erinevaid mikro-RNA-sid. Tänapäeval teame, et inimestel on erinevatele mikro-RNA-sid kodeerimas rohkem kui tuhat geeni ja et geeniregulatsioon mikro-RNA poolt on mitmerakuliste organismide seas täiesti universaalne.

Lisaks uute mikro-RNA-de kaardistamisele selgitasid mitmete uurimisrühmade katsed mehhanisme, kuidas mikro-RNA-sid toodetakse ja reguleeritud mRNA-des täiendavatesse sihtjärjestustesse tarnitakse. Mikro-RNA seondumine viib valgusünteesi pärssimiseni või mRNA lagunemiseni. Huvitaval kombel võib üks mikro-RNA reguleerida paljude erinevate geenide ekspressiooni ja vastupidi, ühte geeni saab reguleerida mitme mikro-RNA-ga, koordineerides ja viimistledes seeläbi terveid geenivõrke.

Funktsionaalsete mikro-RNA-de tootmiseks mõeldud rakulisi masinaid kasutatakse ka teiste väikeste RNA molekulide tootmiseks nii taimedes kui loomades, näiteks taimede kaitsmiseks viirusnakkuste eest. 2006. aastal Nobeli preemia saanud Andrew Z. Fire ja Craig C. Mello kirjeldasid RNA interferentsi, mille puhul spetsiifilised mRNA-molekulid inaktiveeritakse, lisades rakkudele kaheahelalise RNA.

Väikesed RNA-d, millel on sügav füsioloogiline tähtsus

Geeniregulatsioon mikro-RNA poolt, mille esimest korda avastasid Ambros ja Ruvkun, on toiminud Maal sadu miljoneid aastaid. See mehhanism on võimaldanud areneda üha keerulisemaks muutuvatel organismidel. Geeniuuringutest teame, et rakud ja koed ei arene normaalselt ilma mikro-RNA-deta. Mikro-RNA ebanormaalne regulatsioon võib soodustada vähki ja inimestel on leitud mutatsioone mikro-RNA-sid kodeerivates geenides, mis põhjustavad selliseid haigusi nagu kaasasündinud kuulmiskaotus, silma- ja luustikuhäired. Mutatsioonid ühes mikro-RNA tootmiseks vajalikest valkudest põhjustavad DICER1 sündroomi, haruldase, kuid raske sündroomi, mis on seotud vähiga erinevates organites ja kudedes.​

Foto: Wikimedia Commons

Victor Ambros

sündis 1953. aastal Hannoveris New Hampshire'is USAs. Ta sai doktorikraadi 1979. aastal Massachusettsi tehnoloogiainstituudist (MIT) Cambridge'is, MA, kus ta tegi ka järeldoktorantuuri aastatel 1979–1985. 1985. aastal sai temast Cambridge'i MA Harvardi ülikooli juhtivteadur. Aastatel 1992–2007 oli ta Dartmouthi meditsiinikooli professor ja nüüd on ta Silvermani loodusteaduste professor Massachusettsi ülikooli meditsiinikoolis Worcesteris, MA.

Foto: Stephen Lam

Gary Ruvkun

sündis 1952. aastal USAs California osariigis Berkeleys. Doktorikraadi omandas ta Harvardi ülikoolis 1982. aastal. Ta oli 1982–1985 Cambridge'i MA, Massachusettsi tehnoloogiainstituudi (MIT) järeldoktor. 1985. aastal sai temast Massachusettsi üldhaigla ja Harvardi meditsiinikooli juhtivteadur, kus ta on praegu geneetikaprofessor.