Kõige lihtsama pärmiraku valmistamiseks tuleks miniaturiseerida sama palju erinevaid detaile, kui neid leidub reaktiivlennukis Boeing 777. Need tuleks mahutada viiemikronilise läbimõõduga kerra ja sundida siis seda kera end taastootma. Inimkeha rakud on selle kõige kõrval veel võrreldamatult keerukamad.

- Bill Bryson "Kõiksuse lühiajalugu"

Rakud on oma olemuselt elusorganismide ehituskivid, mis uuenevad pooldumise teel. Just pooldumine on eluslooduses esmatähtis protsess, mis määrab elu jätkuvuse ja geneetilise info edasikandumise.

Selleks, et pooldumine toimuks, on igas rakus keerukatel signaalisüsteemidel põhinev kellavärk, milles kehtivaid seaduspärasusi kontrollivad valkudevahelised ühendused ja keemilised reaktsioonid. Suurt osa neist ühendustest kontrollitakse valkudele fosfaatrühmade lisamise ehk fosforüülimise kaudu. See on otsekui lüliti, mis muudab valgu esialgset ülesannet või aktiivsust ja loob teatud tingimustel võimaluse rakusiseste protsesside kontrollimiseks.

Raku jagunemisel põhirolli mängivad valgud, tsükliinid ja nende aktiveeritavad ensüümid – kinaasid – avastati 1990. aastatel. Saavutus oli sedavõrd oluline, et 2001. aastal pälvisid avastuse tegijad Nobeli meditsiinipreemia. Tegemist on molekulidega, mis määravad rakus toimuva jagunemistsükli kulu, liites fosfaatrühmi sadadele valkudele. Seni on olnud aga selgusetu mehhanism, kuidas need põhivalgud täpselt toimivad. Kuidas suudab üks kinaas käivitada eri ajahetkedel eri sündmusi?

Kellavärgi häälestamine minuti täpsusega

Mihkel Ördi doktoritöö annab väga olulised vastused raku pooldumist mõjutavate signaalide ja nende kontrollimise kohta. Kui senised teadmised võimaldasid raku pooldumist ehk rakutsükli "kella" kontrollida justkui mõnetunnise täpsusega, siis Ördi doktoritöö tulemuste põhjal saab seda teha märksa kindlapiirilisemalt.

"Rakutsükli ja kella võrdlust kasutades oleme jõudnud raku pooldumise kontrollimisel piltlikult tunniosutite tasandilt minutiteni," selgitas doktoritöö juhendaja, Tartu Ülikooli molekulaarse süsteemibioloogia professor Mart Loog.

Üha täpsem arusaam rakkude pooldumisest aitab paremini mõista ka nende kontrollimatut jagunemist näiteks kasvajates. Samuti võimaldab see disainida täpsemini tegutsevaid rakke biotehnoloogia valdkonnas. Töö kaalukust kinnitab tõsiasi, et rakkude jagunemise uurimise käigus on Örd avaldanud 14 artiklit valdkonna väga mõjukates teadusajakirjades. Eeltöö selleks algas juba kümne aasta eest, mil huvi rakkude toimimise vastu viis Ördi bakalaureusetudengina Mart Loogi töörühma.

Uurimisrühm keskendus küsimusele, kuidas on valkudesse kodeeritud fosforüleerimise mustrid, mis korraldavad rakkude pooldumist. Esimesed tõsisemad teadustööd avaldas töörühm sellel teemal kümme aastat tagasi ajakirjades Nature ja Molecular Cell ning nende eest saadi tunnustuseks riiklik teaduspreemia. Signaalisüsteemi uurimiseks vajalike eksperimentide tegemisel oli Ördil juba toona oluline roll.

"Esialgsetes biokeemilistes uuringutes kirjeldati, kuidas tsükliinist sõltuv kinaas katseklaasis valke fosforüülib. Nende katsete põhjal seati edasised hüpoteesid ja sealt oleme kümne aastaga jõudnud arusaamiseni, kuidas teatud biokeemilised parameetrid — valkudesse kodeeritud aminohappejärjestuste mustrid ehk motiivid — mõjutavad rakus valkude erinevat fosforüülimist," selgitas Loog.

Loogi töörühm määras kindlaks parameetrite süsteemi, mida kutsutakse multifosforüülimise koodiks. See kirjeldab, kuidas valkude struktuurita osad ja nendes paiknev aminohappejärjestuste muster toimivad nii, et nende abil saab eri signaale töödelda. Rakutsükli puhul on signaaliks pidevalt suurenev tsükliinist sõltuva kinaasi aktiivsus, mille rakk tõlgib erinevate motiivide kaudu fosforüülimise ajaks.

Õigeaegne fosforüülimine omakorda tagab rakutsükli protsesside korrektse järjekorra ja aja. "Hiljuti kinnitasid meie töödes esitatud mudelite õigsust sõltumatult ja teiste meetoditega mitu kõrgetasemelist tööd kolleegidelt Suurbritannias ja USA-s. Kirjeldatud mehhanism näitab laiemalt, kuidas töödeldakse signaale rakkudes," rääkis Loog.

Mihkel Ördi sõnul on Tartu Ülikooli molekulaarse süsteemibioloogia labori teadlased jõudnud viie aastaga suhteliselt hea arusaamiseni, kuidas multifosforüülimise kood töötab. Aastakümneid on molekulaarbioloogid keskendunud peamiselt kindla struktuuriga valguosade uurimisele. Samas on enamikul valkudel ka struktuurita osad, mille kaudu toimub nende aktiivsuse regulatsioon.

Tartu Ülikooli molekulaarbioloogia kaasprofessori Ilona Faustova sõnul arvati veel 10–15 aasta eest, et ennekõike need struktuuriga osad mõjutavad rakutsüklit. Nüüd pööratakse aga üha suuremat tähelepanu struktuurita valkudele, mille puhul on leitud, et nad osalevad signaalitöötluses.

Vabalt ringi hõljuva valguosana on nad rakus liikuvatele ensüümidele vabalt ligipääsetavad. Kuna struktuurita valgud koosnevad mitmesugustest aminohapete motiividest, mis on ensüümidele lugemiseks avatud otsekui vöötkoodid, siis on nad raku signaalitöötluses olulisel kohal.

Tartu Ülikooli teadlased leidsid, et tsükliinid seonduvad eri motiivide kaudu sihtmärkvalkudega, vahendades kindlate valkude fosforüleerimist eri aegadel rakutsüklis. Sel moel on neil tähtis roll rakutsükli kogu signaaliliikluse reguleerimisel.

Loogi töörühm on välja selgitanud, kuidas suudab üks ensüüm käivitada rakutsükli jooksul sadu protsesse täpselt õigel ajal. "Kui algul peeti tsükliine lihtsalt kinaasi aktiveerijateks, siis meie töö on näidanud, et tsükliinid seonduvad eri motiivide kaudu sihtmärkvalkudega, vahendades kindlate valkude fosforüleerimist eri aegadel rakutsüklis. Sel moel on neil tähtis roll rakutsükli kogu signaaliliikluse reguleerimisel," sõnas Örd. (vt joonis 1).

"Oleme leidnud võimaluse, kuidas kontrollida rakkude pooldumist. Selle teadmisega on võimalik jõuda mõjuka arenguni mitmes valdkonnas, olgu selleks tööstuslikus biotehnoloogias kasutatavate sünteetiliste disainerrakkude töö juhtimine või uued vähiravimeetodid," rääkis Faustova.

Uued arengusuunad vähiravis

Just vähiuuringud on teema, millega Örd jätkab Londoni Ülikooli vähiuuringute keskuses, mis on üks mõjukamaid vähiuuringute asutusi maailmas. Tema teadustöö eesmärk on leida uusi vähiravi sihtmärke. Selleks uurib Örd valkudevahelist suhtlust ja seda, mis juhtub rakkudega siis, kui teatud suhtlusliine pärssida.

"Erinevad vähkkasvajad sõltuvad eri signaalidest ja kui me neid takistame, tekib olukord, mis võimaldab täpselt sihtides pidurdada spetsiifiliste kasvajarakkude tegevust väga varases faasis. Kui me leiame sellise funktsiooni rakus, mille pärssimine tõkestab kasvaja arengut, disainitakse samas instituudis molekul, mida saaks tulevikus kasutada ravimina," selgitas Örd.

Siinkohal on suureks abiks Tartus tehtud põhjalik töö struktuurita valkude uurimisel. "Ravimiuuringute puhul on struktuurita valguosad jäänud seni suuresti kõrvale, sest neid on keerulisem uurida. Üritan järeldoktoriprojektis seda lünka täita," oli Örd lootusrikas.

Loe doktoritööd täies mahus Tartu Ülikooli digikogus.