Rakuteooriast kloonimiseni

Rein Sikut

Millega tegeleb biotehnoloogia? Kes on transgeensed organismid? Mis on kloonimine? Sellest arusaamiseks peab tundma raku olemust, ehitust, talitlusi.

RAKUTEOORIA JA SELLE TÄHTSUS

17.sajandi keskpaigast, mil Hollandi teadlane Antony van Leeuwenhoek ja Inglise teadlane Robert Hooke esmakordselt mikroskoobi abil rakke vaatlesid, kulus rakuteooria formuleerimiseni veel peaaegu kaks sajandit. Rakuteooria sünniajaks loetakse aastaid 1838 -1839. Siis kujunes välja vaadete süsteem, mille aluseks oli teadmine:

kõik elusorganismid koosnevad rakkudest ja nende elutegevuse produktidest.

Täna on rakuteooria üks suuremaid üldistusi bioloogias, mida võib sõnastada ka nii:

rakk on elu elementaarüksus, kõikide organismide ehituse, talitluse ja paljunemise põhiüksus. Allpool rakutaset ei saa rääkida elust.

Rakuteooria loomisest on möödunud üle 160 aasta ning selle aja jooksul on inimkond õppinud tundma rakkude (laiemas tähenduses elu) funktsioneerimise molekulaarseid aluseid. Osatakse kasvatada rakke väljaspool organismi kunstlikel söötmetel ja rakkude geneetilise materjaliga manipuleerides panna neid tootma soovitud aineid. Veelgi enam:geneetiliselt manipuleeritud rakkudest on võimalik saada terviklikke organisme - transgeenseid taimi või loomi. Tohutu kiirusega areneb biotehnoloogiatööstus, mis tugineb meie teadmistele rakkude funktsioneerimise molekulaarsetest mehhanismidest.

RAKKUDE EHITUS

MEMBRAAN JA KEST

Kuidas rakk ülejäänud maailmast eraldub?

Kõik elusrakud (nii taime-, looma- kui bakterirakud) on ümbritsetud peamiselt fosfolipiididest koosneva plasmamembraaniga .See on pool-läbilaskev barjäär, mis piiristab rakku muust keskkonnast ning säilitab erinevused raku sise- ja väliskeskkonna vahel.

Taimerakkudel ning paljudel bakterirakkudel on lisaks plasmamembraanile ka rakukest. Rakukest kujutab endast raku sünteesitud materjale, mis ladestuvad plasmamembraani välisküljel. Näiteks taimerakkudel koosneb kest tselluloosi kiududest, mis on sisestatud polüsahhariidsesse ja valgulisse maatriksisse.

Rakukest annab taimerakule mehaanilise tugevuse, mis lubab muuhulgas taluda siserõhku - turgorit.

TUUMATA JA TUUMAGA RAKUD

Kogu elusloodus jagatakse laias laastus kaheks suureks riigiks: eukarüootsed ehk päristuumsed ja prokarüootsed ehk eeltuumsed organismid.

Eukarüootsetel rakkudel on olemas tuum ning palju teisi rakusiseseid struktuure.

Prokarüootsetel rakkudel tuuma ei ole ning nende siseehitus on lihtsam. Eeltuumsed rakud on palju väiksemad ja prokarüootsed organismid - prokarüoodid - eksisteerivad peamiselt üherakulistena. Prokarüootide hulka kuuluvad näiteks kõik mikroobid, samuti tsüanobakterid (endise nimetusega sinivetikad).

Järgnev räägib eukarüootsetest rakkudest - evolutsiooni käigus edukamatest, kuna nende baasil on arenenud väga keerukad hulkraksed organismid inimeseni välja.

ORGANELLID

Eukarüootsete rakkude sisemus on liigendatud mitmeks eri kompartmendiks (nii-öelda ehitusüksuseks) ehk organelliks, näiteks rakutuum,tsütoplasma võrgustik, Golgi kompleks, lüsosoomid, peroksüsoomid, mitokondrid, plastiidid, sekretoorsed graanulid. Kõik need kompartmendid on ümbritsetud kas ühe-või kahekordse membraaniga, mis ehituselt ja koostiselt sarnaneb raku välismembraaniga.

Peale nende on tsütoplasmas veel mitmeid membraaniga ümbritsemata organelle ja struktuure: valgusünteesi läbi viivad ribosoomid, valke lagundavad proteosoomid, valgulistest filamentidest koosnev tsütoskelett.

Vale on liigitada organelle tähtsuse järgi: kõik nad on raku elutegevuseks hädavajalikud, igaühel on kindlad funktsioonid.

Selle artikli ülesanne pole lähemalt tutvustada kõikide rakuorganellide ehitust ja funktsioneerimist. Peatugem ainult mõnel neist.

RAKUTUUM JA TUUMAKE

Rakutuum on kõikidele eukarüootsetele rakkudele iseloomulik organell. Tuuma ümbritseb kahekordne membraan: eristatakse tuuma välis- ja sisemembraani.

Rakutuuma peamine ülesanne on päriliku materjali ehk DNA säilitamine. DNA on rakutuumas tihedalt kokku pakitud, vaatamata millele toimuvad DNA-ga mitmesugused protsessid, näiteks DNA kahekordistamine ehk replitseerimine ja DNA ümberkirjutamine ehk transkribeerimine informatsiooniliseks RNA-ks (mRNA).

Rakutuumas pannakse kokku ka valgusünteesi läbi viivad organellid - ribosoomid. Need on paljudest eri valkudest ja mitmest RNA-st koosnevad moodustised, mis valmivad rakutuuma spetsiaalsetes piirkondades - tuumakestes.

PÄRILIKKUSAINE TUUMAS

Hea ülevaate ainete kontsentratsioonist rakutuumas annab fakt, et näiteks inimese kromosoomi pikkus, kui ta oleks lahti harutatud lineaarseks DNA molekuliks, on 1,7 kuni 8,5 sentimeetrit. Kui kõik inimese 46 kromosoomi lahti harutada, ulatuks nende kogupikkus 2 meetrini.

Kõik see mahutatakse rakutuuma, mille diameeter on umbes 5 µm (5 tuhandikku millimeetrit). See on sama, mis pakkida 20 kilomeetrit peenikest traati tennispalli sisse.

Lisaks DNA-le on rakutuumas rohkesti DNA-ga seonduvaid valke, mis aitavad pärilikkusainet õigesti kokku pakkida, seda kahekordistada või transkribeerida RNA-ks.

TEAVE DNA-S

Rakutuumas olev DNA sisaldab infot kõigi rakus sünteesitavate valkude ja RNA-de kohta. Valgud on raku olulised ehituskivid, samas valkude kaasabil sünteesitakse omakorda väga paljusid muid aineid.

Kogu DNA-s sisalduv informatsioon on kirja pandud nelja erineva nukleotiidi kombinatsioonina. Nukleotiide märgitakse tähtedega A, T, C ja G. Nukleotiidide lineaarne järjestus määrabki sünteesitavate valkude aminohappelise järjestuse. See omakorda aga määratleb valgu omadused ja selle paiknemiskoha rakus.

Nukleotiidide järjestuse tõlkimine valgu aminohappeliseks järjestuseks toimub spetsiaalse võtme - geneetilise koodi - abil.

Rakutuumas asub kogu info raku või organismi ehituse ja talitluse kohta. Kõik ülejäänud raku organellid toimivad selleks, et tuumas salvestatud teavet kasutada ja täide viia.

ERINEVAD RAKUD

Kui vaatame inimese organismi, näeme, et meie keha koosneb väga paljudest eri tüüpi rakkudest, mis moodustavad erinevaid kudesid. Rakkude tuumades on aga täpselt ühesugune informatsioon.

Tähendab, et üks konkreetne rakk kasutab ainult teatud kindlat osa tuumas olevast informatsioonist.

Närvirakk on oma kujult, sünteesitavate valkude koostiselt ja funktsioonilt tundmatuseni erinev näiteks vererakust. Erinevus tuleb sellest, et närvirakk kasutab ülesehituseks ja funktsioneerimiseks üht osa tuumas salvestatud informatsioonist, vererakk aga teist.

DIFERENTSEERUMISE REEGLID

Keeruline hulkrakne organism on alguse saanud ühest ainsast rakust - viljastatud munarakust ehk sügoodist.

Sügoodi jagunemisel tekib palju eri tüüpi rakke. Seda protsessi nimetatakse rakkude diferentseerumiseks.

Viljastatud munaraku jagunemisel ja diferentseerunud rakkude tekkel kehtivad kindlad reeglid.

1. Rakkude diferentseerumine on pöördumatu: vererakust ei saa mingil juhul areneda lihasrakku, lihasrakust närvirakku jne.

2. Rakkude diferentseerumise käigus nende jagunemise potentsiaal tavaliselt väheneb. Paljud kõrgelt spetsialiseerunud rakud (närvirakud, lihasrakud) ei jagune enam kunagi.

On ka erandeid: mõnedes kudedes on rakke, mis on küll spetsialiseerunud kindlate ülesannete täitmisele, kuid on säilitanud ka jagunemisvõime. Vajaduse tekkimisel uute rakkude järele käivitub nende jagunemine. Hea näide on maksarakud, mis suudavad maksa koe vigastuse korral kiiresti taastada selle esialgse suuruse.

RAKKUDE UUENDAMINE

Organismis on palju kudesid, mille rakud pole jagunemisvõimelised, kuid mis pidevalt hävivad ja vajavad uuendamist. Selline kude on näiteks veri. Inimese (ja teiste imetajate) punased vererakud ehk erütrotsüüdid ei saa jaguneda juba sellepärast, et neil on diferentseerumise käigus tuum kaotsi läinud. Iga päev vananeb ja seetõttu lagundatakse kuni 10 11 vererakku. Need on vaja asendada.

Asendamine toimub tüvirakkude abil. Tüvirakk pole lõplikult diferentseerunud ning võib piiramatult jaguneda. Tüvirakud säilitavad oma populatsiooni nii, et raku jagunemisel tekkivatest tütar-rakkudest osa jääb edasi tüvirakkudeks, osa aga alustab diferentseerumist.

Vereloome tüvirakud asuvad luuüdis. Nende jagunemisel ja diferentseerumisel tekivad kõik vajalikud vereraku tüübid. Vereloome tüvirakku nimetatakse ka pluripotentseks tüvirakuks, see tähendab, et temast võib vajadusel areneda palju erinevaid vereraku tüüpe.

Unipotentsed tüvirakud annavad ainult ühte tüüpi diferentseerunud rakke. Nende abil uueneb näiteks peensoole epiteel.

Totipotentsed rakud võivad regenereerida tervikliku organismi. Kõrgematel loomorganismidel on totipotentne rakk viljastatud munarakk ning väga varajase embrüo - moorula - rakud. Kui viljastatud munarakk on jagunenud 8 rakuks, on iga rakk veel võimeline arenema terviklikuks organismiks.

KLOONIMINE

MIS ON KLOONIMINE?

Kloon on ühe raku või hulkrakse organismi mittesugulisel paljunemisel arenev geneetiliselt identne järglaskond.

Kuidas seda lahti seletada? Vaatleme kõigepealt ühte rakku ja selle jagunemist.

Enne raku jagunemist toimub kõigi rakus olevate DNA molekulide ehk kromosoomide kahekordistamine ehk replitseerimine. Raku jagunemise käigus jaotatakse kromosoomid tütarrakkude vahel võrdselt.

Kromosoomide kahekordistamine ja nende jagamine tütarrakkude vahel toimub ülima täpsusega, mistõttu tütarrakud on geneetiliselt identsed. Kui võtame ühelt organismilt, näiteks taimelt, mingi kehaosa ja kasvatame sellest uue taime, siis saadu on geneetiliselt identne lähtetaimega, millelt võeti paljundusmaterjal. Taimest eraldatud rakud jagunesid, kasvas palju uusi identse genoomiga rakke, mis regenereerisid tervikliku taime.

Seda nimetatakse vegetatiivseks paljundamiseks. See on eriti levinud taimede puhul. Kõik taimede vegetatiivse paljundamise võtted (silmastamine, oksastamine, pistokstest kasvatamine, tütartaimede võtmine jne.) on põhimõtteliselt erinevad kloonimise meetodid.

MIS EI OLE KLOONIMINE?

Kloonimisest ei saa rääkida, kui järglased on saadud sugulise sigimise teel.

Näiteks taime seemned saadakse sugulise sigimise teel. See sisaldab endas sugurakkude tekkimise protsessi ehk meioosi, millega kaasneb geneetilise materjali ümberkombineerimine, ning kahe sel viisil tekkinud suguraku ühinemist ehk viljastumist .Isegi siis, kui näiteks mingi taime õis viljastub isetolmlemise teel (tolmutera võib ju tulla samalt taimelt), on sellest tekkiva uue organismi alge ehk idu geneetiliselt erinev emataimest.

Siit tuleneb vajadus viljapuid,-põõsaid ja muid kultuurtaimi paljundada vegetatiivselt ehk kloonimise teel. Seemnetega paljundamisel kaotaksid nad sordiomadused.

MIKS KÕRGEMAID LOOMI ON RASKE KLOONIDA?

Põhjust tuleb otsida taimsete ja loomsete rakkude diferentseerumise eripärast. Nagu eelpool mainitud, puuduvad täiskasvanud loomorganismis totipotentsed rakud. Taimekudedes on aga rakke, mis on põhimõtteliselt totipotentsed.

Kuidas seda mõista? Kui taime kudesid vigastada, kasvab vigastuskohale vähediferentseerunud rakkude mass - haavakude e. kallus.

Selliseid rakke kunstlikul söötmel kasvatades ja teatud taimehormoone kasutades saab indutseerida morfogeneesi (esile kutsuda kehaosade kujunemist) - vähediferentseerunud haavakoest kasvavad võsud ning juured.

Niimoodi katseklaasis saadud uue taime võib peagi mulda istutada. Sellel meetodil põhineb meristeempaljundus. Taimerakkude võime moodustada puuduvaid kudesid lubab mõningaid taimeliike paljundada näiteks pistokste teel: taime küljest lõigatud oksake kasvatab alla juured ning saadakse uus taim.

Sel viisil pole võimalik paljundada ühtki kõrgemat loomorganismi. Me võime küll võtta kudedest rakke ning kasvatada neid mõnda aega kunstlikul söötmel, kuid need rakud jäävad sellisteks või ligilähedaselt sellisteks, nagu nad olid koes. Neist pole mingil juhul võimalik indutseerida embrüo teket, mida saaks viia emaslooma emakasse ning saada sel moel kloon.

KUIDAS KLOONITAKSE KÕRGEMAID LOOMI?

Üks võimalus on kasutada viljastatud munaraku totipotentseid omadusi. Viljastatud munaraku tuum asendatakse tuumaga, mis on võetud looma keharakust, keda tahetakse kloonida.

1997.aastal viisid esimese imetaja kloonimise läbi Ðoti teadlased Roslini Instituudist. Saadud kloonlammas Dolly oli täpne koopia loomast (valge näoga Finn Dorsetti tõugu lambast), kelle keharakust oli võetud tuum. Et munarakk oli võetud musta näoga Scottish Blackface`i tõugu utelt ning ka Dolly ilmaletooja oli samasugune musta näoga lammas, ei lugenud. See kinnitab, et kogu kehatunnuste komplekt on määratud rakutuumas paikneva DNA poolt.

Teine võimalus kõrgemate loomade kloonimiseks on embrüo jagamine. See peab aga toimuma väga varajases embrüonaalarengu järgus (moorula staadiumis, kui loode koosneb 8 -16 rakust). Nii kloonisid hiljuti Ameerika teadlased ahv Tetra, kes arenes neljandikust 8 raku staadiumis olevast embrüost. Selline kloonimismeetod toimib ka looduses - nii arenevad ühemunakaksikud.