Aptameer on oma nimetuse saanud korraga kahest erinevast keelest. Ladina keelest pärineb sõna aptus, mida võib eesti keelde tõlkida, kui „sobituma“, ning kreeka keelest sõna meros, mille eestikeelne vaste võiks olla „tähendama“. Kokku saab maakeeli üsna absurdse sõnaühendi, nagu „sobilikult-tähendama“ või “sobilik tähendus“. Lepime siis parem suupärasema võõrsõna ehk aptameeriga.
Oma olemuselt on aptameer lühike DNA või RNA järjestus (tavaliselt vahemikus 15-50 alust), mis tunneb spetsiifiliselt ära mingi valgu või keemilise ühendi. Väljend „spetsiifiline“ pole siin mitte tühi sõnakõlks – aptameeri äratundmisspetsiifika on võrreldav antikeha omaga ja antikeha omakorda tunneb erinevad molekulid ära äärmiselt täpselt. Siinkohal tuleb autoril lugejat vaevata analüütilise keemia terminoloogiaga ehk dissotsiatsioonikonstandiga Kd. Kd väärtus näitab, millisel kontsentratsioonil on 50% äratundvast molekulist (aptameer/antikeha) kinnitunud sihtmärkmolekulile. Mida madalam on see kontsentratsioon, seda spetsiifilisem (lihtsustatult öeldes – parem) on äratundmine. Antikehade puhul on varieeruvad Kd väärtused vahemikus 10-6 kuni 10-9 M (ehk mikromolaarsest kontsentratsioonist nanomolaarse kontsentratsioonini) ning sarnastesse suurusjärkudesse jäävad aptameeride Kd vahemikud.
Enne, kui süveneda meie tänase kirjatüki kangelase – aptameeri – hingeellu põhjalikumalt, oleks lugejal sobilik heita kerge pilk (oma) rakkude sisemaailma makromolekuli tasemel. Hägune mälestus gümnaasiumist seostab DNA (desoksüribonukleiinhapet) sellega, et sinna on salvestatud meie pärilik info, RNA (ribonukleiinhape) on seotud DNA päriliku info töötlemisega raku (hetke)vajaduste rahuldamiseks ning meie maine funktsionaalne kest koosneb seega põhiliselt valkudest, mis on omakorda valmistatud DNA/RNA infovoo alusel. Selleks, et selline keeruline süsteem edukalt funktsioneerida suudaks, on vajalikud spetsiifilised interaktsioonid erinevat tüüpi molekulide vahel. Kui molekulaarbioloogia õpikud on täis näiteid sellest, kuidas spetsiaalsed valgud reguleerivad meie geenide avaldumist, „istudes“ DNA järjestusele (need keerulise nimega molekulid on transkriptsiooniregulaatorid), siis palju vähem käsitletakse seda, kuidas spetsiifilised DNA- ja RNA-järjestused suudavad sama täpselt ära tunda valgujärjestusi. Teisisõnu, bioloogilis-keemilises mõttes on võimalik ümber pöörata protsess, mille käigus valgud tunnevad ära spetsiifilisi DNA- või RNA-järjestusi – DNA- või RNA-järjestus tunneb ära mõne valgujärjestuse või kindla keemilise ühendi (näiteks kofeiini).
Ühesõnaga – teadmised selle kohta, et DNA- või RNA- järjestus võib kindla valgu või väiksema molekuli spetsiifiliselt ära tunda, olid olemas, kuid puudus tööriist selliste järjestuste leidmiseks või disainimiseks. Tõttöelda on enamasti tegemist siiski pigem leidmisega, mitte niivõrd disainimisega, kuna teadmised DNA/RNA sekundaarstruktuuride täpsest ennustamisest alles kogunevad.
Purki pandud evolutsioon
Tööriist leiutati 1990. aastal ja seda nimetatakse SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) (Tuerk ja Gold 1990). Maakeeli seletades on tegemist siis „purki pandud evolutsiooniga“, milles soovitud märklaudmolekuli eksponeeritakse suurele hulgale
(1014–1015) juhusliku nukleotiidse järjestusega DNA või RNA juppidele ning valitakse välja need, mis kõvemini märklaudmolekuli külge jäävad, määratakse nende nukleotiidne järjestus, äratundmisparameetrid jne.
Algselt loodeti aptameeridest odavamat ja lihtsamat konkurenti antikehadele. Kui antikeha tootmiseks on vaja kas elusorganisme või spetsiaalseid koekultuuri rakke, siis aptameeride genereerimiseks piisab levinud laboriseadmetest ja reagentidest. Teisisõnu aptameeride puhul on võimalik protsess läbi viia in vitro ehk kunstlikus süsteemis, antikehade puhul aga hädavajalike in vivo ehk elusorganisme/rakke sisaldavate etappidena. See tähendab, et aptameeride valmistamise või tootmise protsesse on lihtsam kontrollida kui antikehade tootmist.
Muidugi on aptameeridel ka puudusi ja eripärasid, mida antikehadel ei ole. Kuna aptameerid koosnevad reeglina nukleiinhapetest, siis võib nende stabiilsus olla varieeruv sõltuvalt kasutuskohast või keskkonnast. Kui aptameere kasutada bioloogilist materjali sisaldavates tingimustes, võivad erinevad RNA/DNA-d lagundavad ensüümid (nukeleaasid) aptameeri üsna kiiresti hävitada. Modifitseerimata aptameeride poolestusaega vereseerumis saab mõõta minutites.
Antikehad on võrreldes aptameeridega palju stabiilsemad, kuna valkude stabiilsus erinevates keskkondades on oluliselt parem. Samas on aptameeride stabiilsust võimalik märkimisväärselt parandada, kasutades keemiliselt modifitseeritud nukleotiide – alates lämmastikaluste lihtsatest modifikatsioonidest kuni erinevate optiliste isomeerideni (nn molekulide „käelisus“ – L- või R-isomeerid). Kui looduses on tavalised L-isomeerid, siis R-isomeeride kasutamine suurendab aptameeride stabiilsust. Omaette rühmana kuuluvad aptameeride alla peptiidsed aptameerid. Need ei koosne nukleiinhapetest, vaid aminohappelisest järjestusest ehk tegemist on lühikeste peptiididega. Selliste aptameeride väljatöötamine on küll keerulisem, kuid neil on ka palju eeliseid – nad on oluliselt stabiilsemad ja pääsevad vajadusel lihtsamalt elusrakkudesse.
Järjekindel evolutsioon
Milleks siis saab aptameere kasutada? Lihtne vastus – kõigeks, milleks antikehasidki ning enamgi veel. Kõige intrigeerivam kasutusviis on loomulikult ravimid. Esimene aptameerist ravim oli NX1838 („Macugen“) modifitseeritud RNA aptameer, mis kinnitus spetsiifiliselt VEGF 165 (vaskulaarne endoteeli kasvufaktor isovorm 165) retseptoritele, takistades sel viisil makuladegenaratsiooni arengut (Ruckman et al. 1998). Aptameeri oli modifitseeritud nii, et kasutatud RNA nukleotiididel oli riboosimolekuli teise süsiniku juures OH-rühm asendatud fluori molekuliga.
Aptameere on võimalik kasutada äratundva komponendina biosensorites, kuna see võib ära tunda nii raskemetalli ioone (näiteks kaadmium Cd 2+) (Liu et al. 2023) või ensüümi, näiteks vere hüübimises osaleva trombiini, joonis 1 (Abeydeera et al. 2016). Samuti võib aptameere kasutada ka tervete organismide äratundva elemendina, näiteks Salmonelle enterica (Joshi et al. 2009) või uropatogeense Escherichia coli rakkude tuvastamiseks (Savory et al. 2014). Peptiidsete aptameeride kasutusala on samuti väga lai – näiteks taimepatogeeni Fusarium oxysporum vastane aptameer, mis võib funktsioneerida mitte ainult äratundva elemendina, vaid kui patogeenispetsiifiline tõrjeaine (Huang et al. 2022).
Kokkuvõtteks võib öelda, et loodetud kiire revolutsiooni asemel on aptameerid kaasa toonud hoopis järjekindla evolutsiooni, pakkudes konkurentsi antikehadel baseeruvatele äratundmiselementidele ja ravimetele. Võib-olla see viimane kiirtest, mida kasutasite, ei põhinenud enam „vanal heal“ antikehal, vaid hoopis aptameeril.
Viited:
Abeydeera, N. Dinuka, Martin Egli, Nehemiah Cox, Karen Mercier, Jonas Nascimento Conde, Pradeep S. Pallan, Daniella M. Mizurini, et al. 2016. „Evoking Picomolar Binding in RNA by a Single Phosphorodithioate Linkage“. Nucleic Acids Research 44 (17): 8052–64. https://doi.org/10.1093/nar/gkw725.
Huang, Junjun, Dan Wang, Hong Li, Yanqiong Tang, Xiang Ma, Hongqian Tang, Min Lin, ja Zhu Liu. 2022. „Antifungal Activity of an Artificial Peptide Aptamer SNP-D4 against Fusarium Oxysporum“. PeerJ 10 (veebruar):e12756. https://doi.org/10.7717/peerj.12756.
Joshi, Raghavendra, Harish Janagama, Hari P. Dwivedi, T.M.A. Senthil Kumar, Lee-Ann Jaykus, Jeremy Schefers, ja Srinand Sreevatsan. 2009. „Selection, Characterization, and Application of DNA Aptamers for the Capture and Detection of Salmonella Enterica Serovars“. Molecular and Cellular Probes 23 (1): 20–28. https://doi.org/10.1016/j.mcp.2008.10.006.
Liu, Hehua, Yanqing Gao, Johnsi Mathivanan, Zev Armour-Garb, Zhiwei Shao, Yixi Zhang, Xin Zhao, et al. 2023. „Crystal Structures and Identification of Novel Cd2+-Specific DNA Aptamer“. Nucleic Acids Research 51 (9): 4625–36. https://doi.org/10.1093/nar/gkad239.
Ruckman, Judy, Louis S. Green, Jim Beeson, Sheela Waugh, Wendy L. Gillette, Dwight D. Henninger, Lena Claesson-Welsh, ja Nebojsa Janjic. 1998. „2′-Fluoropyrimidine RNA-Based Aptamers to the 165-Amino Acid Form of Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF165)“. Journal of Biological Chemistry 273 (32): 20556–67. https://doi.org/10.1074/jbc.273.32.20556.
Savory, Nasa, Jonathan Nzakizwanayo, Koichi Abe, Wataru Yoshida, Stefano Ferri, Cinzia Dedi, Brian V. Jones, ja Kazunori Ikebukuro. 2014. „Selection of DNA Aptamers against Uropathogenic Escherichia Coli NSM59 by Quantitative PCR Controlled Cell-SELEX“. Journal of Microbiological Methods 104 (september):94–100. https://doi.org/10.1016/j.mimet.2014.06.016.
Tuerk, Craig, ja Larry Gold. 1990. „Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment: RNA Ligands to Bacteriophage T4 DNA Polymerase“. Science 249 (4968): 505–10. https://doi.org/10.1126/science.2200121.