Metaboolse regulatsiooni uurimisrühm

Teadustöö põhifookus

Metaboolse regulatsiooni uurimisrühm ühendab kahte olulist ja omavahel tihedalt seotud biomeditsiini valdkonda: terapeutiline hüpotermia ja reduktiivne stress. Mõlemal teemal on suur potentsiaal parandada ravi tulemusi selliste seisundite korral nagu insult, infarkt, organite siirdamine ja hüpoksilis-isheemiline entsefalopaatia, samuti mitokondriaalse düsfunktsiooni ja reaktiivsete hapniku osakeste kuhjumisega seotud haiguste korral.

Terapeutiline hüpotermia (keha temperatuuri suunatud juhtimine) – kehatemperatuuri alandamine umbes 32–36°C-ni – on juba kliinilises kasutuses, kuid selle rakusiseseid toimemehhanismid on endiselt ebaselged. Meie töörühm on näidanud, et kerge hüpotermia ei ole pelgalt ainevahetust aeglustav protsess, vaid aktiveerib rakusiseseid kaitsemehhanisme, sealhulgas Nrf2-transkriptsioonifaktori kaudu toimivaid antioksüdantseid signaaliradu. Meie eesmärk on tuvastada hüpotermia poolt indutseeritud valgud, mis on seotud hüpotermiale iseloomuliku vastusega.

Reduktiivne stress on redoks-tasakaalu häire, mille põhjuseks on NADH ja NADPH liigne kuhjumine, viies raku tugevalt redutseeritud seisundisse. See häirib mitokondrite hingamist, vähendab energia tootmist ja muudab rakud haavatavamaks – eriti reoksügeneerimise faasis pärast hüpoksiat või isheemiat. Kui siiani on redoksbioloogias keskendutud peamiselt oksüdatiivsele stressile, siis järjest enam nähakse ka reduktiivset stressi olulise ainevahetuslikku düsfunktsiooni põhjustajana. Meie uurimistöö keskendub reduktiivse stressi leevendamisele, et taastada redoks-tasakaal ja säilitada mitokondrite funktsioon metaboolselt keerulistes tingimustes. Katsetame erinevaid lähenemisi, sealhulgas toitainete kättesaadavuse reguleerimist ja redoks-aktiivsete ühendite kasutamist.

Uurimismeetoditena ühendame klassikalise füsioloogia tänapäevaste molekulaar- ja biokeemiliste tehnikatega, sealhulgas geenide ja valkude ekspressiooni analüüs, redoks-analüüsid, geneetilised mudelid, ChIP ja multi-oomika. Meie uurimistöö oluline tööriist on gaasivoolude mõõtmise printsiibil põhinev hingamismasin, mis võimaldab samaaegselt ja reaalajas mõõta nii hapnikutarbimist (O₂) kui ka süsihappegaasi tootmist (CO₂) elusatel imetajarakkudel. See süsteem töötati algselt välja taimede fotosünteesi uurimiseks ja kohandati koostöös taimefüsioloogia ekspertidega eukarüootsete rakkude jaoks – tegemist on maailmas ainulaadse seadmega. Erinevalt kaubanduslikest seadmetest (nt Seahorse XF või Oroboros O₂k), annab meie süsteem täieliku pildi raku hingamisest ja ainevahetuse dünaamikast erinevates stressitingimustes nagu hüpoksia, hüpotermia, toitainete puudus ja anoksia.

Käimasolevad projektid

Hüpotermia poolt indutseeritud valgud
Uurime, kuidas kerge hüpotermia (umbes 32 °C) aktiveerib rakkudes kaitsemehhanisme reguleerivaid transkriptsiooniprogramme. Eriti keskendume HIF1B rollile võimaliku hüpotermiale reageeriva transkriptsioonifaktorina, mis erineb klassikalistest hüpoksiaga seotud HIF1A ja HIF2A radadest. Projekt hõlmab multi-oomilisi lähenemisi, kromatiini immunopresipitatsiooni (ChIP) ja in vitro hüpotermia mudeleid. Projekti pikaajaliseks eesmärgiks on arendada farmakoloogilisi strateegiaid, mis suudaksid jäljendada hüpotermia kaitsvat mõju ilma füüsilise jahutamiseta.

Reduktiivse stressi leevendamine hüpoksias
Uurime, kuidas madala hapnikusisaldusega tingimustes kogunevad rakkudes liigsed redutseerivad ühendid (NADH/NADPH), põhjustades reduktiivset stressi. Meie uurimistöö keskendub ainevahetuslike sekkumiste väljatöötamisele – näiteks püruvaadi lisamine, glükoosi eemaldamine ja redoks-aktiivsete ühendite (nt resasuriin) kasutamine – et vähendada reduktiivset stressi ja taastada mitokondrite hingamisvõime. See töö on eriti oluline isheemia-reperfusiooni kahjustuste ja vähi ainevahetuse kontekstis.

Rakkude ainevahetus anoksia tingimustes
Kasutades meie unikaalset hingamismasinat, uurime, kuidas rakud toodavad süsihappegaasi (CO₂) hapniku puudumisel. Eesmärk on välja selgitada, millised ainevahetusteed jäävad anoksia tingimustes aktiivseks ja kuidas need aitavad säilitada redoks-tasakaalu ning raku elujõulisust. Uurime ka, kuidas temperatuur ja substraadid mõjutavad neid alternatiivseid hingamisteid, eriti seoses mitokondrite funktsiooni ja reduktiivse stressiga.

Resasuriini redutseerimise mehhanismid
Kuigi resasuriini on traditsiooniliselt kasutatud raku elulemuse indikaatorina, uurime seda kui bioloogiliselt aktiivset ühendit, millel on roll redoks-tasakaalu reguleerimises. Analüüsime selle kahte erinevat reaktsioonimehhanismi – fluorestseeruvat (pöördumatut) ja pöörduvat – ning selle koostoimet oluliste ainevahetuse vaheühenditega. Meie tulemused viitavad, et resasuriin võib toimida elektronide „tarbjana“, aidates leevendada reduktiivset stressi ja parandada mitokondrite hingamisvõimet hüpoksilistes või toitainetega piiratud tingimustes.

Teadusgrandid

• Eesti Teadusagentuur: Uus hüpotermia poolt reguleeritud faktor, HIF1B, ja selle terapeutiline potentsiaal (kaasprofessor Kattri-Liis Eskla, GMVBS24069PS, 01.01.2024−31.12.2028)

Praegune olulisim koostöö

• Kaasprofessor Darja Lavõgina, keemia instituut, Tartu Ülikool, Eesti
• Kaasprofessor Kalle Kilk, biokeemia osakond, bio- ja siirdemeditsiini instituut, Tartu Ülikool, Eesti
• Dr Indrek Reile, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut, Tallinn, Eesti
• Prof Vallo Volke, patofüsioloogia osakond, bio- ja siirdemeditsiini instituut, Tartu Ülikool, Eesti
• Prof Daniel Tennant, University of Birmingham, Suurbritannia
• Prof Roberta Foresti & Prof. Roberto Motterlini, University Paris-Est Créteil, Prantsusmaa

Olulisemad teadusartiklid

• Vera-Siguenza E, Escribano-Gonzalez C, Serrano-Gonzalo I, Eskla KL, Spill F, Tennant D. Mathematical reconstruction of the metabolic network in an in-vitro multiple myeloma model. PLoS Comput Biol. 2023 Sep 15;19(9):e1011374. doi: 10.1371/journal.pcbi.1011374. PMID: 37713666; PMCID: PMC10503963.
• Vellama H, Eskla KL, Eichelmann H, Hüva A, Tennant DA, Thakker A, Roberts J, Jagomäe T, Porosk R, Laisk A, Oja V, Rämma H, Volke V, Vasar E, Luuk H. VHL-deficiency leads to reductive stress in renal cells. Free Radic Biol Med. 2023 Nov 1;208:1-12. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2023.07.029. Epub 2023 Jul 26. PMID: 37506952; PMCID: PMC10602395.
• Lavogina D, Lust H, Tahk MJ, Laasfeld T, Vellama H, Nasirova N, Vardja M, Eskla KL, Salumets A, Rinken A, Jaal J. Revisiting the Resazurin-Based Sensing of Cellular Viability: Widening the Application Horizon. Biosensors (Basel). 2022 Mar 25;12(4):196. doi: 10.3390/bios12040196. PMID: 35448256; PMCID: PMC9032648.
• Eskla KL, Vellama H, Tarve L, Eichelmann H, Jagomäe T, Porosk R, Oja V, Rämma H, Peet N, Laisk A, Volke V, Vasar E, Luuk H. Hypothermia Alleviates Reductive Stress, a Root Cause of Ischemia Reperfusion Injury. Int J Mol Sci. 2022 Sep 3;23(17):10108. doi: 10.3390/ijms231710108. PMID: 36077504; PMCID: PMC9456258.
• Westbrook RL, Bridges E, Roberts J, Escribano-Gonzalez C, Eales KL, Vettore LA, Waler PD, Vera-Siguenza E, Cuozzo F, Eskla KL, Vellama H, Shaaban A, Nixon C, Luuk H, Lavery GG, Hodson D, Harris A, Tennant DA.Proline Synthesis Through PYCR1 is Required to Support Cancer Cell Proliferation and Survival in Oxygen-Limiting Conditions. Cell Reports. 2021.
• Eskla KL, Porosk R, Reimets R, Visnapuu T, Vasar E, Hundahl CA, Luuk H. Hypothermia augments stress response in mammalian cells. Free Radic Biol Med. 2018 Jun;121:157-168. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.04.571. Epub 2018 Apr 25. PMID: 29704622.
• Ilmjärv S, Hundahl CA, Reimets R, Niitsoo M, Kolde R, Vilo J, Vasar E, Luuk H. Estimating differential expression from multiple indicators. Nucleic Acids Res. 2014 Apr;42(8):e72. doi: 10.1093/nar/gku158. Epub 2014 Feb 27. PMID: 24586062; PMCID: PMC4005682.