Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny - 2013 • Daria Spasskaya • Wiadomości naukowe o "elementach" • Nagrody Nobla, medycyna, fizjologia

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny – 2013 r

Ryc. 1. Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny 2013 (od lewej do prawej: Thomas Südhof, Randy Shekman, James Rothman). Obraz z ogłoszenia nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 2013 r. Na stronie internetowej czasopisma Natura

W 2013 roku najbardziej prestiżową nagrodę naukową otrzymali Randy Shekman, James Rothman i Thomas Südhof za odkrycie mechanizmów transportu pęcherzykowego, głównego systemu transportu w naszych komórkach. Różne cząsteczki upakowane w pęcherzyki pęcherzyków są stale wysyłane z jednego podziału komórek do drugiego, a także wydzielane na zewnątrz. Dokładne dostawy są możliwe dzięki kompleksowi białek, które działają zarówno jako "adres", jak i "poczta" w każdym dziale komórkowym. Prace świeżo upieczonych laureatów Nagrody Nobla pozwoliły szczegółowo wyjaśnić ten mechanizm: które geny kodują składniki pęcherzykowego układu transportowego, w jakich białkach biorą udział iw końcu reguluje ruch wewnątrzkomórkowy i wewnątrzkomórkowy.

Praca nagrodzona w tym roku Nagrodą Nobla nie jest wynikiem ani jednego genialnego odkrycia, ani przełomu naukowego.Jest to wynikiem lat ciężkiej pracy, dzięki której można szczegółowo poznać jeden z podstawowych procesów fizjologii komórki – transport wewnątrzkomórkowy. Trzech naukowców – Randy Shekman, James Rothman i Thomas Südhof – każdy z nich przyczynił się do tej pracy, stosując różne podejścia – genetyczne (Shekman), biochemiczne (Rothman) i fizjologiczne (Südhof).

James Rothman (James E. Rothman) urodził się w 1950 roku w Massachusetts, USA. Otrzymał stopień doktora na Harvardzie w 1976 roku, następnie pracował w nie mniej sławnym Massachusetts Institute of Technology, a następnie na Uniwersytecie Stanforda, gdzie rozpoczął badania w dziedzinie transportu pęcherzykowego. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie Yale, gdzie kieruje biologii komórki.

Randy Shekman (Randy W. Schekman) urodził się w 1948 roku w stanie Minnesota w USA. Otrzymał stopień doktora w Stanford, pod kierunkiem Arthura Kornberga, laureata Nagrody Nobla w 1959 roku, który odkrył mechanizm syntezy kwasów nukleinowych. Następnie Shekman przeniósł się na University of California w Berkeley, gdzie nadal pracuje jako profesor na wydziale biologii molekularnej i komórkowej.

Thomas Südhof (Thomas C.Südhof) urodził się w 1955 r. W Getyndze w Niemczech. W przeciwieństwie do swoich kolegów z nagrody otrzymał stopień doktora medycyny (1982), a następnie stopień z neurochemii. Südhof nie pozostał jednak długo dla niemieckiego naukowca: w 1983 r. Przeniósł się do Texas Southwestern University w Dallas (USA), gdzie pracował z Michaelem Brownem i Josephem Goldsteinem, laureatami Nagrody Nobla w 1985 r. Za naukę metabolizmu cholesterolu. Obecnie jest profesorem na Wydziale Fizjologii Molekularnej i Komórkowej na Uniwersytecie Stanforda.

Ponieważ komórka eukariotyczna jest złożoną strukturą z wieloma "podziałami", w trakcie jej żywotnej aktywności konieczne staje się przeniesienie ładunku z jednego działu (przedziału) do drugiego, a także wysłanie ich poza celę. Potrzeba ta wynika z podziału pracy między przedziałami: na przykład białka są często syntetyzowane na rybosomach znajdujących się w retikulum endoplazmatycznym, ale są używane w jakimś innym dziale lub są w ogóle wydzielane. Aby przesyłka została dostarczona na adres, musi być zapakowana w fiolkę – pęcherzyk (ryc. 2) i zaopatrzona w specjalne białko sygnałowe.Obciążenia mogą działać jak różne cząsteczki: hormony (w tym na insulinę), enzymy, białka budowlanych itd indywidualne ważnym przykładem transportu komórkową, przekazywanie sygnału pomiędzy neuronami – przeprowadza się wystające do szczeliny synaptycznej neuroprzekaźników zapakowane w tym samym pęcherzyk ..

Ryc. 2 Po lewej: pęcherzyk to pęcherzyk otoczony warstwą bilipidową – ta sama membrana co ta, która ogranicza komórkę. Po prawej: mikrografia elektronowa synapsy w miejscu kontaktu dwóch neuronów; wyraźnie widoczne pęcherzyki pęcherzyków synaptycznych zawierające cząsteczki neuroprzekaźników. Obrazy z en.wikipedia.org iz Uniwersytetu Stanforda

Badanie transportu pęcherzykowego ma nie tylko fundamentalne znaczenie: wśród chorób związanych z zaburzeniami przenoszenia obciążeń, cukrzycą typu 2 i epilepsją. Bakterie z rodzaju Clostridiumktóre są czynnikami wywołującymi zatrucie jadem kiełbasianym i tężcem, z pomocą ich toksyn po prostu psują białka zaangażowane w tworzenie się pęcherzyków w szczelinach synaptycznych. W rezultacie uwalnianie neuroprzekaźników między neuronami lub między neuronem a mięśniem jest zablokowane, co prowadzi do paraliżu.

Istnienie transportu wewnątrzkomórkowego znane jest od początku XX wieku (pęcherzyki można zobaczyć w konwencjonalnym mikroskopie świetlnym). Jednak z molekularnego punktu widzenia szczegóły tego procesu zaczęły się wyjaśniać wraz z publikacją dzieła Shekman w 1979 roku w czasopiśmie PNAS. Pracując nad drożdżami piekarniczymi, Shekman i jego współpracownik Peter Novik zidentyfikowali geny, których produkty zapewniają normalny transport wewnątrzkomórkowy. Naukowcy przeanalizowali setki zmutowanych szczepów drożdży i wyselekcjonowali spośród nich nosicieli tak zwanych mutacji wrażliwych na ciepło (takie komórki rosną normalnie w temperaturze pokojowej, ale jeśli są przechowywane w temperaturze 37 ° C, zaczynają się w nich gromadzić awarie). Wybrane mutanty nie były w stanie normalnie wyeksportować zewnętrznych enzymów do umieszczenia na ścianie komórkowej. Wraz ze wzrostem temperatury pęcherzyki zaczęły się gromadzić w tych komórkach, które były wyraźnie widoczne w mikroskopie (ryc. 3).

Ryc. 3 Mikrografy elektronowe komórek drożdży rosnących w normalnej temperaturze (B) oraz w temperaturze aktywacji mutacji (D). Widoczne jest znaczące gromadzenie się pęcherzyków zawierających wydzielane enzymy wewnątrz komórki. Zdjęcie z artykułu: P. Novick & R. Schekman.Sekrecja i wzrost powierzchni komórki są blokowane w wrażliwym na temperaturę mutancie Saccharomyces cerevisiae // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V. 76 (4). P. 1858-1862

Shekman przeanalizował genotyp mutantów otrzymanych przez transport pęcherzykowy i ostatecznie zidentyfikował 23 geny, które można podzielić na trzy grupy, w zależności od tego, gdzie pęcherzyki zostały wysłane zi do – transportu związanego z retikulum endoplazmatycznym, kompleksu Golgiego lub powierzchnia komórki. W swojej późniejszej pracy odkrył pośrednie etapy powstawania pęcherzyków i związał je z mutacjami w określonych genach (geny zostały skrócone sec – z sekrecji).

James Rothman w swojej pracy podszedł do tematu z drugiej strony. W laboratorium Stanforda kilka lat później, on i jego współpracownicy przywrócili proces transportu in vitroczyli in vitro. Naukowcy próbowali odtworzyć proces transportu białka wirusa pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej do kompleksu Golgiego w komórkach ssaków (wybrano białko wirusowe, ponieważ gromadzi się w dużych ilościach w komórkach i jest wygodne w pracy). W kilku kolejnych artykułach Rothman szczegółowo opisał komórkowy transport białka i jednocześnie zidentyfikował kluczowe składniki niezbędne do tworzenia i transportu pęcherzyków.Pierwszym zidentyfikowanym białkiem był NSF (czynnik wrażliwy na N-etylomaleimid), następnie zidentyfikowano SNAP (rozpuszczalne białko wiążące NSF). We współpracy z Shekmanem odkryli, że białka NSF i SNAP odpowiadają produktom genów zidentyfikowanych wcześniej przez Shekman. sec17 i s 18. Tak więc okazało się, że proces transportu wewnątrzkomórkowego jest powszechny wśród eukariontów i pokrywa się szczegółowo zarówno u drożdży, jak iu ssaków.

Kontynuując prace nad izolacją białek związanych z pęcherzykami, Rothman odkrył jeszcze trzy kluczowe białka: synaptobrewinę, SNAP-25 i syntaksynę. Te białka zostały wcześniej znalezione przez innych naukowców w synapsach (obszarach kontaktu między neuronami), ale ich funkcje pozostały nieznane. Rothman dołączył do nich w grupie SNARE (rozpuszczalne receptory białek wiążących NSF). Synaptobrewin był związany z pęcherzykami, a SNAP-25 i syntaksyna były związane z błonami komórkowymi. Odkrycie to pozwoliło Rothmanowi sformułować hipotezę SNARE, kluczową hipotezę wyjaśniającą zasadę transportu wewnątrzkomórkowego i międzykomórkowego. Zgodnie z tym białka, które należą do dwóch grup – v-SNARE (v – z pęcherzyków "pęcherzyków") i t-SNARE (t – od docelowych "docelowych"), które swoiście się rozpoznają, uczestniczą w procesie tworzenia i dostarczania pęcherzyków. Ze względu na szczególne rozpoznanie dostawa odbywa się dokładnie we właściwym miejscu (ryc. 4).Hipotezę tę potwierdzono w dalszych pracach Rothmana i innych grup naukowych. (Synaptobrevin, między innymi, jest celem w rozwoju botulizmu i tężca.)

Ryc. 4 Schemat wyjaśniający zasadę transportu pęcherzykowego (hipoteza SNARE) między różnymi sekcjami komórki. Bąbelki (pęcherzyki) odrywają się od błony jednego z organelli (na przykład retikulum endoplazmatycznego) i otrzymują "klucz" – jedno z białek z rodziny v-SNARE. Dokładna dostawa wynika z faktu, że docelowa organelle ma specyficzne białko z rodziny t-SNARE, które działa jak "blokada". Obraz z www.zoology.ubc.ca

Thomas Südhof był neurofizjologiem, szkoląc i badając, w jaki sposób przebiega transmisja sygnału w synapsach między neuronami. Interesował go proces uwalniania neuroprzekaźnika w szczelinie synaptycznej. Cząsteczki neuroprzekaźników są upakowane w pęcherzyki i dokładnie w pewnym momencie powinny zostać uwolnione do przestrzeni między błonami dwóch neuronów (ryc. 2, z prawej). Okazało się, że proces ten zależy od wewnątrzkomórkowych fluktuacji stężenia wapnia. Südhof skupił się na dwóch białkach – kompleksinie i synaptotagminie.W tym czasie (początek lat 90.) technologia pozwalająca rozwijać nokaut (patrz: Nagroda Nobla w Fizjologii i Medycynie – 2007, "Elementy", 12 października 2007) dla pewnego zwierzęcego genu stała się powszechna. Badając myszy o upośledzonej funkcji genów kodujących kompleksinę lub synaptotagminę, ustalił, że te dwa białka odpowiadają na stężenie wapnia i są "odźwiernymi", które zapobiegają ciągłemu niekontrolowanemu tworzeniu się pęcherzyków. Okazało się, że synaptotamina z jednej strony jest czujnikiem wapnia, az drugiej strony oddziałuje z białkami SNARE i uruchamia mechanizm powstawania pęcherzyków. Südhof zidentyfikował również białko Munc18, którego mutacja odpowiadała fenotypowi drożdży sec1-1opisany przez Shekman. To białko i rodzina, do której należy, otrzymywały ogólne nazwy białek SM (z Sec / Munc). Okazało się, że wraz z białkami SNARE uczestniczą w procesie tworzenia się pęcherzyków.

Tak więc dzieła Shekmana, Rothmana i Südhof stały się częścią tej samej mozaiki opisującej system transportu komórek z udziałem pęcherzyków pęcherzyków. W dużej mierze zdeterminowały one, w jaki sposób tworzą się pęcherzyki, jak znajdują swoje miejsce dostawy oraz w jaki sposób ich regulacja odbywa się dokładnie w określonym czasie.Można jednak zauważyć, że mozaika nie ma elementu: pęcherzyki wewnątrz komórki nie pływają same, lecz przemieszczają się wzdłuż cytoszkieletu wzdłuż mikrotubul przy użyciu specjalnych białek motorycznych, dyneiny i kinezyny. Do badania białek motorycznych i transportu z ich udziałem w 2012 r. Kolejne trio amerykańskich naukowców otrzymało prestiżową nagrodę Laskera. Ta nagroda jest uważana za prekursora Nobla, więc być może brakujące ogniwo w transporcie wewnątrzkomórkowym w nadchodzących latach otrzyma również najwyższą nagrodę (trzeba przyznać, że zwycięzcy tego roku w różnym czasie zostali laureatami nagrody Laskera).

Źródła:
1) Informacja prasowa na stronie internetowej Komitetu Noblowskiego.
2) J. Zierath, U. Lendahl. Maszyny regulujące ruch pęcherzyków, główny system transportu w naszych komórkach. Artykuł na stronie internetowej Komitetu Noblowskiego.

Daria Spasskaya


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: