Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini - 2013 • Daria Spasskaya • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, medicina, fiziologija

Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini – 2013

Sl. 1. Dobitnici Nobelove nagrade u fiziologiji i medicini 2013 (s lijeva na desno: Thomas Südhof, Randy Shekman, James Rothman). Slika iz najave nagrade Nobelove nagrade u fiziologiji i medicini 2013. godine na web stranici časopisa priroda

U 2013, najprestižnija znanstvena priznanja predstavljena su Randy Shekman, James Rothman i Thomas Südhof za otkrivanje mehanizama vezikularnog transporta, glavnog transportnog sustava u našim stanicama. Različite molekule pakirane u vezikularnim vezikulama stalno se šalju iz jedne stanice na drugu, a također se izlučuju vani. Točno isporuka je moguća zahvaljujući kompleksu proteina, koji djeluju i kao "adresa" i kao "pošta" u svakom staničnom odjelu. Radovi novoizgrađenih Nobelovih laureata omogućili su detaljno razjašnjenje tog mehanizma: koji geni kodiraju komponente vezikularnog transportnog sustava, koje proteine ​​sudjeluju i konačno, kako se regulira intracelularni i unutarstanični promet.

Nagradu Nobelovu nagradu ove godine nije rezultat jednog briljantnog otkrića, niti znanstvenog otkrića.To je rezultat dugogodišnjeg teškog rada, zahvaljujući kojem je bilo moguće detaljno proučiti jedan od osnovnih procesa u fiziološkoj stanici – unutarstaničnom transportu. Tri znanstvenika – Randy Shekman, James Rothman i Thomas Südhof – svaki su doprinijeli ovom radu korištenjem različitih pristupa – genetički (Shekman), biokemijski (Rothman) i fiziološki (Südhof).

James rothman (James E. Rothman) rođen je 1950. u Massachusettsu, SAD. Doktorirao je na Harvardu 1976., a zatim radio na ne manje poznatom Massachusetts Institute of Technology, a zatim na Sveučilištu Stanford gdje je započeo istraživanje na području vezikularnog transporta. Trenutačno je profesor na Sveučilištu Yale, gdje predvodi odjel biologije stanica.

Randy Shekman (Randy W. Schekman) rođen je 1948. godine u državi Minnesota u SAD-u. Diplomirao je na Stanfordu pod vodstvom Arthura Kornberga, dobitnika Nobelove nagrade 1959. godine, koji je otkrio mehanizam sinteze nukleinskih kiselina. Tada se Shekman preselio na Kalifornijsko sveučilište u Berkeleyu, gdje još uvijek radi kao profesor na Odsjeku za molekularnu i biološku biologiju.

Thomas Südhof (Thomas C.Südhof) rođen je 1955. godine u Göttingenu, Njemačka. Za razliku od kolega u nagradu, dobio je stupanj doktora medicine (1982), a zatim diplomu neurokemije. Međutim, Südhof nije ostao dugo za jednog njemačkog znanstvenika: 1983. preselio se u Texas Southwestern University u Dallasu (SAD) gdje je radio s Michaelom Brownom i Josephom Goldsteinom, dobitnicima Nobelove nagrade 1985. za proučavanje metabolizma kolesterola. Trenutno je profesor na Odsjeku za molekularnu i staničnu fiziologiju na Sveučilištu Stanford.

Budući da je eukariotska stanica složena struktura s mnogim "podjelama", tijekom svoje vitalne aktivnosti, postaje nužno prebaciti teret iz jednog odjeljka (odjeljka) u drugi, te ih poslati izvan ćelije. Ova potreba je zbog podjele rada između odjeljaka: na primjer, proteini se često sintetiziraju na ribosomima koji se nalaze u endoplazmatskom retikulumu, ali se koriste u nekom drugom odjelu ili su potpuno izlučeni. Da bi pošiljka bila isporučena na adresu, ona mora biti zapakirana u bočicu (sl. 2) i opremljena posebnim signalnim bjelančevinama.Raznolikost molekula može djelovati kao teret: hormoni (uključujući inzulin), enzimi, konstrukcijske bjelančevine itd. Zasebni važan primjer staničnog transporta je prijenos signala između neurona – provodi se oslobađanjem neurotransmitera upakiranih u iste mjehuriće u sinaptički rascjep.

Sl. 2. S lijeve strane: vezikula je mjehur okružen s džepnim slojem – iste membrane kao onaj koji ograničava stanicu. S desne strane: elektronski mikroskop sinapse na mjestu kontakta dva neurona; jasno vidljive mješavine sinaptičkih vezikula koje sadrže molekule neurotransmitera. Slike s en.wikipedia.org i sa Sveučilišta Stanford

Istraživanje vezikularnog transporta nije samo od temeljne važnosti: među bolestima povezanim s slabim procesima opterećenja, dijabetesom tipa 2 i epilepsijom. Bakterije roda Clostridiumkoji su uzročnici botulizma i tetanusa, uz pomoć njihovih toksina samo pokvarili proteine ​​uključene u formiranje vezikula u sinaptičkim rascjepima. Kao rezultat toga, otpuštanje neurotransmitera između neurona ili između neurona i mišića je blokirano, što dovodi do paralize.

Postojanje intracelularnog transporta poznato je od početka dvadesetog stoljeća (vezikuli se mogu vidjeti u konvencionalnom svjetlosnom mikroskopu). Međutim, sa molekularne točke gledišta, pojedinosti tog procesa počele su se razjasniti objavljivanjem rada Shekmana 1979. godine u časopisu PNAS, Radom na pekarskom kvascu, Shekman i njegov kolega Peter Novik identificirali su gene čiji proizvodi daju normalni intracelularni transport. Znanstvenici su analizirali stotine sojeva mutantnih kvasaca i odabrali među njima nosače takozvanih toplinski osjetljivih mutacija (takve stanice rastu normalno na sobnoj temperaturi, ali ako se drže na 37 ° C, počinju se akumulirati kvarovi). Odabrani mutanti nisu mogli normalno izvesti vanjske enzime za smještaj na staničnu stijenku. Uz povećanje temperature, vezikula je počela akumulirati u tim stanicama, što je jasno vidljivo u mikroskopu (Slika 3).

Sl. 3. Elektronski mikrografi stanica kvasca raste na normalnoj temperaturi (B) i na temperaturi aktivacije mutacija (D). Primjetna je značajna akumulacija vezikula koja sadrži izlučene enzime unutar stanice. Slika iz članka: P. Novick & R. Schekman.Sekretacija i rast površine stanica blokirani su u temperaturi osjetljivom mutantu Saccharomyces cerevisiae // Proc. Nat. Acad. Sci. SAD, 1979. V. 76 (4). P. 1858-1862

Shekman je analizirala genotip mutanata dobivenih vezikularnim transportom i konačno identificirali 23 gena koji se mogu podijeliti u tri skupine, ovisno o tome gdje su vezikuli bili poslani iz i na – transport povezan s endoplazmskim retikulumom, Golgijev kompleks ili stanične površine. U svom daljnjem radu otkrio je međufazne stupnjeve u formiranju vezikula i povezao ih s mutacijama u specifičnim genima (geni su skraćeni sek – iz sekretora).

James Rothman u svom radu približio se problemu s druge strane. Nekoliko godina kasnije, u Stanfordovom laboratoriju, on i njegovi kolege obnovili su transportni proces in vitroto jest, in vitro. Znanstvenici su pokušavali ponovno stvoriti proces prijenosa proteina virusa vezikularnog stomatitisa u kompleks Golgi u stanicama sisavaca (virusni protein je odabran jer se akumulira u velikim količinama u stanicama i pogodan je za rad). U nekoliko uzastopnih članaka, Rothman detaljno opisuje stanični transport proteina i istodobno identificira ključne komponente potrebne za formiranje i transport vezikula.Prvi pronađeni protein bio je NSF (faktor osjetljiv na N-etilmalimid), zatim je identificiran SNAP (topljivi NSF-vezani protein). U suradnji s Shekmanom, otkrili su da NSF i SNAP proteini odgovaraju proizvodima gena koje je prethodno identificirao Shekman. sec17 i s 18, Tako se ispostavilo da je proces intracelularnog transporta univerzalan među eukariotima i podudara se detaljno u oba kvasca i sisavaca.

Nastavljajući rad na izolaciji proteina povezanih s vezikulama, Rothman je otkrio još tri ključna proteina: sinaptobrevin, SNAP-25 i sintaksin. Ti su proteini prethodno pronašli drugi znanstvenici na sinapsima (područja kontakta između neurona), no njihova je funkcija ostala nepoznata. Rothman im se pridružio u grupi SNARE (topljivi receptori proteina NSF-veze). Synaptobrevin je bio povezan s vezikulama, a SNAP-25 i sintaksin bili su povezani sa staničnim membranama. Ovo otkriće omogućilo je Rothmanu da formulira SNARE hipotezu, ključnu hipotezu koja objašnjava načelo intracelularnog i međustaničnog transporta. Prema njoj, u procesu formiranja i isporuke vezikula sudjeluju proteini koji spadaju u dvije skupine – v-SNARE (v – iz vezikularne vezikule) i t-SNARE (t – od ciljnog 'cilja'), koji se međusobno prepoznaju. Zbog specifičnog prepoznavanja, isporuka se izvodi točno na pravom mjestu (slika 4).Hipoteza je potvrđena u daljnjim djelima Rothmana i drugih znanstvenih skupina. (Synaptobrevin, između ostalog, cilj je u razvoju botulizma i tetanusa.)

Sl. 4. Shema koja objašnjava načelo vezikularnog transporta (SNARE hipoteza) između različitih dijelova stanice. Mjehurići (mjehurići) izbacuju membranu jedne od organela (na primjer, endoplazmatski retikulum) i dobivaju "ključ" – jedan od bjelančevina v-SNARE obitelji. Točna dostava je zbog činjenice da ciljana organela ima specifičan protein t-SNARE obitelji, koji djeluje kao "zaključavanje". Slika od www.zoology.ubc.ca

Thomas Südhof bio je neurophysiologist obučavanjem i proučavanjem prijenosa signala u sinapsi između neurona. Bio je zainteresiran za proces otpuštanja neurotransmitera u sinaptički rascjep. Molekule neurotransmitera se pakiraju u vezikule, a točno u određenom vremenu treba otpustiti u prostor između membrana dvaju neurona (sl. 2, desno). Pokazalo se da taj proces ovisi o intracelularnim fluktuacijama u koncentraciji kalcija. Südhof se usredotočio na dva proteina – complexin i synaptotagmine.U ovom trenutku (početkom 90-ih godina) tehnologija koja dopušta rast kuka (vidi: Nobelovu nagradu u fiziologiji i medicini – 2007, "Elementi", 12. listopada 2007.) za određeni životinjski gen postaje široko rasprostranjen. Proučavajući miševe s oštećenom funkcijom gena koji kodiraju kompleksin ili sinaptotagmin, utvrdio je da ta dva proteina reagiraju na koncentraciju kalcija i "vratari" koji sprečavaju stalno nekontrolirano stvaranje vezikula. Ispalo je da je sinaptotamin, s jedne strane, kalcijevski senzor, as druge strane interakcionira s SNARE proteinima i aktivira mehanizam formiranja vezikula. Südhof je također identificirao Munc18 protein, mutaciju u kojoj je odgovarala fenotipu kvasca sec1-1opisan od strane Shekmana. Ovaj protein, i obitelj kojoj pripada, dobilo je opće ime SM-proteine ​​(od Sec / Munc). Pokazalo se da zajedno s SNARE proteinima sudjeluju u procesu formiranja vezikula.

Tako su radovi Shekman, Rothman i Südhof postali dijelovi istog mozaika koji opisuju sustav staničnog transporta uz sudjelovanje vezikula vezikula. Oni su u velikoj mjeri odredili kako formiraju mjehuriće, kako pronalaze mjesto isporuke i kako je njihovo oblikovanje točno određeno.Međutim, može se primijetiti da mozaik nema dio: vezikuli unutar ćelije ne plutaju sami, ali putuju duž citoskeleta duž mikrotubula pomoću posebnih motorskih proteina, dyneina i kinezina. Za proučavanje motornih bjelančevina i transporta s njihovim sudjelovanjem u 2012, još jedan trojak američkih znanstvenika dobio je prestižnu nagradu Lasker. Ova nagrada smatra se prethodnikom Nobelove nagrade, pa će možda nestašica na slici unutarstaničnog transporta u narednim godinama biti nagrađena i najvišom nagradom (valja reći da su pobjednici ove godine u različitim vremenima postali laureati nagrade Lasker).

izvori:
1) Priopćenje za javnost na web stranici Nobelovog odbora.
2) J. Zierath, U. Lendahl. Strojevi koji reguliraju promet mjehura, glavni transportni sustav u našim stanicama. Članak na web stranici Nobelovog odbora.

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: :???: :?: :!: