Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini - 2016. • Elena Naimark • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, molekularna biologija

Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini – 2016

Yoshinori Osumi rođen je u Japanu, Fukuoka, 1945. godine. Ova je fotografija snimljena u srpnju 2016. u svom laboratoriju na Tokijskom institutu za tehnologiju. Fotografije iz indianexpress.com

Godine 2016. Nobelova komisija nagrađuje japanskom znanstveniku Yoshinori Osumiju nagradu u fiziologiji i medicini za otkrivanje autofagije i dešifriranje njegovog molekularnog mehanizma. Autofagija – proces obrade otpadnih organa i proteinskog kompleksa, važno je ne samo za ekonomično upravljanje staničnim uzgojem, već i za obnovu stanične strukture. Dešifriranje biokemije ovog procesa i njegovu genetsku osnovu upućuju na mogućnost praćenja i kontrole cjelokupnog procesa i pojedinih faza. I to daje istraživačima očito temeljne i primijenjene perspektive.

Znanost prolazi naprijed tako nevjerojatnom brzinom da ne-stručnjak nema vremena za shvaćanje važnosti otkrića, a Nobelova nagrada već se nagrađuje za to. U osamdesetim godinama, u biološkom udžbeniku, u dijelu o staničnoj strukturi, bilo je moguće saznati više o organelima o lizosomima – membranskim vezikulima ispunjenim enzimima. Ti enzimi su usmjereni na razdvajanje raznih velikih bioloških molekula u višemali blokovi (treba napomenuti da tada naš učitelj biologije još nije znao zašto su potrebni lizosomi). Otkrili su ih Christian de Duve, za koji je 1974. dobio Nobelovu nagradu u fiziologiji i medicini.

Christian de Duve i njegovi kolege odvojili su lizosome i peroksizome od ostalih staničnih organela koristeći novu metodu – centrifugiranje, čime se čestice razvrstavaju po masi. Lizosomi su danas naširoko upotrebljeni u medicini. Na primjer, usmjerena dostava lijeka na oštećene stanice i tkiva temelji se na njihovim svojstvima: molekularni lijek se stavlja unutar lizosoma zbog razlike u kiselosti iznutra i izvan nje, a tada se lizosom koji se isporučuje s određenim naljepnicama šalje na zahvaćena tkiva.

Akumulacija autofagosoma unutar vakuola u stanici kvasca. U ovom eksperimentu korištena je kultura mutantne linije kvasca, u kojoj nisu ekspresirane proteinaze. Stanice su fotografirane (različite tehnike fotografiranja u dva stupca) tijekom tri sata (vrh reda – na samom početku iskustva, drugi redak – za 15 minuta, treći redak – nakon 45 minuta sljedećih redaka – u trajanju od sat vremena). Fotografija iz članka K. Takeshige i dr., 1992.To je autofagija

Lizosomi su nečitljivi zbog prirode njihove aktivnosti – razgrađuju bilo koje molekule i molekularne komplekse u svoje sastavne dijelove. Uži "specijalisti" su proteasomi koji su usmjereni samo na cijepanje proteina (vidi: Proteini ulaze u proteazom kroz "raspoloženje" koji se već razvio, "Elements", 11/05/2010). Njihova uloga u staničnom gospodarstvu teško je precijeniti: prate enzime koji su im služili i uništili ih po potrebi. Ovaj pojam, kao što znamo, definiran je vrlo precizno – točno onoliko vremena koliko stanica obavlja određeni zadatak. Ako enzimi ne budu uništeni njegovom provedbom, tada bi se trenutna sinteza teško zaustaviti na vrijeme.

Proteazomi su prisutni u svim stanicama bez iznimke, čak iu onima gdje nema lizosoma. Uloga proteosoma i biokemijskog mehanizma njihova rada istraživala su Aaron Chekhanover, Avram Hershko i Irwin Rose kasnih sedamdesetih i ranih 1980-ih. Otkrili su da proteasomi prepoznaju i uništavaju one proteine ​​koji su obilježeni ubiquitinskim proteinom. Reakcija vezanja na ubikvitin dolazi s troškom ATP. U 2004, ova tri znanstvenika dobila Nobelovu nagradu u kemiji za svoje istraživanje o ubikvitin-ovisan protein degradacije.U 2010. godini, gledajući školski nastavni plan za darovitu englesku djecu, na slici stanične strukture vidio sam nekoliko crnih točaka koje su označene kao proteasome. Međutim, učitelj škole u toj školi nije mogao objasniti učenicima što je to i zašto su ti tajanstveni proteasomi potrebni. S lizosomima na toj slici nije bilo nikakvih pitanja.

Čak i na početku studije lizosoma, uočeno je da se unutar nekih od njih nalaze dijelovi celularnih organela. To znači da ne samo velike molekule već i dijelovi same stanice razgrađuju se u lizosome. Proces probave vlastitih staničnih struktura zove se autofagija – tj. "Jedući se". Kako se dijelovi celularnih organela ulaze u hidrokside koji sadrže lizosom? Još od osamdesetih godina, Yoshinori Osumi je počeo proučavati ovo pitanje, proučavajući strukturu i funkcije lizosoma i autofagozapisa u stanicama sisavaca. On i njegovi kolege pokazali su da se autofagosomi pojavljuju u masi u stanicama ako su uzgojeni na niskotemperaturnom mediju. U tom je smislu pretpostavljeno da se autofagosomi pojavljuju kada je potreban rezervni izvor energije – proteini i masti koji čine dodatne organele.Kako se formiraju ti autofagosomi, trebaju li ih kao izvor dodatne prehrane ili za druge stanične svrhe, kako ih lizosomi pronalaze za probavu? Sva ta pitanja u ranim 90-ima nisu imala odgovora.

Uzimajući neovisno istraživanje, Osumi je usredotočio svoje napore na istraživanja autofagogena kvasca. On je zaključio da bi autofagija trebala biti konzervativni stanični mehanizam, stoga je prikladnije proučiti ga na jednostavnim (relativno) i prikladnim laboratorijskim objektima.

Kod kvasca, autofagosomi se nalaze unutar vakuola, a onda se raspadaju. Njihovu primjenu obrađuju različiti enzimi-proteinaze. Ako su proteinaze oštećene u stanici, autofagosomi se nakupljaju unutar vakuola i ne otapaju se. Osumi je koristio ovu imovinu za dobivanje kulture kvasca s povećanim brojem autofagova. Uzgajao je kvasce kultura na siromašnim medijima – u ovom slučaju autofagosomi se pojavljuju u izobilju, isporučujući hranu žlijezdoj stanici. Ali u njegovim kulturama korištene su mutirane stanice s neradnim proteinazama. Dakle, stanice su brzo nakupile masu autofagosoma u vakuumima.

Autofagosomi (AV) unutar vakuuma (V). Duljina skale 1 mikrona. Fotografija iz članka K. Takeshige i dr., 1992.

Autofagosomi, kako slijedi iz njegovih opažanja, okruženi su jednoslojnim membranama, unutar kojih može postojati širok raspon sadržaja: ribosomi, mitohondri, lipidne granule i glikogen. Dodavanjem ili uklanjanjem inhibitora proteaze u kultura ne-mutantnih stanica, moguće je povećati ili smanjiti broj autofagosoma. Tako je u tim pokusima dokazano da se ova stanična tijela digestiraju uz pomoć enzima proteinaze.

Vrlo brzo, u samo jednoj godini, korištenjem metode slučajne mutacije, Osumi je identificirao 13-15 gena (APG1-15) i odgovarajuće proteinske proizvode koji su uključeni u formiranje autofagija (M. Tsukada, Y. Ohsumi, 1993. Izolacija i karakterizacija defektnih autofagija mutanti Saccharomyces cerevisiae). Među kolonijama stanica s neispravnom aktivnošću proteinaze, pod mikroskopom, on je odabrao one u kojima nisu postojali autofagosomi. Zatim, uzgojivši ih zasebno, otkrio sam koji su geni korumpirali. Njoj je trebalo još pet godina da dešifrira, kao prvu aproksimaciju, molekularni mehanizam djelovanja tih gena.

Kompleks proteina APG12 i APG5, u međufaznoj fazi nastajanja kompleksa APG12-APG7. Cijeli proces dolazi s troškom ATP energije (označen kao ATP u ovoj shemi).Osumi i njegovi kolege uspjeli su shvatiti kako se ova kaskada organizira, u kojem redoslijedu i kako ovi proteini međusobno komuniciraju. Kao rezultat rada tih konglomerata proteina, lipidni se sloj širi, što čini membranu autofagoma. Shema iz članka N. Mizushima i sur., 1998. Sustav konjugacije proteina neophodan za autofagiju

Moguće je saznati kako se ova kaskada uređuje, u kojem redoslijedu i kako se ti proteini međusobno vežu, tako da je rezultat autofagom. Do 2000. godine, slika formiranja membrane oko oštećenih organa koje treba reciklirati postala je jasna. Jedna lipidna membrana počinje se protezati oko tih organela, postupno ih okružuju sve dok se krajevi membrane ne približe jedni drugima i stapaju, stvarajući dvostruku membranu autofagoma. Ova bočica je zatim prebačena u lizosom i spojena s njom.

Izolacijska shema neispravnih organela. Kada stigne vanjski signal, pored organele nastaje embrij membranskog sloja, proteini APG-kompleksa (npr.žuti i crveni krugovi), koji se na određeni način vežu jedni na druge podešavanjem istezanja membrane oko orgulje. Kao rezultat toga, krajevi membrane dolaze zajedno i stapaju, formirajući dvoslojnu membranu autofagoma. Shema iz priopćenja za tisak Nobelovog odbora

U procesu stvaranja membrane uključeni su APG proteini, čiji su analozi Yoshinori Osumi i njegovi kolege također pronađeni kod sisavaca.

Formiranje autofagosoma u stanicama jetre štakora. Lokalizacija LC3 proteina, analoga APG8, proučavana je u autofagocima. Ovaj protein lokaliziran je izvana (crne strelice) i unutarnje (bijele strelicea) membranski autofagom, baš kao i proteini APG. Fotografija iz članka Y. Kabeya i sur., 2000. LC3, homologinja kvasca Apg8p sisavaca, lokaliziran je u membranama autofagoma nakon obrade

Zahvaljujući radu Osuma, vidjeli smo cijeli proces autofagije u dinamici. Polazna točka istraživanja Osumi bila je jednostavna činjenica prisutnosti tajanstvenih malih tijela u stanicama. Sada istraživači imaju priliku, iako hipotetički, upravljati cijelim procesom autofagije.

Autofagija je nužna za normalno funkcioniranje stanice, budući da stanica mora biti sposobna ne samo ažurirati svoju biokemijsku i arhitektonsku ekonomiju, već i uništiti nepotrebne. Postoje tisuće istrošenih ribosoma i mitohondrija, membranskih bjelančevina, istrošenih molekularnih kompleksa u stanici – svi oni trebaju biti ekonomski obrađeni i stavljeni u optjecaj. Ovo je vrsta staničnog recikliranja. Ovaj proces ne samo da osigurava poznatu štednju, već i sprječava brzo brzo starenje stanica.Poremećaj stanične autofagije kod ljudi dovodi do razvoja Parkinsonove bolesti, dijabetesa tipa II, raka i nekih poremećaja karakterističnih za stariju dob. Upravljanje procesom stanične autofagije očito ima velike izglede, kako u temeljnim tako iu primjenjenim uvjetima.

izvori:
1) Kazuhiko Takeshige, Misuzu Baba, Shigeru Tsuboi, Takeshi Noda i Yoshinori Ohsumi. Autofagija kod kvasca pokazana je nedostatkom proteinaze Journal of Cell Biology, 1992. V. 119 (2). 301-311. DOI: 10.1083 / jcb.119.2.301.
2) Miki Tsukada, Yoshinori Ohsumi. Izolacija i karakterizacija autofagijskih defektnih mutanata Saccharomyces cerevisiae // FEBS Letters, 1993. V. 333. P. 169-174. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (93) 80398-E.
3) Noboru Mizushima, Takeshi Noda, Tamotsu Yoshimori, Yae Tanaka, Tomoko Ishii, Michael D. George, Daniel J. Klionsky, Mariko Ohsumi i Yoshinori Ohsumi. Sustav konjugiranja proteina neophodan za autofagiju // priroda, 1998. V. 395. P. 395-398. DOI: 10,1038 / 26,506.
4) Yukiko Kabeya, Noboru Mizushima, Takashi Ueno, Akitsugu Yamamoto, Takayoshi Kirisako, Takeshi Noda, Eiki Kominami, Yoshinori Ohsumi i Tamotsu Yoshimori. LC3, sisavac homologa kvasca Apg8p, lokaliziran je u membranama autofagoma nakon obrade // EMBO časopis, 2000. V. 19 (21). 5720-5728. DOI: 10.1093 / emboj / 19.21.5720.

Elena Naimark


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