Nobelio premija fiziologijos ir medicinos srityje - 2013 m. • Daria Spasskaya • Mokslo naujienos apie "elementus" • Nobelio premijos, medicina, fiziologija

Nobelio premija fiziologijos ir medicinos srityje – 2013 m

Pav. 1. Nobelio premijos laureatai fiziologijoje ir medicinoje 2013 (iš kairės į dešinę: Thomas Südhof, Randy Shekman, James Rothman). Nuotrauka iš paskelbto Nobelio premijos fiziologijos ir medicinos premija 2013 m. Žurnalo interneto svetainėje Gamta

2013 m. Labiausiai prestižinis mokslinis apdovanojimas buvo pristatytas Randiui Shekmanui, Jamesui Rothmanui ir Thomasui Südhofui, siekiant atskleisti vezikulinio transporto mechanizmus, pagrindinę mūsų ląstelių transporto sistemą. Įvairios molekulės, supakytos pūslelių pūslelėse, nuolat siunčiamos iš vieno ląstelių dalijimosi į kitą, taip pat išskiriamos iš išorės. Tikslus pristatymas yra įmanomas dėl baltymų komplekso, kuris veikia tiek kaip "adresas", tiek kaip "pašto" tarnyba kiekvienoje ląstelių skyriuje. Naujai iškeptos Nobelio premijos laureatų darbai leido išsamiai išaiškinti šį mechanizmą: kokie genai koduoja vezikulinės transporto sistemos komponentus, į kuriuos baltymus jie dalyvauja ir, galiausiai, kaip reguliuojamas intracellular ir intracellular traffic.

Šiais metais Nobelio premija suteiktas darbas nėra vienintelio puikus atradimas ar mokslinis laimėjimas.Tai yra daugelio metų sunkaus darbo rezultatas, dėl kurio buvo galima išsamiai išnagrinėti vieną iš pagrindinių ląstelių fiziologijos procesų – intracellular transport. Trys mokslininkai – Randy Shekman, James Rothman ir Thomas Südhof – kiekvieną prisidėjo prie šio darbo, taikydami skirtingus požiūrius: genetinius (Shekman), biocheminius (Rothman) ir fiziologinius (Südhof).

Jamesas Rotentas (James E. Rothman) gimė 1950 m. Masačusetse, JAV. 1976 m. Harvardo universitete įgijo daktaro laipsnį (doktorantūrą), tada dirbo ne mažiau žinomame Masačusetso technologijos institute, o vėliau Stanfordo universitete, kur jis pradėjo mokslinius tyrimus vezikulinio transporto srityje. Šiuo metu jis yra Jale universiteto profesorius, kur jis vadovauja ląstelių biologijos skyriui.

Randy Shekman (Randy W. Schekman) gimė 1948 m. Minesotos valstijoje, JAV. Jis gavo doktorantūros laipsnį Stanfordo universitete, 1959 m. Nobelio premijos laureato Arthuro Kornbergo vadovu, kuris atrado nukleino rūgšties sintezės mechanizmą. Tada Shekman persikėlė į Kalifornijos universitetą Berkeley, kur jis vis dar dirba kaip molekulinės ir ląstelių biologijos katedros profesorius.

Thomas Südhof (Thomas C.Südhof) gimė 1955 m. Göttingene, Vokietijoje. Skirtingai nuo kolegų apdovanojime, jis gavo medicinos mokslų daktaro laipsnį (1982 m.), O vėliau – neurocheminį laipsnį. Tačiau Südhofas ilgai nesilaikė vokiečių mokslininko: 1983 m. Jis persikėlė į Teksaso Pietvakarių universitetą Dalase (JAV), kur dirbo su Michaelo Browno ir Josepho Goldsteino, 1985 m. Nobelio premijos laureatais, kurie studijavo cholesterolio metabolizmą. Šiuo metu jis yra Stanfordo universiteto Molekulinės ir mobiliosios fiziologijos katedros profesorius.

Kadangi eukariotinė ląstelė yra sudėtinga struktūra su daugeliu "skyrių", per savo gyvybinę veiklą, tampa būtina perkelti krovinius iš vieno departamento (skyriaus) į kitą, taip pat išsiųsti juos už kameros. Šis poreikis yra susijęs su darbo padalijimu tarp skyrių: pavyzdžiui, baltymai dažnai sintezuojami ant ribosomų, esančių endoplazminiu retikuliu, bet yra naudojami kituose skyriuose arba yra visiškai išskiriami. Kad siunta būtų pristatyta į adresą, ji turi būti supakuota į buteliuką (2 pav.) Su specialiu signaliniu baltymu.Molekulių įvairovė gali veikti kaip kroviniai: hormonai (įskaitant insuliną), fermentai, konstrukciniai baltymai ir tt Atskiras svarbus korinio transporto pavyzdys yra signalas, perduodamas tarp neuronų. Tai atliekamas per neurotransmiterių, supakuotų į tuos pačius veziklius, išleidimą į sinaptinio spragą.

Pav. 2 Kairėje: pūslelė yra burbulas, apsuptas bilipidiniu sluoksniu – ta pati membrana, kuri riboja ląstelę. Dešinėje: sinonso elektroninė mikrografija dviejų neuronų sąlyčio taške; aiškiai matomi sinapsiniai pūsleliai, kuriuose yra neuromediatorių molekulių. Vaizdai iš en.wikipedia.org ir iš Stanfordo universiteto

Vezikulinio transporto tyrimas yra ne tik itin svarbus: tarp ligų, susijusių su sutrikusiu kraujo pernešimo procesu, 2 tipo cukriniu diabetu ir epilepsija. Genties bakterijos Clostridiumkurie yra botulizmo ir stabligės sukeliantys veiksniai, jų toksinų pagalba tiesiog sugadina baltymus, susijusius su vezikulų formavimu sinapsiniame skiltyje. Dėl to yra užblokuotas neuronų arba tarp neurono ir raumens neuromediatorių atpalaidavimas, dėl kurio susidaro paralyžius.

Tarpsienietiškas transportas egzistuoja jau nuo XX a. Pradžios (pūslelės gali būti matomos paprasto šviesos mikroskopu). Tačiau molekuliniu požiūriu šio proceso detalės pradėjo aiškintis paskelbus "Shekman" darbą 1979 m. Žurnale PNAS. Darbuodami kepimo mielėse, Shekman ir jo kolega Peteris Novik identifikavo genus, kurių produktai suteikia įprastą intracellular transportą. Mokslininkai ištyrė šimtus mutantinių mielių štamų ir iš jų atrinktų vadinamųjų karščiui jautrių mutacijų (tokių ląstelių paprastai auga kambario temperatūroje, tačiau jei jie laikomi 37 ° C temperatūroje, jose kaupiasi susikaupimai). Išrinktieji mutantai paprastai negalėjo išvežti iš išorės fermentų, skirtų ląstelių sienelėms. Esant padidėjusiam temperatūrai, šiose ląstelėse, kurios buvo aiškiai matomos mikroskopu, pradėjo kauptis pūslelės (3 pav.).

Pav. 3 Mielių ląstelių, augančių normaliomis temperatūromis, elektroniniai mikrofotografai (B) ir mutacijų aktyvacijos temperatūra (D) Labai pastebimas vezikulų, kurių sudėtyje yra sekretų fermentų, kaupimas ląstelėje. Paveikslėlis iš straipsnio: P. Novick & R. Schekman.Sekrecijos ir ląstelės paviršiaus augimas užblokuojamas Saccharomyces cerevisiae jautriose temperatūrose. Proc. Natl. Acad. Sci. JAV. 1979. V. 76 (4). P. 1858-1862

Shekman išanalizavo mutantų, gautų vezikuliniu transportu, genotipą ir galiausiai identifikavo 23 genus, kurie galėjo būti suskirstyti į tris grupes, priklausomai nuo to, iš kur pūsleliai buvo išsiųsti iš ir į – su endoplazminiu retikuliu, Golgi kompleksu ar ląstelių paviršius Vėlesniame darbe jis atrado tarpinius pūslelių formavimo etapus ir susiejo juos su konkrečių genų mutacijomis (genai buvo sutrumpinti sek – iš sekretoriaus).

James Rothman savo darbe kreipėsi į tyrimą iš kitos pusės. Po kelių metų Stanfordo laboratorijoje jis ir jo kolegos atkūrė transporto procesą in vitrotai yra in vitro. Mokslininkai bandė atkurti vezikulinio stomatito viruso baltymo transportavimo žinduolių ląstelėse Golgi komplekso procesą (buvo pasirinktas viruso baltymas, nes jis kaupia didelius kiekius ląstelėse ir yra patogus dirbti su). Keliuose iš eilės straipsniuose Rothman išsamiai apibūdino baltymų transportavimą ląstelėse ir tuo pačiu metu nustatė pagrindines sudedamąsias dalis, reikalingas pūslelių formavimui ir transportavimui.Pirmasis baltymas buvo NSF (N-etilmeleimido jautrus faktorius), tada buvo identifikuotas SNAP (tirpus NSF tvirtinimo baltymas). Bendradarbiaudami su Shekman, jie nustatė, kad NSF ir SNAP baltymai atitinka anksčiau nustatytų Shekman genų produktus. sec17 ir 18 sek. Taigi pasirodė, kad intracellular transportas yra universalus tarp eukariotų ir išsamiai sutampa tiek su mielėmis, tiek su žinduoliais.

Toliau dirbti ant pūslelės susijusių baltymų išleidimo, Rothman rado tris pagrindinius baltymus: sinaptobreviną, Snap-25 ir syntaxin. Šie baltymai anksčiau buvo rasta kitų mokslininkų sinapsėse (kontaktų tarp neuronų srityse), tačiau jų funkcijos išliko nežinomos. Rothman prisijungė prie jų SNARE grupėje (tirpūs NSF baltymo receptoriai). Synaptobrevinas buvo susijęs su pūsleliais, o SNAP-25 ir sintaksinas buvo siejamas su ląstelių membranomis. Šis atradimas leido Rotmanui suformuluoti SNARE hipotezę, pagrindinę hipotezę, paaiškinančią intracellular ir intercellular transport principą. Pagal ją, per formavimo ir pristatymo vezikulių, dalyvaujančių baltymų, priklausančius dvi grupes – v-Snare (v – iš pūslelės 'pūslelės') ir t-Snare (t – dėl tikslinės "uždavinys"), kurie specifiškai atpažįsta vienas kitą. Atsižvelgiant į specialų pripažinimą, pristatymas atliekamas tiksliai tinkamoje vietoje (4 pav.).Ši hipotezė buvo patvirtinta tolesniuose Rothmano ir kitų mokslinių grupių darbuose. (Synaptobrevinas, be kita ko, yra botulizmo ir stabligės vystymosi tikslas).

Pav. 4 Schema, paaiškinanti vezikulinio transporto principą (SNARE hipotezė) tarp skirtingų ląstelės dalių. Burbuliukai (pūsleliai) išsiskleidžia iš vienos organelės (pvz., Endoplazminio retikulio) membranos ir gauna raktą – vieną iš v-SNARE šeimos baltymų. Tikslus pristatymas yra susijęs su tuo, kad tikslinė organelė turi t-SNARE šeimos konkretų baltymą, kuris veikia kaip "užraktas". Vaizdas iš www.zoology.ubc.ca

Thomas Südhofas buvo neurofiziologas pagal išsilavinimą ir ištyrė, kaip signalas perduodamas sinonitus tarp neuronų. Jis buvo suinteresuotas neuromediatoriaus išleidimo į sinapsinį skilimą procesą. Neurotransmiterio molekulės supakuojamos į pūsleles ir tiksliai tam tikru laiku turi būti išleidžiamos į tarpą tarp dviejų neuronų membranų (2 pav., Dešinėje). Paaiškėjo, kad šis procesas priklauso nuo ląstelių kalcio koncentracijos svyravimų. Südhof daugiausia dėmesio skyrė dviems baltymams – kompleksinui ir sinaptotagminui.Šiuo metu (90-ųjų pradžioje) tam tikram gyvūnų genui tapo plačiai paplitusi technologija, leidžianti auginti nikotoną (žr. Nobelio premiją fiziologijos ir medicinos srityje, 2007 m., "Elements", 2007 m. Spalio 12 d.). Ištyrus pelių, kurių funkcija susilpnėjo genų, koduojančių kompleksiną ar sinaptotagminį, nustatymą, jis nustatė, kad šie du baltymai reaguoja į kalcio ir yra "prižiūrėtojai", kurie užkerta kelią nuolatiniam nekontroliuojamam pūslelių formavimui. Paaiškėjo, kad sinaptotaminas, viena vertus, yra kalcio jutiklis, ir, kita vertus, jis sąveikauja su SNARE baltymu ir sukelia pūslelių formavimo mechanizmą. Südhof taip pat nustatė Munc18 baltymą, mutaciją, kuri atitiko mielių fenotipą sek1-1aprašyta Shekman. Šis baltymas ir šeima, kuriai jis priklauso, gavo bendrąjį pavadinimą SM-baltymus (iš Sec / Munc). Pasirodo, kad kartu su SNARE baltymu jie dalyvauja pūslelių formavimo procese.

Taigi, Shekmano, Rothmano ir Südhofo darbai tapo tos pačios mozaikos dalimis, apibūdinančiomis ląstelių transportavimo sistemą, dalyvaujant pūslelių pūslelėms. Jie iš esmės nustatė, kaip formuojasi burbulai, kaip jie nustato savo pristatymo vietą ir kaip jų formavimas reguliuojamas tam tikru laiku.Tačiau galima pastebėti, kad mozaikoje trūksta gabalėlio: ląstelės viduzelės neplūdės savaime, bet keliauja po citochlorą kartu su mikrotuvais, naudojant specialius variklinius baltymus, dineinas ir kinesinus. 2012 m. Atlikus motorinių baltymų ir transporto tyrimą, dar viena Amerikos mokslininkų trio gavo prestižinę "Lasker" premiją. Šis apdovanojimas laikomas Nobelio pirmtaku, todėl galbūt trūkstamas ryšys per ląstelių transportą ateinančiais metais taip pat bus apdovanotas aukščiausiomis premijomis (reikia pasakyti, kad šių metų laimėtojai įvairiais laikais tapo Lasker premijos laureatais).

Šaltiniai:
1) pranešimas spaudai Nobelio komiteto interneto svetainėje.
2) J. Zierath, U. Lendahl. Mechanizmas, reguliuojantis vandenilio eismą, pagrindinė transporto sistema mūsų kamerose. Straipsnis Nobelio komiteto interneto svetainėje.

Daria Spasskaya


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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