Iskanje stikala, ki sproži poškodbo nevronov

Evropski raziskovalni svet (ERC) je pred kratkim podprl 312 raziskovalnih projektov v skupnem znesku 575 milijonov evrov. Med njimi je tudi dr. Jernej Ule, diplomant molekularne biologije na ljubljanski univerzi, nosilec doktorata s tega področja na univerzi Rockefeller v ZDA in zdaj profesor molekularne nevrobiologije ter vodja istoimenskega laboratorija na Inštitutu za nevrologijo na univerzi UCL (University College London).

Pred kratkim dodeljena subvencija ERC v višini dveh milijonov evrov za petletni projekt je za 37-letnega slovenskega znanstvenika že druga taka podpora v njegovi karieri. Prvič je dobil sredstva ERC pred šestimi leti, ko je raziskoval še na Cambridgeu v kategoriji mladih »na začetku poti« (starting grant), tokrat pa je bil uspešen v naslednji skupini (consolidator grant) na novem naslovu v Londonu. Ta vključuje mlajše znanstvenike, ki v krajšem obdobju po doktoratu nadaljujejo obetavne raziskave.

V družini, ki se je uveljavila na različnih področjih znanosti, dr. Andrej Ule in dr. Mirjana Ule v družboslovju, sta se sinova usmerila v naravoslovje. Aljaž v matematiko in vi v molekularno biologijo. Kaj ste si obetali od izbranega študija in to že zelo zgodaj tudi v tujini?

Ob odločitvi za molekularno biologijo sem že v drugem letniku imel priložnost oditi na študentsko izmenjavo k prof. Matiji Peterlinu v njegov laboratorij na kalifornijski univerzi UCSF v San Franciscu. Kot je verjetno znano, je prof. Peterlin vzgojil marsikaterega našega študenta oziroma mladega znanstvenika. Pri Matiji sem se učil, kako raziskovati izražanje genov v celici, in še vedno se ukvarjam s tem področjem. Gre za vrsto zanimivih vprašanj: Kako virus prisili celico, da se obnaša virusu v prid? Kdaj in kako se celica odloči, da bo postala, na primer, živčna celica? Zakaj celica pod vplivom določenega signala spremeni obliko in funkcijo ter s tem sproži bolezen? Osnovne biokemijske tehnike na tem področju se v desetletju ali dveh niso bistveno spremenile, nove možnosti pa so se odprle z razvojem genomskih znanj in orodij. Včasih je bilo mogoče raziskovati le posamezne gene in signalne poti, zdaj pa imamo boljši pogled v celico kot celoto.

Kot lahko vidimo v številnih objavah, se v vašem laboratoriju ukvarjate z raziskovanjem živčnih celic, s poudarkom na nevrodegenerativnih boleznih. Kaj je pri tem največji izziv?

Teh je veliko. Po eni strani raziskujemo, kako se zarodne celice razvijejo v različne vrste možganskih celic. Po drugi strani pa, kako pod vplivom različnih stresov ali genskih mutacij možganske celice spremenijo vedenje, ki nazadnje vodi v nastanek nevrodegenerativnih bolezni. Še zlasti raziskujemo bolezni motoričnih nevronov, ki so razmeroma pogoste in zanje še ni učinkovitega zdravljenja.

Imate v mislih amiotrofično lateralno sklerozo, na kratko znano kot ALS, ki bolnikom postopno odvzema mišično moč in nazadnje ogrozi tudi dihanje? 

Da, gre predvsem za ALS ...

Bolezen se že nekaj časa intenzivno raziskuje. Kakšen je napredek oziroma kje so še poglavitne neznanke? 

Kot biokemik nisem usmerjen v klinične vidike posameznih bolezni. Me pa to zanima in vedno iščem logične povezave med našimi temeljnimi raziskavami ter klinično uporabo novih spoznanj. Ko sem začel s svojim doktorskim raziskovalnim delom v New Yorku, sem se ukvarjal s proteinom, ki ima ključno vlogo pri nevrološki bolezni. Ta protein deluje tako, da se veže na molekule RNK, in tako uravnava izražanje genov. Da bi razumel delovanje tega proteina, sem razvil raziskovalno tehniko, ki določi mesta na vseh molekulah RNK, kjer se veže protein. To tehniko sem poimenoval CLIP. V zadnjih letih se je izkazalo, da so prav motorični nevroni pri ALS najbolj občutljivi na mutacije, ki vplivajo na vezavo med proteini in RNK. Ni pa še jasno, kako napačne povezave med proteini in RNK vodijo v bolezen, in tega smo se lotili z uporabo naše tehnike.

Po sedmih letih raziskovanja na Cambridgeu, kjer ste se ukvarjali s strukturno biologijo, zdaj nadaljujete delo v svojem laboratoriju na Inštitutu za nevrologijo. Kakšne možnosti se odpirajo v tem novem delovnem okolju?

Tukaj lahko uporabljamo nove tehnike za modeliranje procesov, ki sprožijo začetek bolezni. Zelo obetavna je uporaba pluripotentnih celic, ki se lahko pridobijo na primer iz bolnikove kože. Kožne celice je mogoče vrniti na zgodnejše razvojne stopnje, ki se nato lahko diferencirajo, med drugim tudi v živčne celice. Te potem uporabimo za modeliranje bolezenskih procesov v ALS. Hkrati pa še vedno nadaljujemo delo, ki smo ga začeli na Cambridgeu. Glavno vprašanje v projektu, ki ga je sprejel ERC, je namreč prav vloga strukture RNK pri pomembnih signalnih poteh.

Je pri tem pristopu pomembna prednost v dejstvu, da se kot raziskovalni model uporabljajo bolnikove lastne celice?  

Natančno za to gre. Ko bolnikove kožne celice pretvorimo v živčne celice, imajo ohranjen genski zapis. Tako lahko raziskujemo, kako mutacije v bolnikovem genomu povzročijo razvoj bolezni. Med drugim sem se odločil za prihod v London prav zato, ker lahko združimo izkušnje pri delu s pluripotentnimi celicami z znanjem drugih strokovnjakov s tega področja.

Katera nova spoznanja so pri tem posebno obetavna in kaj ostaja še nepojasnjeno?

Vemo, da mutacije v zelo različnih genih lahko vodijo v ALS. Vendar ni jasno, kaj je skupnega tem genom. Zanimivo je namreč, da so ti geni večinoma izraženi v vseh telesnih celicah, vendar pa mutacije v njih poškodujejo le živčne celice. Sprašujemo se torej, kje so kritična mesta za ranljivost motoričnih živčnih celic. Na to vprašanje bomo poskušali odgovoriti z modeliranjem začetka procesa, ki vodi v spremembe v bolnikovih živčnih celicah. Za te raziskave imamo zagotovljeno financiranje v omenjenem petletnem projektu. Pričakujem, da se bomo v približno letu dni dokopali do temeljnih ugotovitev o začetku procesa, v nadaljevanju pa bomo raziskovali, kako bi pravočasno zavrli sprožilne dejavnike, ki vodijo v bolezen.

Koliko laboratorijev oziroma skupin sodeluje v tem projektu?

V Angliji sodelujemo v konzorciju, ki združuje 20 laboratorijev. Med njimi je tudi Inštitut Roslin, širše verjetno najbolj znan po znameniti ovčki Dolly in poznejšem nereproduktivnem kloniranju, ki je pomembno prav za raziskovanje neozdravljivih bolezni. V moj laboratorij dobimo že pripravljene linije bolnikovih pluripotentnih celic, na katerih opravljamo molekularne raziskave. Ta program vključuje tudi raziskovanje Alzheimerjeve bolezni. Raziskovalci si že nekaj časa prizadevajo odkriti sprožilne dejavnike zanjo. Če bi lahko sledili zgodnje označevalce te bolezni, bi bilo veliko laže razviti učinkovita zdravila. Njeni zunanji znaki so namreč povezani z odmiranjem živčnih celic, zato po današnjih medicinskih spoznanjih na tej pozni stopnji bolezni ni učinkovitih zdravil. Raziskave izražanja genov pri nevrodegenerativnih boleznih namreč pokažejo, da se že kakšno desetletje prej, kot je to na zunaj očitno, »nekaj dogaja« v možganih, vendar še ni oprijemljivega orodja za učinkovito zgodnejše ukrepanje. Trenutno raziskujemo, ali se enake spremembe v izražanju genov zaznajo tudi v bolnikovih živčnih celicah v celični kulturi. V tem primeru se postopek iskanja zdravil lahko pospeši. Spremembe, ki se v človekovem organizmu postopno razvijajo desetletje, lahko z modeliranjem v celični kulturi spremljamo in analiziramo v nekaj mesecih.

Če boste torej v enem letu razkrili skrivnosti usodnega začetka, kakšni bodo naslednji koraki? 

Ko bomo natančneje razumeli, kateri proteini nadzorujejo celotno mrežo sprememb v celicah, bo mogoče določiti tarče, na katere bi lahko delovali z zdravili. V zadnjih mesecih je bilo objavljenih že nekaj raziskav drugih skupin, ki so s tem pristopom prišle do prebojnih spoznanj.

Lahko v povezavi z nevrodegenerativnimi boleznimi, ki so večinoma dolgotrajne in ponavadi počasi napredujejo, nekoliko podrobneje pojasnite specifično raziskovanje bolezni ALS.

Za boljše razumevanje ALS se je treba spomniti, da imajo motorične živčne celice zelo dolge, včasih celo metrske izrastke. Saj si lahko predstavljate, kako so razvejani ti živčni pleteži, ki imajo celično jedro v hrbtenjači, odgovorni pa so za gibanje udov, vse do zadnjega prsta na roki ali nogi ... In ta izjemno dolga in zapletena pot živčnih izrastkov je verjetno povezana z nastankom različnih okvar. Strokovnjaki si niso enotni o tem, na kateri stopnji so motorične živčne celice najbolj izpostavljene. Nekateri menijo, da se to morda zgodi znotraj izrastkov, drugi pa se bolj nagibajo k celičnemu jedru. To bomo poskušali raziskati z že omenjenim modeliranjem v celični kulturi. V laboratorijskih razmerah sicer ne moremo pridobiti enakih, recimo meter dolgih izrastkov, lahko pa se temu približamo in uporabimo sodobne 3D-tehnologije celične kulture. V Edinburghu so tako že raziskovali celice bolnikov z ALS in pri tem zaznali značilno agregacijo proteinov, ki se sicer vežejo na RNK.

Kako je potem predvideno nadaljevanje projekta z večjim poudarkom na kliničnem raziskovanju?

Nosilni raziskovalec v tem projektu, ki je del moje skupine, je klinični nevrolog dr. Rickie Patani, ki je za svoje delo dobil več kot milijon evrov od angleškega zasebnega sklada Wellcome Trust. Rickie se poglavitno ukvarja z laboratorijskimi raziskavami, dva dni v tednu pa se posveča bolnikom z ALS. Njegova velika prednost je v tem, da zelo dobro pozna vse možnosti in težave pri zdravljenju in tako lahko povezuje temeljne in klinične raziskave te zapletene bolezni. Med drugim poskuša ugotoviti, ali se bolezen pravzaprav začne v živčnih celicah, ali pa v tako imenovanih celicah glia, ki so ovite okoli nevronov. Tu pripravimo mešane celične kulture, v katerih združimo živčne celice zdravega človeka z bolnikovimi celicami glia in obratno, kar nas bo privedlo bliže k odgovoru, katere celice so ključne za razvoj bolezni. 

Kako ocenjujete sicer že vzpostavljeno sodelovanje s kolegi v Sloveniji?

Zelo dobro. Že pet let sodelujem z dr. Borisom Rogljem na Institutu Jožef Stefan in z dr. Tomažem Curkom, ki je na Fakulteti za računalništvo in elektrotehniko Univerze v Ljubljani odgovoren za računalniško analizo naših podatkov, s katerimi smo objavili že veliko skupnih člankov. Del mojega prvega projekta ERC je bil usmerjen k Tomaževi skupini. Naše sodelovanje je pred kratkim podprla tudi slovenska agencija ARRS, ki je za triletni projekt s Tomažem in Borisom namenila 100.000 evrov. Poleg tega so vedno odprte tudi možnosti za krajše ali daljše gostovanje slovenskih študentov pri nas. V zadnjih nekaj letih sem imel veliko srečo, da je mojo skupini obiskalo šest izjemno nadarjenih študentov iz Slovenije, ki so ostali po šest mesecev do enega leta. Ponavadi so študentje kar sami po elektronski pošti izrazili zanimanje za obisk, nekajkrat pa sem dal oglas na kakšno študentsko stran na facebooku. Vedno so dobrodošli magistrski ali doktorski študenti, posebno tisti z dobrim znanjem računalništva ali biokemije. Več o naši skupini se lahko prebere na www.ulelab.info.