Organizacija in uravnavanje celičnega prometa

Vezikularni transport in oddaja vsebin sta pomembna dela fizioloških procesov, kot so prenos živčnih signalov v možganih, imunski odgovor in izločanje hormonov. Za temeljna odkritja na tem področju so letošnjo Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino dobili James E. Rothman, Randy W. Schekman in Thomas Südhof.

Objavljeno
17. oktober 2013 15.11
Radovan Komel
Radovan Komel

O letošnjih Nobelovih nagrajencih smo na kratko že poročali, ko je Nobelov odbor na začetku oktobra objavil njihova imena. Za zahtevnejše bralce pa objavljamo še nekoliko podrobnejše predstavitve nagrajenih dosežkov in raziskovalnih področij. Tokrat predstavljamo letošnjo Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino.

Nobelovi nagrajenci za medicino za leto 2013 so James E. Rothman z univerze Yale, Randy W. Schekman s kalifornijske univerze Berkeley in Thomas Südhof s Stanforda. Nagrajeni so za temeljno odkritje transporta molekul znotraj celice, torej s področja celične fiziologije.

Zgradba telesnih celic rastlin in živali je zapletena. Njene specifične življenjske vloge so prostorsko porazdeljene in ločene druga od druge v tako imenovanih celičnih organelih. Če pobliže pogledamo živalsko celico, je ta obdana z membrano, enako pa so z notranjimi membranami obdani tudi organeli. Vse membrane, tako zunanja kot notranje, so si v osnovi zelo podobne, saj so sestavljene iz dvojnega sloja različnih lipidnih molekul, vendar so v te dvosloje vgrajeni različni proteini, ki membranam zagotavljajo specifičnost oziroma njihove vloge v življenju celice. Porazdelitev vlog seveda pomeni veliko evolucijsko pridobitev, saj na ta način procesi potekajo bolj usmerjeno in učinkovito, poleg tega pa je v notranjosti celice preprečeno potratno in kaotično prosto potovanje molekul, od katerih bi mnoge na nepravem mestu in ob nepravem času lahko bile celo škodljive.

V celičnem metabolizmu morajo različni predeli celice izmenjavati specifične molekule in nekatere molekule se tudi izločajo iz celic. Ob prerazporeditvi vlog metabolizma na različne organele pa se po drugi strani pojavi problem izmenjave molekul, ki so večinoma prevelike, da bi neposredno prehajale skozi membrane organelov, zato celica potrebuje mehanizme njihovega usmerjenega potovanja. Lep primer so proteini, ki jih celica izloča: proizvajajo jih ribosomi, vgrajeni v endoplazemski retikulum, nato vstopijo v Golgijev kompleks, kjer se pripravijo za izločanje skozi celično membrano, prehodi med omenjenimi organeli oziroma lokacijami pa morajo biti prostorsko in časovno usmerjeni in usklajeni.

Dolgoletne raziskave

Že pred časom so sicer ugotovili, da imajo številni proteini v svoji zgradbi strukturne predele, ki jih pravilno usmerjajo na specifična mesta, prišli so tudi do spoznanja, da se proteini, ki jih celice izločajo, z mesta njihove sinteze do celične površine prenašajo s pomočjo z membrano obdanih kapljičastih tvorb, imenovanih vezikli, časovna in prostorska natančnost tega procesa pa sta ostali uganka. Do njene rešitve so privedle dolgoletne raziskave več generacij raziskovalcev, med katerimi izstopajo trije letošnji prejemniki Nobelove nagrade za fiziologijo in medicino, Američana James E. Rothman in Randy W. Schekman ter Nemec Thomas C. Südhof.

Vezikli so v celični biologiji poznani kot majhni mehurčki, posebne vrste organeli, saj so tako kot drugi celični organeli obdani z lipidnim dvoslojem. Lahko nastanejo v procesu endocitoze, ko celice »požirajo« velike molekule (na primer proteine) iz zunanjosti. Celična membrana se na mestu prihoda velike molekule vboči in obda vodno okolje, v katerem je omenjena molekula; izoblikuje se vezikel, obdan z »ukradenim« kosom celične membrane, v katerem so večkrat vgrajeni tudi njeni integralni proteini, ki so omogočili usmerjen prihod zunanje molekule na celično površino. Vezikel nato potuje po citosolu do specifičnega organela, kjer se njegova membrana zaradi podobne temeljne lipidne zgradbe zlije z membrano vezikla, vsebina vezikla pa se izlije v notranjost organela.

Kaj so odkrili

Randy Schekman je odkril niz genov, katerih proteinski produkti so potrebni za transport veziklov po notranjosti celice. Ko je opazoval dinamiko gibanja velikih molekul v notranjosti celic, je primerjal normalne celice kvasovke (te so modelni organizem za preučevanje celic višjih organizmov) s celicami kvasovk, v katerih je z mutacijami onesposabljal različne gene. Počasi je tako identificiral gene, ki s svojimi proteinskimi produkti usmerjajo transport molekul na različne položaje v celici kot tudi na njeno površino.

James Rothman je razvil umetno tvorbo (in vitro rekonstitucijski sistem), ki je oponašala zgradbo vezikla in v katero je lahko vstavljal kombinacije proteinov po svojem izboru. Tako je razkril proteinsko organizacijo, ki veziklom omogoča, da se njihova membrana zlije na pravem mestu s pravim organelom in s tem sprosti vsebino v okolje njene namenske uporabe. Ugotovil je, da se proteini vezikla vežejo na komplementarne proteine tarčne membrane (membrane specifičnega organela), kar posledično privede do zlitja obeh membran in oddaje tovora na pravo mesto.

Thomas Südhof pa je k temu dodal spoznanja o signalih, ki omogočijo časovno natančnost omenjenega procesa. Vedel je, da morajo vezikularna zlitja v organizmu potekati zelo natančno, kot odgovor na specifična sporočila. Preučeval je, kako se v možganih molekulska sporočila prenašajo z ene živčne celice na drugo, pri čemer je ugotovil, da je hitro sproščanje sporočevalnih molekul iz sinaptičnih veziklov podrejeno spremembam v koncentraciji kalcijevih ionov v citoplazmi živčne celice, in tudi razkril kalcij vezavne oziroma s tem povezane proteine kot integralni del vezikularnega kompleksa. Ta namreč ob spodbudi kalcijevih ionov spodbudi zlitje veziklove membrane z membrano lastne živčne celice (nevrona) in s tem sprostitev sporočilnih molekul (nevrotransmiterjev) v sinaptični prostor med obema nevronoma, da ti lahko sporočilo prenesejo z enega na drug nevron. Na ta način, to je na »molekulski ukaz« zaradi prihoda specifičnega sporočila, ki je lahko živčne, metabolne ali hormonske narave, je v telesu uravnavan časovno usklajen odgovor – predaja vezikularnih vsebin ob pravem času in na pravo mesto.

Pot do nove generacije zdravil

Vezikularni transport in oddaja vsebin sta pomembna dela fizioloških procesov, kot so prenos živčnih signalov v možganih, imunski odgovor in izločanje hormonov. Poškodbe transportnih sistemov so lahko vzrok za številne bolezni, kot so diabetes tipa 2, pri katerem je moteno izločanje inzulina iz betacelic trebušne slinavke, nepravilno delovanje imunskega sistema, pri katerem je moteno izločanje citokinov in drugih molekul, ki posredujejo imunski odgovor, pa tudi nekatere bolezni osrednjega živčevja in poškodb živčno-mišičnih povezav, na primer epilepsija, botulizem in tetanus.

Odkritja Jamesa E. Rothmana, Randya W. Schekmana in Thomasa C. Südhofa so osvetlila nekaj najbolj ključnih procesov celičnega »prometa«. Poznavanje temeljnih molekulskih dogajanj na široko odpira vrata tudi za oblikovanje nove generacije zdravil, ki bodo delovala ciljano, v same vzroke nepravilnosti, brez neželenih sistemskih stranskih učinkov.

Prof. dr. Radovan Komel Medicinska fakulteta Univerze v Ljubljani in Kemijski inštitut, Ljubljana