Tiskane izdaje
Neizpodbitno je, da ni kemijskega procesa, ki ne bi bil podvržen naključni napaki, in to velja tudi za proces podvajanja genske informacije v DNK. Po statistični verjetnosti takšnih napak in po številu replikacij po spočetju bi torej morali biti, še preden smo postali zarodek, že pravi kemijski kaos. A nismo. Kako stabilna je torej naša DNK, se je konec šestdesetih let vprašal Tomas Lindahl, tedaj na podoktorskem izpopolnjevanju na ameriški univerzi Princeton.
Stabilnost kljub kaosu
Takrat je med znanstveniki prevladovalo prepričanje, da je molekula DNK izjemno odporna, prožna in zato neobčutljiva za okvare od zunaj. Dopuščali so sicer možnost omejenega števila mutacij na generacijo, morda programiranih za potrebe evolucije, sicer pa je veljalo, da večcelični organizmi, z nami vred, sploh ne bi mogli obstajati, če bi bila genska informacija preveč nestabilna.
Lindahl je takrat proučeval molekulo RNK, »sestrično« molekule DNK. Raziskava mu nikakor ni uspela: v eksperimentu je moral segreti molekulo RNK, ki je zaradi segrevanja takoj razpadla. Znano je bilo, da je RNK bolj občutljiva od DNK, toda če je RNK tako hitro propadla pod vplivom vročine, kako to, da je DNK uspevalo ohraniti stabilnost vse življenje?
Na to vprašanje je Lindahl začel iskati odgovor nekaj let kasneje, ko se je vrnil na Karolinški inštitut v Stockholmu. Eksperimenti so pokazali, da je bil njegov sum utemeljen: molekula DNK je v procesu podvojitev počasi, vendar opazno propadala. Takrat je ocenil, da genom vsak dan doživlja tisoče potencialno uničujočih poškodb. Pogostost teh poškodb je bila tolikšna, da je izključevala obstoj človeka na Zemlji. Lindahl je zato domneval, da gotovo obstajajo molekularni sistemi za popravilo poškodb DNK. S tem je odprl vrata povsem novemu področju raziskav.
V raziskavah bakterijske DNK, ki je prav tako kot človeška DNK sestavljena iz nukleotidov s štirimi bazami (adenin, citozin, gvanin, timin), je začel iskati encime, ki popravljajo poškodbe. Ena od kemijskih slabosti DNK je namreč v tem, da citozin zlahka izgubi aminsko skupino, kar lahko sproži spremembo genske informacije. Citozin se v dvojni vijačnici vedno poveže z gvaninom, toda če do te vezi ne pride, se preostali del poveže z adeninom, kar sčasoma privede do mutacije pri repliciranju DNK. Lindahl, ki je slutil, da v celici verjetno obstaja nekakšna zaščita pred takimi napakami, je v bakteriji res odkril encim, ki iz DNK odstranjuje poškodovane dele citozina, in o tem odkritju leta 1974 objavil članek.
Ključne beljakovine
V naslednjih 35 letih mu je uspelo najti in proučiti vrsto beljakovin, ki v celici opravljajo vlogo orodja za popravilo napak in poškodb. V Veliki Britaniji, kjer je vodil laboratorij Clare Hall v Hertfordshiru, je odkril mehanizme, v katerem encimi glikozidaze dobesedno izrežejo del DNK, ki je poškodovan. To se dogaja tudi v naši DNK. Lindahlu je leta 1996 uspelo in vitro pokazati prav proces takega popravka v človeški DNK.
Poleg napak v procesu podvajanja pa v DNK nastajajo poškodbe tudi zaradi zunanjih vplivov. Med njimi je neizogiben vpliv ultravijoličnega sevanja, in prav tu je Lindahlovo delo nadaljeval Aziz Sancar. Za raziskovanje DNK se je navdušil že med študijem medicine v Istanbulu, željo po raziskovanju pa je izpolnil, ko je končal še študij biokemije in se pridružil ameriškemu raziskovalcu Claudu Rupertu na Teksaški univerzi v Dallasu. Še med študijem v Turčiji ga je vznemirjalo vprašanje, zakaj si bakterija, ki je izpostavljena smrtonosnim odmerkom ultravijoličnega sevanja, nenadoma opomore, če jo osvetlijo z vidno modro svetlobo. V ZDA je takrat z dokaj okornimi metodami molekularne biologije izoliral encim fotoliazo, ki je popravljal škodo na celici zaradi UV-sevanja, uspelo pa mu je celo spodbuditi bakterijo, da je proizvedla več tega encima.
Prezrt in zavrnjen
A to njegovo odkritje, ki ga je povzel v doktorski disertaciji, je takrat ostalo neopaženo. S prošnjo za podoktorski študij je doživel kar tri zavrnitve. Da bi lahko nadaljeval raziskave, se je zaposlil kot tehnik na znameniti univerzi Yale – in to delo ga je pripeljalo do letošnje Nobelove nagrade za kemijo. S sodelavci na Yalu je proučil še drugega od dveh sistemov za popravilo škode zaradi UV-sevanja, ki deluje v temi. Sancar je s poskusi in vitro pokazal, kako encimi izolirajo poškodovani del DNK in ga izrežejo.
Molekularne podrobnosti tega procesa, objavljene leta 1983, so nato spremenile celotno področje raziskovanja, Sancarju pa so ponudili profesorsko mesto na Univerzi v Severni Karolini, kjer je eksperimente nadaljeval na človeški DNK. Ugotovil je, da je molekularni mehanizem za izrez poškodovanega dela DNK zaradi ultravijoličnega sevanja pri človeški DNK bolj zapleten, toda v kemijskem pogledu deluje podobno v vseh organizmih.
Tretji med letošnjimi Nobelovimi nagrajenci za kemijo, Američan Paul Modrich, ki ga je oče, profesor biologije, že v dijaških letih navdušil za raziskovanje DNK, je svojo prav tako le približno domnevo o popravilih v DNK razvil do podrobnosti in pojasnil, kako encimi v DNK odkrijejo napake v podvojevanju, natančno določijo njeno mesto in ga izrežejo. Že kot doktorski študent na Stanfordu, nato kot podoktorski raziskovalec na Harvardu in nato še kot profesor na univerzi Duke je proučil serijo encimov, ki vplivajo na DNK. Ugotovil je, da encim DAM metilaza deluje kot kažipot, ki usmerja k napaki v DNK.
Kažipoti do napak
Podobno je ugotovil tudi Matthew Meselson na Harvardu. Delo sta nadaljevala skupaj in z eksperimenti z virusi ugotovila, da obstaja v DNK proces zaznave in popravila napake, ki se zgodi pri njenem kopiranju, sproži pa ga odsotnost metilne skupine. Paul Modrich je nadaljeval sistematično raziskovanje encimov in leta 1989 objavil podrobno delovanje zapletenega molekularnega mehanizma odpravljanja napak.
Tako kot Lindahl in Sancar je te mehanizme proučeval še na človeški DNK. Tako danes vemo, da celica odpravi 999 tisočink napak, ki nastanejo pri podvajanju DNK, še vedno pa ne vemo, kako ta mehanizem v človeški DNK identificira originalno verigo. Metilacija DNK ima namreč v našem genomu drugačno vlogo, kot jo ima v genomu bakterije; kaj odloči, katero verigo DNK popraviti, še vedno ni znano.
Že to, kar vemo, pa omogoča razvoj novih, učinkovitejših zdravil za obvladovanje rakavih obolenj. Eno takih, ki izhaja iz dela letošnjih Nobelovih nagrajencev za kemijo, je na primer olaparib, ki zavira mehanizem popravljanja poškodb v rakavih celicah.
Ker ima razumevanje mehanizmov popravila poškodb in napak v podvajanju DNK tako pomembno vlogo pri razvoju učinkovitih zdravil za raka, je presenetljivo, da so bili ti raziskovalni dosežki nagrajeni šele letos. Zato bi lahko rekli, da letošnja izbira nagrad popravlja napako, ko so pri preteklih izbirah ta odkritja prezrli. Ali kot pojasnjuje prof. dr. Roman Jerala, vodja Laboratorija za biotehnologijo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani:
»Nobelova nagrada za odkritje mehanizma za popravljanje molekule DNK je podeljena z veliko zamudo, saj je mehanizem znan že 30 let. Njegovo odkritje iz 80. let je temeljnega pomena za znanost, a so ga takrat prezrli; letos so to napako le popravili. Mehanizem tako zdaj opisujejo že učbeniki in o njem predavajo na univerzah, tudi na naši,« pojasnjuje dr. Jerala. »Nasploh se Nobelove nagrade pogosto podeljujejo z velikim zamikom. Leta 2011 so jo, na primer, celo podelili Ralphu Steinmanu, ki je umrl le tri dni pred razglasitvijo. Izjema v tem okviru je bila morda le nagrada za odkritje Higgsovega bozona, ko so v švedskem odboru takoj poskočili. S podelitvijo letošnje nagrade za kemijo pa so popravili staro napako. Takšnih prezrtih odkritij je še veliko, toda Nobelova nagrada je za vsako področje le ena na leto.«
