|
|
|
LAM 2001;12(1):27-9.
AKTUÁLIS KÉRDÉSEK
Orvosi Nobel-díj, 2001
A sejtciklust szabályozó kulcsfontosságú molekulák
dr. László Valéria
Semmelweis Egyetem, Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézet,
1089 Budapest, Nagyvárad tér 4.
A sejtciklust szabályozó molekulák felfedezéséért kapta a 2001. évi élettani vagy orvostudományi Nobel-díjat Leland H. Hartwell (Fred Hutchinson Cancer Research Center, Seattle, USA), R. Tim Hunt (Imperial Cancer Research Fund, Clare Hall Laboratories, Herts, Egyesült Királyság) és Paul M. Nurse (Imperial Cancer Research Fund, London, Egyesült Királyság).
 |
 |
 |
| Leland H. Hartwell | R. Tim Hunt | Paul M. Nurse |
Érdekes a díj tudományterületének meghatározása: élettani vagy orvostudományi. Alfred Nobel végrendeletének első változatában az orvostudományt jelölte meg, később barátjának, J. Johansson professzornak a javaslatára megváltoztatta. J. Johansson véleménye ugyanis az volt, hogy az „orvostudomány” meghatározás kizárná a biomedicina más, fontos területeit a díjazásból (1). Valóban, a díj alapítása óta kiadott 172 élettani vagy orvostudományi Nobel-díjat elsősorban kísérleti, biokémiai, biofizikai, újabban már genetikai és nem klinikai munkákért, eredményekért kapták a díjazottak (2). Mint látni fogjuk, igazak ezek a megállapítások a legutóbbi Nobel-díjasokra is.
Minden egyes élőlénynek, legyen az egysejtű vagy többsejtű, növény, gomba, állat vagy maga az ember, alapvetően fontos folyamata a sejtosztódás. A felnőtt emberi szervezet körülbelül 100 000 milliárd sejtje, hasonlóan a legtöbb többsejtű állathoz, egyetlen sejtből, a megtermékenyített petesejtből, a zigótából jön létre sejtosztódások, mitózisok sorozatával. Az osztódás folytatódik a felnőtt szervezetben is, másodpercenként sejtek milliói osztódnak, hogy helyettesítsék az elpusztultakat. A sejtciklus alatt azokat a ciklusos eseményeket értjük, amelyek egyik osztódás végétől a másik végéig történnek. Nagyon egyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy a sejtciklus alatt a sejtek először megkettőzik tartalmukat, ezt nevezzük interfázisnak, majd a megkettőződött tartalom kettéosztódik az úgynevezett M-fázis alatt.
Az interfázison belül különböző szakaszok különíthetők el. A G1-ben (G = gap) a sejtek nőnek, lényegében a citoplazmájuk duplikálódik, az S szakaszban szintetizálódik a DNS és a sejtközpont is, a G2-ben pedig a sejt felkészül az osztódásra. Az M-fázis mitózisszakaszában a DNS kromoszóma formában kettéosztódik a sejtközpont irányításával, majd ezzel részben egy időben, illetve ezt követően a citoplazma is kettéválik, ez utóbbi folyamatot nevezik citokinézisnek. A magasabb rendűek felnőtt szervezetében a legtöbb sejt csak ritkán, némelyek – például az idegsejtek, az izomrostok – soha nem osztódnak: kilépnek a sejtciklusból, az úgynevezett G0 szakaszba kerülnek, amelyből csak meghatározott külső jelek, például növekedési faktorok hatására képesek visszatérni a G1 szakaszba.
|
A kulcsmolekulák a ciklindependens kinázok és a ciklinek. |
A sejtciklus eseményei, elsősorban a mitózis folyamata, de az interfázis is régóta és meglehetősen jól ismertek. Az 1960-as, 70-es évektől kezdődően a figyelem elsősorban a szabályozási mechanizmusok megismerésére, azok molekuláris hátterének tisztázására irányult. Néhány kivételtől eltekintve ugyanis, egy soksejtű szervezet összes sejtjében pontosan ugyanaz a genetikai információ, DNS-állomány található, amit az biztosít, hogy a sejtciklus során elsősorban a DNS replikálódása és kettéosztódása nagyon pontosan szabályozott.
A fent említett Nobel-díjas kutatók nevéhez fűződik az alapvető mechanizmusok és legfontosabb molekulák felfedezése.
Ezek a kulcsmolekulák a ciklindependens kinázok (CDK-k) és a ciklinek. A kinázok olyan enzimek, amelyek meghatározott célfehérjéket képesek foszforilálni, és így azok működését szabályozni, aktiválni vagy inaktiválni. Számos ilyen enzim van a sejtekben, ezek egyik csoportja csak akkor működik, ha egy másik fehérje, a ciklin kapcsolódik hozzá. A ciklin tehát a ciklindependens kináz regulálója, ki- és bekapcsolója.
Az első felfedezések Hartwell nevéhez fűződnek. Módszertanilag is fontos felismeréshez jutott, a sejtciklust elsősorban genetikai módszerekkel vizsgálta. Modellsejtnek a kenyérélesztőt, a Saccharomyces cerevisiae-t választotta. Vizsgálatai során kimutatta, hogy több mint száz gén vesz részt a sejtciklus szabályozásában, ezeket CDC (cell division genes) géneknek nevezte. Ezek közül az egyik, a CDC28 regulálja a G1-ből az S-be való átlépést. Ha a sejt elkezdi a DNS-ének a szintézisét, többé már nincs visszaút a sejtciklusban, ezért startgénnek is nevezte a CDC28 gént. Hartwell az élesztősejtek sugárzásra való érzékenységét is vizsgálta, és eredményei alapján vezette be az ellenőrzési pont koncepcióját. Ennek lényege, hogy a sejtciklus fontos pontjain a sejt ellenőrzi az esetleges DNS-sérülést. Amennyiben a DNS-molekula sérült, a sejtciklus megáll addig, amíg a hibajavító rendszer a hibát ki nem javította. Csak ez után folytatódhat a sejtciklus. Lényegében ennek az ellenőrzésipont-rendszernek köszönhető, hogy normális esetben a sejtciklus szakaszai meghatározott sorrendben követik egymást, nem cserélődnek fel. Szemléletes hasonlattal a sejtciklust egy automata mosógép működéséhez szokták hasonlítani, amelyben az egyes munkafázisok csakis adott sorrendben követhetik egymást, amit egy ellenőrzési rendszer biztosít. Ma már tudjuk, hogy legalább három fő ellenőrzési pont van a sejtciklusban, a G1-ben a G1, a G2-ben a G2, valamint a mitózisban az M ellenőrzési pontok. Egy bonyolult érzékelőrendszer érzékeli a G1-ben és a G2-ben az előbb már említett esetleges DNS-sérülést, illetve az utóbbiban azt is, ha a DNS szintézise még nem fejeződött be. Az M ellenőrzési pontban azt vizsgálja meg egy szintén bonyolult molekuláris rendszer, hogy megfelelően helyezked-nek-e el a kromoszómák a sejt közepén. Az ellenőrzési pontok arra szolgálnak, hogy a sejt DNS-ének szintézise és kettéosztódása pontosan történjen, a folyamat végén genetikailag azonos sejtek keletkezzenek. Az esetleges hibák jelentkezésekor a rendszer megállítja a sejtciklust, és addig nem engedi folytatódni, amíg a hiba ki nem javítódik. A rendszer működési elvének felfedezése is Hartwell nevéhez fűződik.
|
Az ellenőrzési pontok arra szolgálnak, hogy genetikailag azonos sejtek keletkezzenek. |
A másik Nobel-díjas kutató, Nurse szintén genetikai módszerek alkalmazásával vizsgálta a sejtciklust. Modellként egy másik gombafajt,
a Scizzosaccharomyces pombe-t használta. A két kutató által használt gombafaj fejlődéstani szempontból igen távol áll egymástól, körülbelül 1 milliárd éve vált szét a fejlődésük. Az 1970-es évek elején Nurse felfedezte a cdc2 gént, amely a G2-ből az M-be való átmenetet szabályozza. Később azt is kimutatta, hogy ennek a génnek, pontosabban az általa kódolt fehérjének általánosabb a funkciója, azonos a Hartwell által felfedezett startgénnel, amely a G1–S átmenetet regulálja. Az 1987-es év nagy eredménye volt, hogy sikerült a cdc2-nek megfelelő emberi gént izolálni, azt az élesztősejtbe beültetni, ahol az kifogástalanul működött. Ezzel bizonyította, hogy ez a sejtciklust irányító kulcsfontosságú molekula igen konzervatív, nem változott az evolúció során. A cdc2 gén termékét a működése alapján ciklindependens kináznak, CDK-nak nevezték el. Pontosabban ez a CDK1, mivel máig kilenc ciklindependens kinázt találtak, bár ezek nem mindegyike vesz részt a sejtciklus szabályozásában.
|
A tumorok diagnosztikájában és terápiájában is új távlatokat nyitottak. |
A CDK működését reguláló fehérje, a ciklin felfedezése R. Tim Hunt nevéhez fűződik. Ő egy harmadik modellrendszeren, tengerisün- (Arcabia-) petesejteken végezte vizsgálatait. 1982-ben kimutatta, hogy a sejtciklus során van egy fehérje, amelynek a mennyisége ciklusosan változik, a sejt osztódása előtt megnő, majd azonnal eltűnik az osztódás után. Erről a ciklikus megjelenésről és eltűnésről kapta a nevét a ciklinfehérje. A CDK-k működését szabályozó fehérje, a ciklin felfedezésén kívül az is bebizonyosodott, hogy a fehérje lebomlása, eltűnése, majd az újraszintetizálódása alapvető mechanizmus a sejtciklus szabályozása során, ugyanis a CDK-molekulák mennyisége többé-kevésbé állandó, aktivitásukat az határozza meg, van-e a sejtben reguláló ciklin vagy nincs. Hunt azt is kimutatta, hogy a ciklin más állatfajokban is megtalálható, tehát a CDK-khoz hasonlóan szintén konzervatív fehérje. Az ismertté vált ciklinek száma ma már tizenhat, de ezek között is vannak olyanok, amelyek nem a sejtek osztódását, hanem más fontos funkciókat szabályoznak. A molekuláris rendszer leegyszerűsített működése látható az 1. ábrán.
|
Kétségtelenül úgy tűnhet, hogy a fenti eredmények inkább az élettan területéhez tartozó ismereteket gyarapították, és meglehetősen távol esnek az orvostudománytól, főként a klinikumtól, tekintettel arra is, hogy különböző élesztőfajokon és tengerisünön végezték a tavalyi év Nobel-díjasai a kísérleteiket. Mi köze ezeknek az eredményeknek az orvosi gyakorlathoz? A sejtek életük során DNS-károsító tényezőnek, oxidatív hatásnak, replikációs, osztódási hibának vannak kitéve, amelyek megváltoztathatják a DNS-t, a géneket, azaz mutációkat okozhatnak. Ezek a hibák természetesen a sejt DNS-ének bármelyik területét érinthetik, így azokat a géneket is, amelyek vagy közvetlenül, vagy közvetve a sejtciklust reguláló, serkentő, két kulcsfontosságú fehérjét, a ciklindependens kinázokat, a CDK-kat és a ciklineket kódolják vagy azok működését befolyásolják. Ezeket a géneket protoonkogéneknek nevezik, nem véletlenül: ha mutációval úgy változnak meg, hogy mennyiségük megnő vagy aktívabbak lesznek, tumorokat okozhatnak. A megváltozott gének már az onkogének közé tartoznak. Megnövekedett mennyiségű ciklin található például humán emlő- és egyéb tumorokban. Hartwell, Nurse és Hunt kutatásait folytatva mások azt is kimutatták, hogy nemcsak a sejtciklust elősegítő, serkentő molekuláris mechanizmusok vannak, hanem azt lassítók is. Az ezeket a molekulákat – vagy működésüket – befolyásoló más molekulákat kódoló géneket tumorszuppresszor géneknek nevezik. Amennyiben ezek mutációval úgy változnak, hogy működésképtelenné válnak vagy egyenesen eltűnnek a genomból, akkor tumorok kialakulásához vezethetnek. A p53-at, egy 53 kDa tömegű proteint kódoló gén mutációját találták humán tumorok körülbelül felében. A p53 mutációja felelős öröklődő formában a Li–Fraumeni-szindrómáért is. Amennyiben elsősorban a G1 ellenőrzési pontban a sejt DNS-sérülést érzékel, normális sejtekben ennek a fehérjének a mennyisége megemelkedik, és nem engedi, hogy a sejt az S szakaszba lépjen, s a sérült DNS-ét megkettőzze. Amikor a hiba kijavítódik, a p53 mennyisége csökken, a sejt folytathatja a sejtciklust.
Hartwell, Nurse és Hunt felfedezései nemcsak a biológia, de az orvostudomány számos területén, így a tumorok diagnosztikájában és egyre inkább a tumorok terápiájában is új lehetőségeket, távlatokat nyitottak.
A portrék forrása: http://www.nobel.se/medicine/laureates/2001/illpress
Irodalom
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||