Znajdź zawartość

Sirolimus, in. rapamycyna, i jego pochodna ewerolimus, które dotąd stosowano m.in. w transplantologii przy zapobieganiu odrzuceniu przeszczepu, odwracają efekty starzenia u dzieci z zespołem progerii Hutchinsona-Gilforda (HGPS). Progerię charakteryzuje przyspieszone starzenie się. Wywołuje je mutacja punktowa (substytucja pojedynczego nukleotydu) w położonym na chromosomie 1. genie LMNA, który koduje białko laminę A. Proteina ta stabilizuje błonę otaczającą jądro komórkowe. Zmutowaną laminę A nazywa się progeryną. Jej akumulacja w organizmie zaburza prawidłowy rozwój tkanek. Podczas podziału komórek hodowlanych nagromadzenie wadliwego białka niekorzystnie wpływa na integralność błony komórkowej i prowadzi do powstawania uwypukleń jąder. Progeryna jest też produkowana przez starzejące się zdrowe komórki. Zespół Francisa S. Collinsa, dyrektora amerykańskich Narodowych Instytutów Zdrowia, zauważył, że zastosowanie rapamycyny (antybiotyku makrolidowego) w odniesieniu do fibroblastów osób z HGPS spowalniało starzenie komórek i całego organizmu. Sirolimus znosił uwypuklanie jąder, opóźniał początek etapu starości komórek i nasilał degradację progeryny. Co ważne, w normalnych fibroblastach rapamycyna ograniczała tworzenie się nierozpuszczalnych agregatów progeryny i stymulowała oczyszczanie w procesie autofagii. Jak obrazowo tłumaczą Amerykanie, leki immunosupresyjne wzmacniały wewnątrzkomórkowy mechanizm recyklingu, zmniejszając ilość progeryny nawet o połowę. Zespół ma nadzieję, że dzięki obiecującym wynikom wkrótce rozpoczną się testy kliniczne z udziałem dzieci z progerią. Obecnie w fazie testów klinicznych znajdują sie 3 leki, jednak działają one na innej zasadzie niż sirolimus i ewerolimus. Należą bowiem do grupy inhibitorów transferazy farnezylu i zapobiegają tworzeniu się progeryny. Collins uważa, że można by zastosować terapię połączoną lekami z obydwu grup (inhibitorów i antybiotyków makrolidowych).

Na University of Illinois skonstruowano igłę, dzięki której można wstrzyknąć kwantową kropkę do wnętrza jądra komórki. To pozwala na obserwowanie procesów tam zachodzących. Z kolei zrozumienie tych procesów umożliwi szybszy postęp genetyki. Dotychczas do badania tego, co dzieje się w jądrach komórek wykorzystywano proteiny i barwniki. Jednak są one duże i wrażliwe na światło, co bardzo utrudnia ich użycie w połączeniu z mikroskopem. Kropki kwantowe mają tę przewagę, że są bardzo małe, można im nadać fluoroscencyjne barwy czyniąc je łatwymi do śledzenia i są stabilne w świetle. Wiele osób korzysta z kwantowych kropek monitorując procesy biologiczne i uzyskując informacje na temat środowiska komórek. Jednak umieszczenie kwantowych kropek w komórce i wykorzystanie ich w zaawansowanych badaniach to poważny problem - mówi profesor Min-Feng Yu z University of Illinois. Yu oraz jego koledzy - Ning Wang i Kyungsuk Yum - stworzyli nanoigłę działającą jak elektroda, która pozwala na dostarczenie kwantowych kropek w precyzyjnie wyznaczone miejsce jądra komórki. Później można je śledzić za pomocą standardowego mikroskopu fluorescencyjnego. Technika ta daje nam fizyczny dostęp do środowiska wewnątrz komórki. To prawie tak jakbyśmy mieli narzędzia chirurgiczne pozwalające nam tam operować - mówi Yu. Nanoigła to pojedyncza tuba o szerokości 50 nanometrów pokryta cienką warstwą złota. Napełnia się ją kropkami kwantowymi, które są uwalniane do komórki po przyłożeniu niewielkiego napięcia. To pozwala na uzyskanie niezwykle precyzyjnej kontroli. Możemy umieścić nanoigłę w konkretnej lokalizacji i poczekać, aż rozpocznie się konkretny proces biologiczny, który chcemy badać, i wówczas uwalniamy kropki kwantowe. Dotychczasowe techniki nie pozwalały na taką kontrolę - dodaje Yu. Uczeni chcą w przyszłości przystosować swoją igłę do pracy z różnymi typami molekuł tak, by można było za jej pomocą dostarczać np. fragmenty DNA, proteiny czy enzymy. To narzędzie typu wszystko w jednym - mówi Wang. W komórkach zachodzą trzy podstawowe typy procesów: chemiczne, elektryczne i mechaniczne. Igła ma wszystkie trzy właściwości. Jest mechanicznym próbnikiem, elektrodą i systemem dostarczania związków chemicznych - dodaje.

Błona jądrowa, czyli dwuwarstwowa membrana otaczająca jądro komórkowe, była dotychczas uznawana za szczelną barierę chroniącą DNA przed kontaktem z białkami, które nie powinny znaleźć się w jego otoczeniu. Dopiero teraz okazuje się jednak, że osłabienie kontroli cząsteczek przenikających do strefy zajmowanej przez DNA komórki, do którego dochodzi podczas podziału komórkowego i rozdzielenia zduplikowanego materiału genetycznego do komórek potomnych, trwa znacznie dłużej, niż dotychczas sądzono. Swoją selektywność w stosunku do białek błona jądrowa zawdzięcza tzw. kompleksowi porów jądrowych (ang. nuclear pore complex - NPC). Jest to grupa białek, która - po rozpoznaniu motywów strukturalnych działających niczym przepustka - umożliwia przenikanie niektórych protein do bezpośredniego otoczenia DNA. Wszelkie inne makrocząsteczki są odrzucane. NPC spełnia swoje zadanie całkiem dobrze, lecz problem pojawia się podczas podziału komórki. Aby zduplikowane DNA trafiło do komórek potomnych, jądro komórkowe musi bowiem ulec rozpadowi. Kontrola ruchu białek wewnątrz komórki jest wówczas tymczasowo zaburzona, dzięki czemu mogą one rozprzestrzeniać się na zasadzie prostej dyfuzji. Zgodnie z dostępnymi dotychczas danymi uważano, że NPC staje się aktywny już po 10 minutach od rozpoczęcia się ruchu zreplikowanych chromosomów w kierunku stref, z których powstaną później komórki potomne. Okazuje się jednak, że zdolność białek do infiltracji bezpośredniego sąsiedztwa cząsteczek DNA utrzymuje się znacznie dłużej. Odkrycia dokonali badacze z niemieckiego ośrodka EMBL, kierowani przez dr. Jana Ellenberga. Do badania przepuszczalności błony jądrowej wykorzystano fluorescencyjne białko Dronpa. Proteina ta jest pozbawiona motywów strukturalnych rozpoznawanych przez NPC, co oznacza, że jedyną drogą jej wnikania do jądra komórkowego jest prosta dyfuzja. Jak się okazało, nieszczelność bariery chroniącej DNA, objawiająca się poprzez łatwą dyfuzję cząsteczek Dronpa do wnętrza jądra komórkowego, utrzymywała się przez ponad dwie godziny od podziału komórek. Mało tego - jeżeli do otoczenia DNA przenikały cząsteczki tak ogromne, jak białka, najprawdopodobniej mogły to czynić (i to znacznie łatwiej) wielokrotnie mniejsze cząsteczki, także te, które mogłyby potencjalnie wywołać uszkodzenia genomu. Dokonane odkrycie ułatwi m.in. poszukiwanie nowych dróg dostarczania leków do wnętrza jądra komórkowego. Odpowiednie wykorzystanie nieszczelności otoczki jądrowej pozwoli na skuteczniejszą dystrybucję związków mogących wejść w bezpośredni kontakt z DNA, przez co możliwe będzie skuteczne manipulowanie aktywnością i innymi właściwościami genomu komórki.

Jaką funkcję, oprócz przechowywania materiału genetycznego, może pełnić jądro komórkowe? Zdaniem niemiecko-angielskiego zespołu badaczy, u zwierząt prowadzących nocny tryb życia pełni ono funkcję... soczewki. O odkryciu informuje prestiżowe czasopismo Cell. Swoje wnioski autorzy opierają na badaniu architektury jądra komórkowego, czyli rozłożenia różnych fragmentów nici DNA w jego wnętrzu. Materiał genetyczny nie jest bowiem jednorodny - składa się on z silnie zbitej i nieaktywnej heterochromatyny oraz z euchromatyny, czyli fragmentów DNA o znacznie niższym stopniu zagęszczenia, do których z łatwością mogą przyłączać się enzymy odpowiedzialne za ekspresję genów. W typowej niedzielącej się komórce euchromatyna zlokalizowana jest w centrum jądra komórkowego, zaś jego peryferie są zajęte przez heterochromatynę. Sytuacja wygląda jednak zupełnie inaczej w pręcikach, czyli komórkach wyspecjalizowanych w wykrywaniu światła o minimalnym natężeniu, u ssaków prowadzących nocny tryb życia. Ich DNA jest zorganizowane w sposób dokładnie odwrotny, tzn. heterochromatyna znajduje się u nich w pobliżu centrum jądra komórkowego, zaś odcinki o luźniejszej strukturze znajdują się na jego obrzeżach. Jak się okazuje, nie jest to zjawisko przypadkowe. Dzięki badaniu właściwości optycznych jąder komórkowych zauważono, że w pręcikach u zwierząt nocnych skupiają one światło, pozwalając w ten sposób na zwiększenie czułości oka. W oczywisty sposób wspomaga to widzenie w nocy, gdy ilość światła docierającego do narządu wzroku jest minimalna. Co ciekawe, badanie na myszach wykazało, iż charakterystyczna architektura jądra komórkowego nie jest widoczna od urodzenia, lecz rozwija się dopiero po kilku tygodniach życia. Wiele wskazuje także na to, że cecha ta pojawiła się w toku ewolucji co najmniej kilkakrotnie i nie jest efektem pojedynczej zmiany, "dziedziczonej" przez kolejne gatunki preferujące nocny tryb życia. Jak przyznają autorzy odkrycia, prezentowana przez nich hipoteza była z początku wyśmiewana przez kolegów. Z czasem udało się jednak udowodnić, że nietypowe rozłożenie DNA ma swój cel. Okazuje się więc, że odwaga jest prawdziwą cnotą także dla naukowców.

Regulacja aktywności wielu genów naraz od dawna stanowiła zagadkę dla biologów. Troje naukowców dowodzi, że jednym z procesów regulujących te procesy jest częstotliwość, z jaką poruszają się wahadłowo niektóre białka wewnątrz komórki. Odkrycia dokonało trzech naukowców z California Institute of Technology (Caltech): dr Michael Elowitz, dr Long Cai oraz student Chiraj Dalal. Badacze analizowali zachowanie pojedynczych komórek drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) w odpowiedzi na nadmiar jonów wapnia w pożywce. Komórki odbierają nagłe zmiany składu chemicznego otoczenia jako zagrożenie, w odpowiedzi reagując zmianą aktywności ściśle określonych genów. Właśnie ten proces, a dokładniej mówiąc: jego regulacja, był głównym obiektem badania. Wcześniejsze badania wykazały, że jednym z białek odpowiedzialnych za reakcję komórek na zmianę stężenia jonów wapnia jest proteina zwana Crz1. Wykorzystując techniki inżynierii genetycznej badacze wyhodowali szczep drożdży, które produkowały cząsteczki Crz1 połączone z zielonym białkiem fluorescencyjnym (ang. Green Fluosrescent Protein - GFP). Pozwalało to na śledzenie zachowania molekuł wewnątrz komórki. Rejestracja zmian była mozliwa dzięki mikroskopowi sprzężonemu z lampą ultrafioletową (powodowała ona na wywołanie fluorescencji, czyli świecenia GFP) oraz kamerą wykonującą zdjęcia komórki w regularnych odstępach czasowych. Celem eksperymentu była analiza ruchu cząsteczek Crz1 do wnętrza jądra komórkowego oraz ucieczki z niego. Badacze zaobserwowali, że lokalizacja białka zmienia się nieustannie, lecz zawsze w sposób skoordynowany - w określonej chwili poszczególne molekuły poruszały się zawsze w jednym kierunku. Czas ich pobytu we wnętrzu jądra komórkowego był stały, lecz częstotliwość wykonywania "przeskoków" zależała od warunków, w jakich przebywała komórka. Jak tłumaczy dr Elowitz, można w takim razie powiedzieć, że poziom wapnia jest "zakodowany" w częstotliwości tych gwałtownych zmian lokalizacji. Zaobserwowana u drożdży metoda sterowania aktywnością genów jest niezwykle rzadka. W podobnych sytuacjach czynnikiem regulującym jest zwykle stężenie określonych substancji, lecz regulację poprzez częstotliwość ruchu wahadłowego cząsteczek zaobserwowano prawdopodobnie po raz pierwszy. Obserwacje wykonane przez naukowców z Caltech wskazują, że molekuły Crz1 regulują aktywność około stu genów. Co ważne, każdy z nich reaguje na stymulację w charakterystyczny dla siebie sposób, zależny od sytuacji wewnątrz komórki. Jest to warunek kluczowy dla optymalnej reakcji komórki na stres. Szczegółowych informacji na temat odkrycia dokonanego przez zespół dr. Elowitza dostarcza najnowszy numer czasopisma Nature.

Dla genu istotna jest nie tylko sama jego aktywność, ale także jego położenie wewnątrz jądra komórkowego - donoszą naukowcy z Wydziału Medycznego Uniwersytetu Chicago. Umocowanie określonego odcinka DNA do wewnętrznej strony błony jądrowej umożliwia wyciszenie jego ekspresji. Jest to kolejny odkryty mechanizm zwany epigenetycznym, tzn. regulujący ekspresję genu i jednocześnie niezależny jednoznacznie od sekwencji chromatyny. W jądrze komórkowym ssaków chromatyna - skomplikowana struktura złożona z DNA i towarzyszących mu białek - jest zorganizowana w tzw. domeny, czyli pętle przymocowane w określonych miejscach do wewnętrznej strony błony jądrowej (kariolemmy). Aby zbadać wpływ położenia genu na jego transkrypcję, naukowcy badali tzw. geny markerowe, czyli takie, których ekspresja jest łatwa do wykrycia. Następnie badano wpływ lokalizacji danego genu wewnątrz jądra na poziom jego ekspresji. Zespół pod przewodnictwem profesora Singhsa skupił się na badaniu syntezy łańcucha ciężkiego przeciwciał, produkowanych wyłącznie przez limfocyty B. Geny kodujące te białka jeszcze przed rozpoczęciem ekspresji przechodzą rekombinację: określone odcinki DNA są wycinane, a następnie powstające fragmenty są ze sobą zestawiane. Wobec tego wykrycie zmian w sekwencji DNA limfocytów B jest oznaką aktywności genu. Naukowcy odkryli, że w aktywnych limfocytach B geny dla przeciwciał były ulokowane bliżej centrum jądra, natomiast w komórkach naturalnie nieprodukujących immunoglobulin były one zawsze ulokowane bliżej błony jądrowej. Potwierdzeniem tego odkrycia był fakt, że gdy gen zlokalizowany był bliżej błony jądrowej, nie wykazywał oznak wcześniejszej rekombinacji. Do tej pory ciągle nie jest jednak znany dokładny mechanizm regulujący położenie genu wewnątrz jądra. Jedna z najbardziej prawdopodobnych hipotez sugeruje, że decydują o tym białka tworzące kariolemmę. Wstępne formowanie chromatyny zachodzi zapewne już podczas podziału komórki - te geny, które w określonym typie komórek nie będą poddawane ekspresji lub będzie ona niska, są przesuwane na peryferia jądra. Jest to forma zabezpieczenia przed "niechcianą" ekspresją genu. Badacze sugerują także, że w DNA mogą istnieć określone sekwencje służące jako "adresy" określonych genów - miałyby one, ich zdaniem, służyć do "mocowania" chromatyny do błony jądrowej, a przez to do regulacji ekspresji genu, włączając i wyłączając ją w określonych momentach, w zależności od bieżących potrzeb. Może to wyjaśniać rolę wielu białek tworzących błonę jądrową, których funkcja dotychczas pozostawała nieznana oraz umożliwić zrozumienie licznych nieuleczalnych chorób związanych z ich mutacjami.