Nobel za komórkowy recykling

W tym roku jedną z najważniejszych nagród naukowych świata otrzymał badacz zajmujący się fizjologią – i to na najbardziej podstawowym, komórkowym, poziomie. Urodzony w 1945 roku w Fukuoce Yoshinori Ohsumi badał mechanizm oczyszczania się komórek z niepotrzebnych elementów i odzyskiwania z tych „śmieci” energii - taki biologiczny recykling.
„Badania Ohsumiego pozwoliły nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób komórka przetwarza swoją zawartość. Jego odkrycia otwierają ścieżkę do analizy autofagii, kluczowej dla wielu procesów fizjologicznych, takich jak reakcja na głodzenie czy odpowiedź na infekcje” – brzmi oficjalny komunikat Karolinska Institutet. „Mutacje w genach sterujących autofagią mogą wywoływać choroby, procesy te mają udział m.in. w nowotworach oraz schorzeniach neurologicznych.
Autofagia (autofagocytoza) to proces polegający na trawieniu przez komórkę obumarłych lub uszkodzonych elementów jej struktury. Pozwala na odzyskiwanie energii i budulca ze zbędnych fragmentów, a także na obronę przed patogenami wnikającymi do jej wnętrza. Proces ten jest uruchamiany w odpowiedzi na m.in. infekcje bakteryjne lub wirusowe, stres i brak substancji odżywczych.
Jak to działa? Struktury przeznaczone do zniszczenia są zamykane w specjalnych pęcherzykach, a następnie transportowane do „ośrodka recyklingu” – lizosomów, w których następuje ich cięcie i rozkład.
Autofagia odgrywa również rolę w procesach rozwoju organizmu. Obecnie naukowcy mają dowody, że bierze ona też udział w rozwoju raka, chorób serca czy schorzeń wątroby.

Samopożeracze
„Autofagia była znana od ponad 50 lat, ale jej fundamentalne znaczenie dla fizjologii i medycyny ujawniły dopiero badania Yoshinori Ohsumiego prowadzone na początku lat 90. XX wieku” – podkreśla komunikat Komitetu. Dziś wiemy, że zaburzenia tego procesu odpowiadają m.in. za chorobę Parkinsona, a także cukrzycę typu 2. „Obecnie prowadzone są intensywne badania nad lekami, które wykorzystują mechanizm autofagii w terapii wielu chorób”.
Ale prace nad tym zjawiskiem zaczęły się znacznie wcześniej. Jeszcze na początku lat 50. XX wieku belgijski naukowiec Christian de Duve badał mechanizm działania insuliny. W eksperymencie kontrolnym – prowadzonym „obok” głównych badań – zauważył, że w komórkach wątroby działalność enzymatyczna ustaje niemal natychmiast po pobraniu próbki. Po pięciu dniach w lodówce – powraca. Dlaczego? Badacz zauważył, że enzymy są zamknięte w nieznanych wcześniej strukturach wewnątrz komórki – pęcherzykach, które de Duve nazwał lizosomami.
W późniejszych eksperymentach naukowcy obserwowali wytwarzanie się takich struktur w komórkach nerek zwierząt (konkretnie myszy i szczurów). Ich liczba rosła gwałtownie, gdy komórki poddawano działaniu substancji toksycznych, a w ich wnętrzu zachodziły procesy degeneracyjne. Christian de Duve uznał, że struktury te odpowiadają za „trawienie” uszkodzonych struktur wewnątrz komórki. W 1963 roku ukuł na to termin – autofagia („samopożeranie”).
Inni naukowcy w ciągu kilku lat potwierdzili istnienie tego zjawiska w komórkach jednokomórkowych organizmów – ameby i eugleny, później w komórkach owadów i żab, jak również ssaków. A to oznaczało, że jest to mechanizm, którzy przetrwał w toku ewolucji. Czyli musi być ważny.
To m.in. za te odkrycia de Duve, Albert Claude i George Palade otrzymali Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1974 roku.

Wiemy, że mało wiemy
Jednak postęp w podglądaniu wewnętrznych mechanizmów komórkowych zatrzymała technika. Konieczne były doskonalsze narzędzia. Dopiero dzięki mikroskopii elektronowej i radiografii naukowcy mogli zobaczyć formowanie się struktury o podwójnych ściankach (fagoforu), który otaczał uszkodzone fragmenty i zamykał się, tworząc pęcherzyk (autofagosom). Ale nawet przy użyciu najnowszej wówczas techniki obserwacje nie były łatwe. Teraz wiemy, że autofagosomy istnieją bardzo krótko – około 10–20 minut – a później łączą się z lizosomem, gdzie odbywa się właściwe „trawienie” - komórkowy recykling. Żeby to zobaczyć, potrzebne były nie tylko odpowiednie narzędzia, ale i sporo szczęścia.
Jak podkreśla Komitet Noblowski, wszystko to sprawiło, że mimo upływu 30 lat od odkryć de Duve’a, o autofagii wiedzieliśmy ciągle mało.
I wtedy, na początku lat 90. XX wieku, pojawia się prof. Yoshinori Ohsumi, wówczas pracujący na Uniwersytecie Tokijskim. Japończyk wykorzystał drożdże Sacharomyces cerevisae, jeden z najpowszechniej wykorzystywanych jednokomórkowych organizmów modelowych. U drożdży tzw. wakuole pełnią tę samą rolę, co u człowieka lizosomy. Ohsumi uważał, że jeżeli mechanizm ten jest u ludzi i drożdży taki sam, to genetyczne zablokowanie działania enzymów w wakuolach doprowadzi do gromadzenia się w nich niepotrzebnych fragmentów struktur komórkowych. A to będzie można zobaczyć pod mikroskopem. Pomysł się sprawdził. Ohsumi wyizolował 15 genów (tzw. genów ATG) odpowiedzialnych za uruchomienie autofagii.
Nieco później zespół noblisty zidentyfikował odpowiedniki tych genów u ssaków, co pozwoliło na prowadzenie eksperymentów na organizmach bardziej złożonych. Na przykład wyciszenie genu ATG5 u myszy sprawiło, że zwierzę, które wydawało się normalne i zdrowe po urodzeniu, padało w ciągu kilku dni z powodu wygłodzenia komórek.

Medycyna nie śpi
Autofagia początkowo uważana była za proces uaktywniający się w odpowiedzi na stres – uszkodzenia lub brak substancji odżywczych. Eksperymenty na myszach pokazały jednak, że jest ona kluczowa dla różnicowania się komórek, embriogenezy, a nawet starzenia się.
Ale prawdziwym przełomem – i to o praktycznym znaczeniu, co jest tak cenione przez Komitet Noblowski – było odkrycie, że odgrywa ona również rolę w powstawaniu nowotworów piersi i jajnika. Naukowcy zaobserwowali, że u chorych kobiet występuje zmutowane białko Beclin-1. Jest ono kodowane przez gen BECN1 – odpowiednik genu ATG6 zidentyfikowanego przez Ohsumiego jeszcze u drożdży. Z kolei u myszy z uszkodzeniami odpowiedników genów ATG5 i ATG7 dochodziło do uszkodzenia mózgu, opóźnienia rozwoju, problemów z motoryką. Dziś naukowcy uważają, że ten sam mechanizm występuje również u ludzi. A mechanizm komórkowego recyklingu próbuje się wykorzystać do leczenia nowotworów, chorób neurodegeneracyjnych wynikających z wadliwego złożenia białek, jak również niektórych infekcji bakteryjnych i wirusowych.