Nobelovka za chémiu: Keď baktérie podnietia zvedavosť
— Frédérique HazéováNobelova cena za chémiu bola dnes udelená trom vedcom, ktorí nezávisle od seba odhalili tajomstvá opravy DNA. Tomas Lindhal, Aziz Sancar a Paul Modrich. Ich zistenia ovplyvnili celú molekulárnu chémiu a stali sa okrem iného aj základom pre vznik nových liekov pri boji s rakovinou
Ilustračná fotografia. Zdroj: flickr.com/Stuart Cale
Deoxyribonukleová kyselina, čiže DNA, je jednou z najpozoruhodnejších súčastí ľudského organizmu. Táto makromolekula obsahujúca jedinečnú sústavu génov, nás do istej miery definuje. Jej štruktúra zostáva po celý náš život rovnaká, napriek tomu, že sa neustále replikuje s každým jedným bunkovým delením.
Ak by sme v dospelosti poskladali všetky naše reťazce DNA vedľa seba, dosiahli by až k Slnku a naspäť. Zhruba 250 krát.
Záchrana nedokonalosti
Pri replikácii sa naša DNA vlastne neustále kopíruje. „To sa deje za účasti enzýmov, takzvaných DNA polymeráz,“ vysvetlil molekulárny biológ Gabriel Minárik. Tie ale nepracujú absolútne stopercentne a môže sa stať, že pri replikácii urobia náhodnú chybu.
Naša DNA je navyše denne vystavovaná nepriaznivým vplyvom ako UV žiarenie či radiácia, ktoré ju môžu poškodiť. Poškodená DNA sa potom replikuje ďalej – aj s chybou. Pokiaľ by neexistoval žiaden spôsob nápravy, náš organizmus by sa veľmi rýchlo zrútil ešte predtým, než by sa z nás vôbec vyvinul plod.
V tomto bode však vstupujú do hry opravné mechanizmy, ktoré vedci kedysi nepoznali. „V dôsledku rôznorodosti poškodení DNA sú aj mechanizmy ich opravy rôznorodé,“ vysvetlil Gabriel Minárik.
Mikroskopickí opravári
Procesu, ktorý nazývame DNA oprava, sa zúčastňujú najmä enzýmy a ich kofaktory, ktoré sú zapojené v rôznych typoch opravných mechanizmov DNA. Tie rozlišujeme práve podľa toho, aký typ poškodenia majú enzýmy „na starosti“.
„Dnes napríklad poznáme bázovú excíznu opravu, nukleotidovú excíznu opravu, mismatch opravu, homologickú rekombináciu alebo spájanie nehomologických koncov chromozómov,“ vymenoval Gabriel Minárik.
Práve bázovú excíznu opravu skúmal Tomas Lindahl, ktorý si uvedomil, že bunka musí disponovať nejakou formou ochrany. Počas jeho 35-ročného výskumu sa mu postupne podarilo identifikovať a preskúmať mnohé z proteínov, ktoré sa na oprave DNA podieľajú.
Cytozín dokáže veľmi ľahko stratiť aminoskupinu. Keď sa tak stane, vzniká takzvaný uracil, ktorý nevie vytvoriť bázový pár s guanínom. Enzým, ktorý sa nazýva glykozyláza, však chybu objaví a uracil odstráni. Iný enzým následne odstráni zvyšok nukleotídu z reťazca DNA. Dieru následne vyplní DNA polymeráza a reťazec nakoniec zacelí DNA ligáza. Zdroj ilustrácie: nobelprize.org
Keď svetlo lieči
Druhého z ocenených, Aziza Sancara, zaujalo to, že baktérie vystavené smrteľným dávkam UV žiarenia sa dokážu zregenerovať, ak sú vystavené viditeľnému modrému svetlu.
Ešte v roku 1976 sa mu podarilo naklonovať gén enzýmu fotolyáza, ktorý opravuje DNA poškodenú UV žiarením. Jeho práca sa spočiatku nestretla s úspechom či nadšením, no Sancar sa nevzdal a v skúmaní DNA opravy pokračoval aj na Yale University School of Medicine. Tam začal výskum, ktorý mu dnes vyniesol Nobelovu cenu.
Sancar totiž nakoniec zistil, že poškodenie UV žiarením nenaprávajú len fotolyázy, ktoré sú závislé od svetla. Podarilo sa mu identifikovať ďalšie enzýmy, ktoré dokážu UV-poškodenie nájsť a následne ho odstrániť, pričom k fungovaniu svetlo nepotrebujú (viď obrázok).
UV žiarenie môže spôsobiť nesprávne spojenie dvoch tymínov. Enzým exinukleáza nájde poškodenie a nastrihne DNA reťazec, pričom odstráni 12 nukleotídov. DNA polymeráza následne vyplní medzeru, ktorá vznikla. DNA ligáza nakoniec zacelí DNA reťazec a proces je dokončený. Zdroj ilustrácie: nobelprize.org
Sancaraove zistenia viedli k zmenám v celom výskumnom odbore. Neskôr tento proces skúmal v ľudskom tele a zistil, že aj keď je v tomto prostredí omnoho zložitejší, princíp ostáva podobný.
Časom sa tiež vrátil k svojmu výskumu fotolyázy a odhalil mechanizmus, ktorý je zodpovedný za spomínané „oživovanie“ baktérií.
Žiadne nesprávne páry
Posledný z ocenených, Paul Modrich, sa vo svojom výskume zaoberal najmä takzvanou mismatch opravou. Spolu s molekulárnym biológom Matthewom Meselsonom totiž na začiatku zistili, že baktérie dokážu vo svojich bunkách vždy opraviť bázy, ktoré sa v DNA zle spárovali.
Modrich sa od svojho zistenia odrazil a v priebehu ďalších rokov skúmal všetky enzýmy, ktoré sa tejto opravy zúčastňujú. Podobne ako jeho spoluocenení sa tiež po výskume baktérií venoval aj ľudskej verzii DNA mismatch opravy, ktorú podrobne zmapoval a popísal.
Dnes už vieme, že mismatch oprava nezvládne iba jednu z tisícich chýb, ktoré vznikajú pri replikácii ľudského genómu. Stále nám však nie je jasné, ako je pri tomto type opravy rozoznaný pôvodný reťazec.
Dva enzýmy, MutS a MutL objavia nesprávne spárovanie v DNA. Enzým MultiH rozozná metylové skupiny na DNA. Metylové skupiny na sebe bude mať len pôvodný reťazec, ktorý slúžil ako predloha pre replikácii DNA. Nesprávna kópia je vystrihnutá a nesprávny pár je odstránený. Následne sú medzery vyplnené DNA polymerázou a DNA ligáza zacelí reťazec. Zdroj ilustrácie: nobelprize.org
Od výskumu baktérií k liečbe rakoviny
Záhad je v súvislosti s DNA stále veľa. „Pred pár rokmi sa napríklad za dôležitú časť DNA z pohľadu genetickej informácie považovalo len cca 1 % celkovej DNA uloženej v bunkách, ktoré sa označovalo ako kódujúca DNA,“ uviedol molekulárny biológ Gabriel Minárik.
„Predpokladalo sa, že len poškodenia v tejto časti DNA majú pre zdravotný stav jedinca význam. V nadväznosti na aktuálne výsledky projektu ENCODE je však zrejmé, že nie 1%, ale prevažná väčšina DNA má v bunke svoju funkciu. Jej poškodenie teda môže viesť k poškodeniu genetickej informácie, ktorá je v nej zakódovaná,“ dodal Minárik.
Okrem spomínaných typov DNA opravy existujú aj mnohé ďalšie, ktoré sa v mnohom odlišujú, no jedno majú často spoločné. Pri mnohých formách rakoviny sú jeden alebo viaceré z týchto opravných systémov čiastočne alebo úplne vypnuté.
Rakovinové bunky sa preto stávajú nestabilnými, kvôli čomu často zmutujú, alebo sa u nich vyvinie rezistencia voči chemoterapii. Na druhej strane však stále potrebujú opravné systémy, ktoré ešte zostali a fungujú. Bez nich by sa DNA príliš poškodila a bunky by zahynuli.
To je slabosť, ktorú sa vedci snažia využiť pri vývoji nových liekov. Podpora zostávajúcich opravných systémov im často umožňuje spomaliť či dokonca úplne zastaviť rast nádorov.
„Zároveň prebiehajú experimentálne štúdie, ktoré využívajú génovú terapiu ako nástroj na sfunkčnenie DNA opravných mechanizmov, ak v nádorových bunkách nefungujú,“ vysvetlil Minárik. „Avšak to, či sa vedcom podarí na základe známych informácií takpovediac postaviť 'nový' DNA opravný systém je otázkou do budúcnosti,“ dodal.
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nobelove ceny budú laureátom slávnostne odovzdané v deň výročia úmrtia Alfreda Nobela 10. decembra v Štokholme.
Zajtra o 13.00 hod. bude slávnostne vyhlásená Nobelova cena za literatúru. Priamy prenos z podujatia si môžete pozrieť tu.
Komentáre