Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan - 2016 • Elena Naimark • Berita Sains mengenai "Elemen" • Hadiah Nobel, Biologi Molekul

Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan – 2016

Yoshinori Osumi dilahirkan di Fukuoka, Jepun, pada tahun 1945. Foto ini diambil pada Julai 2016 di makmalnya di Institut Teknologi Tokyo. Foto dari indianexpress.com

Pada tahun 2016, Jawatankuasa Nobel dianugerahkan saintis Jepun Yoshinori Osumi sebagai hadiah dalam bidang fisiologi dan perubatan untuk menemui autophagy dan menguraikan mekanisme molekulnya. Autophagy – proses pengolahan organel sisa dan kompleks protein, adalah penting bukan sahaja untuk pengurusan ekonomi pertanian sel, tetapi juga untuk pembaharuan struktur selular. Memecahkan biokimia proses ini dan asas genetiknya mencadangkan kemungkinan pemantauan dan pengendalian keseluruhan proses dan tahap individunya. Dan ia memberikan perspektif asas dan penerapan yang jelas kepada para penyelidik.

Sains maju ke hadapan pada kadar yang luar biasa yang bukan pakar tidak mempunyai masa untuk menyedari betapa pentingnya penemuan itu, dan Hadiah Nobel telah dianugerahkan untuknya. Pada tahun 1980-an, dalam buku teks biologi, di bahagian struktur sel, ia mungkin mengetahui tentang organelles tentang lisosom – vesikel membran yang diisi dengan enzim di dalamnya. Enzim-enzim ini bertujuan membelah pelbagai molekul biologi yang besar ke lebih banyakblok kecil (harus diperhatikan bahawa kemudian guru biologi kita tidak tahu kenapa lisosom diperlukan). Mereka ditemui oleh Christian de Duve, yang pada tahun 1974 beliau dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan.

Christian de Duve dan rakan-rakannya memisahkan lisosom dan peroksisom dari organel selular lain menggunakan kaedah baru – sentrifugasi, yang membolehkan zarah-zarah disusun mengikut jisim. Lysosomes kini banyak digunakan dalam perubatan. Sebagai contoh, penyebaran dadah yang disasarkan kepada sel dan tisu yang rosak adalah berdasarkan sifat mereka: ubat molekul diletakkan di dalam lisosom kerana perbezaan keasidan di dalam dan di luarnya, dan kemudian lisosom yang dibekalkan dengan label tertentu dihantar ke tisu yang terjejas.

Pengumpulan autophagosomes di dalam vaksin dalam sel yis. Dalam eksperimen ini, budaya garis mutant ragi digunakan, di mana proteinase tidak dinyatakan. Sel-sel telah difoto (teknik fotografi yang berlainan dalam dua lajur) selama tiga jam (baris atas – pada awal pengalaman, baris kedua – dalam masa 15 minit, baris ketiga – selepas 45 minit lagi baris berikut – dengan selang satu jam). Gambar dari artikel K. Takeshige et al., 1992.Ia adalah autophagy

Lysosomes tidak dapat dibaca kerana sifat aktiviti mereka – mereka memecah mana-mana molekul dan kompleks molekul ke bahagian konstituen mereka. "Pakar" yang lebih sempit adalah proteasomes, yang hanya ditujukan pada pembelahan protein (lihat: Protein masuk ke proteasome melalui "ambang" yang sudah dibentangkan, "Unsur", 11/05/2010) Peranan mereka dalam ekonomi selular adalah sukar untuk memandang berat: mereka memantau enzim yang telah melayan masa mereka dan memusnahkan mereka seperti yang diperlukan. Istilah ini, seperti yang kita ketahui, ditakrifkan dengan tepat – tepat pada waktunya sel menjalankan tugas tertentu. Jika enzim tidak dimusnahkan oleh pelaksanaannya, maka sintesis berjalan akan menjadi sukar untuk berhenti tepat pada masanya.

Proteasomes terdapat dalam semua sel tanpa pengecualian, walaupun di dalamnya tidak ada lisosom. Peranan proteasome dan mekanisme biokimia kerja mereka disiasat oleh Aaron Chekhanover, Avram Hershko dan Irwin Rose pada akhir 1970-an dan awal 1980-an. Mereka mendapati bahawa proteasomes mengenali dan memusnahkan protein-protein yang dilabelkan dengan protein ubiquitin. Reaksi mengikat untuk ubiquitin datang dengan kos ATP. Pada tahun 2004, ketiga-tiga saintis ini menerima Hadiah Nobel dalam Kimia untuk penyelidikannya mengenai degradasi protein dependen ubiquitin.Pada tahun 2010, melihat melalui kurikulum sekolah untuk kanak-kanak Inggeris yang berbakat, saya melihat dalam gambar struktur sel beberapa titik hitam yang dilabel sebagai proteasomes. Walau bagaimanapun, guru sekolah di sekolah itu tidak dapat menjelaskan kepada pelajar apa itu dan mengapa proteasom misteri ini diperlukan. Dengan lisosom dalam gambar itu, tiada soalan telah timbul.

Walaupun pada permulaan kajian lisosome, ia mendapati bahawa di dalam beberapa bahagian mereka organel selular tertutup. Ini bermakna bahawa bukan sahaja molekul besar, tetapi juga sebahagian sel sendiri dipecah menjadi lisosom. Proses mencerna struktur selular sendiri disebut autophagy – iaitu "makan sendiri". Bagaimana bahagian organel selular masuk ke dalam lisosom yang mengandungi hidrolase? Seawal 1980-an, Yoshinori Osumi mula mengkaji isu ini dan mengkaji struktur dan fungsi lysosomes dan autophagosomes dalam sel mamalia. Beliau dan rakan-rakannya menunjukkan bahawa autophagosomes muncul dalam jisim di dalam sel jika mereka ditanam pada medium pemakanan yang rendah. Dalam hal ini, hipotesis bahawa autofagosom terbentuk apabila sumber kuasa sandaran diperlukan – protein dan lemak yang membentuk organel tambahan.Bagaimanakah autophagosomes ini dibentuk, apakah ia diperlukan sebagai sumber pemakanan tambahan atau untuk tujuan selular lain, bagaimana cara berlizosir mencarinya? Semua soalan ini pada awal tahun 90an tidak mempunyai jawapan.

Mengambil penyelidikan secara bebas, Osumi menumpukan usahanya terhadap penyelidikan yis autofagosom. Dia berpendapat bahawa autophagy harus menjadi mekanisme selular konservatif, oleh itu, lebih mudah untuk mengkajinya pada objek makmal mudah (relatif) dan mudah.

Dalam yis, autophagosomes terletak di dalam vakum, dan kemudian mereka berpecah di sana. Penggunaannya dikendalikan oleh pelbagai enzim-proteinase. Jika proteinase rosak dalam sel, autophagosomes terkumpul di dalam vakum dan tidak dibubarkan. Osumi menggunakan harta ini untuk mendapatkan budaya ragi dengan peningkatan bilangan autophagos. Beliau menanam ragi pada media miskin – dalam kes ini, autophagosomes muncul dengan banyak, menyampaikan makanan ke sel kelaparan. Tetapi dalam sel-sel mutan budayanya dengan proteinase tidak berfungsi telah digunakan. Jadi, sebagai akibatnya, sel-sel dengan cepat mengumpul jisim autofagosom dalam vakuola.

Autophagosomes (AV) di dalam vakuola (V). Panjang skala 1 mikron. Gambar dari artikel oleh K. Takeshige et al., 1992.

Autophagosomes, seperti berikut dari pemerhatiannya, dikelilingi oleh membran tunggal lapisan, di dalamnya terdapat pelbagai jenis kandungan: ribosom, mitokondria, granul lipid dan glikogen. Dengan menambah atau membuang penghambat protease ke dalam budaya sel bukan mutan, adalah mungkin untuk meningkatkan atau mengurangkan bilangan autophagosomes. Oleh itu, dalam eksperimen ini, ia menunjukkan bahawa badan-badan sel ini dicerna dengan bantuan enzim proteinase.

Sangat cepat, hanya setahun, dengan menggunakan kaedah mutasi rawak, Osumi mengenal pasti 13-15 gen (APG1-15) dan produk protein yang berkaitan dengan pembentukan autophagos (M. Tsukada, Y. Ohsumi, 1993. Pengasingan dan pencirian kecacatan autophagy mutan dari Saccharomyces cerevisiae). Di antara koloni sel yang mempunyai aktiviti proteinase yang rosak, di bawah mikroskop, dia memilih mereka yang tidak mempunyai autofagosom. Kemudian, memupuk mereka secara berasingan, saya dapati gen yang mereka telah rosak. Ia mengambil kumpulannya lima tahun lagi untuk menguraikan, sebagai perkiraan pertama, mekanisme molekul kerja gen ini.

Kompleks protein APG12 dan APG5, pada peringkat pertengahan pembentukan yang APG12-APG7 kompleks muncul. Seluruh proses datang dengan kos tenaga ATP (ditunjukkan sebagai ATP dalam skema ini).Osumi dan rakan-rakannya dapat mengetahui bagaimana lata ini dianjurkan, dalam urutan dan bagaimana protein-protein ini berkomunikasi dengan satu sama lain. Sebagai hasil daripada kerja konglomerat protein ini, lapisan lipid mengembang, yang membentuk membran autofagosom. Skim dari artikel N. Mizushima et al., 1998. Sistem konjugasi protein penting untuk autophagy

Ia adalah mungkin untuk mengetahui bagaimana lata ini disusun, dalam urutan dan bagaimana protein-protein ini mengikat satu sama lain, supaya hasilnya adalah autofagosom. Menjelang tahun 2000, gambaran pembentukan membran di sekitar organel yang rosak untuk dikitar semula menjadi jelas. Membran lipid tunggal mula merentangi organ-organ ini, secara beransur-ansur mengelilinginya, sehingga hujung membran menjadi rapat antara satu sama lain dan bergabung, membentuk membran ganda autophagosomes. Botol ini kemudian diangkut ke lysosome dan bersatu dengannya.

Skim penolakan organel yang rosak. Apabila isyarat luaran tiba, embrio lapisan membran terbentuk di sebelah organelle, protein kompleks APG dilampirkan padanya (lingkaran kuning dan merah), yang dengan cara tertentu saling mengikat dengan menyesuaikan membran membran di sekitar organelle. Akibatnya, hujung membran bersatu dan bergabung, membentuk membran dua lapisan autofagosom. Skim daripada siaran akhbar Jawatankuasa Nobel

Dalam proses pembentukan membran, protein APG terlibat, yang analognya Yoshinori Osumi dan rakan-rakannya juga ditemui dalam mamalia.

Pembentukan autophagosomes dalam sel hati tikus. Penyetempatan protein LC3, analog APG8, dikaji dalam autophagosomes. Protein ini dilokalkan di luar (anak panah hitam) dan dalaman (anak panah putiha) membran autofagosom, seperti protein APG. Gambar dari artikel Y. Kabeya et al., 2000. LC3, seorang homolog mamalia yis Apg8p, dilokalisasikan dalam membran autofagosom selepas pemprosesan

Terima kasih kepada kerja Osumi, kita melihat keseluruhan proses autophagy dalam dinamik. Titik permulaan penyelidikan Osumi adalah fakta mudah kehadiran badan kecil yang misterius di dalam sel. Sekarang penyelidik mempunyai peluang, walaupun hipotesis, untuk menguruskan keseluruhan proses autophagy.

Autophagy diperlukan untuk berfungsi dengan normal sel, kerana sel mesti mampu mengemas kini ekonomi biokimia dan seni bina, tetapi juga untuk membuang yang tidak perlu. Terdapat beribu-ribu ribosom usang dan mitokondria, protein membran, membelanjakan kompleks molekul dalam sel – semuanya perlu diproses secara ekonomi dan diletakkan semula. Ini adalah jenis kitar semula selular. Proses ini bukan sahaja memberikan penjimatan yang diketahui, tetapi juga menghalang sel-sel daripada penuaan yang cepat.Gangguan autophagy selular pada manusia membawa kepada perkembangan penyakit Parkinson, diabetes jenis II, kanser dan beberapa ciri gangguan pada usia yang lebih tua. Menguruskan proses autophagy selular, jelas, mempunyai prospek yang hebat, baik dalam asas dan dalam istilah penggunaan.

Sumber:
1) Kazuhiko Takeshige, Misuzu Baba, Shigeru Tsuboi, Takeshi Noda, dan Yoshinori Ohsumi. Autophagy dalam Yeast Menunjukkan kekurangan Proteinase Jurnal Biologi Sel. 1992. V. 119 (2). P. 301-311. DOI: 10.1083 / jcb.119.2.301.
2) Miki Tsukada, Yoshinori Ohsumi. Pengasingan dan pencirian mutan autofagia yang cacat Saccharomyces cerevisiae // Surat FEBS. 1993. V. 333. P. 169-174. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (93) 80398-E.
3) Noboru Mizushima, Takeshi Noda, Tamotsu Yoshimori, Yae Tanaka, Tomoko Ishii, Michael D. George, Daniel J. Klionsky, Mariko Ohsumi dan Yoshinori Ohsumi. Sistem konjugasi protein penting untuk autophagy // Alam. 1998. V. 395. P. 395-398. DOI: 10.1038 / 26506.
4) Yukiko Kabeya, Noboru Mizushima, Takashi Ueno, Akitsugu Yamamoto, Takayoshi Kirisako, Takeshi Noda, Eiki Kominami, Yoshinori Ohsumi, dan Tamotsu Yoshimori. LC3, sejenis homogen khayalan Apg8p, diselaraskan dalam membran autofagosom selepas pemprosesan // Jurnal EMBO. 2000. V. 19 (21). P. 5720-5728. DOI: 10.1093 / emboj / 19.21.5720.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: