röportaj: protein katlama ve nörodejeneratif hastalıklar Çalışmaları

Interview: Protein Folding and Studies of Neurodegenerative Diseases

Bu röportajda, Dr. Lindquist protein katlanması, prion hastalıkları ve nörodejeneratif hastalıklar arasındaki ilişkileri açıklar. Protein katlanması modern biyolojinin temel sorun. Geleneksel biyokimyasal işlevlerine ek olarak, proteinlerin biyolojik bilgi transferi arabuluculuk ve bu nedenle bir genetik materyal olarak kabul edilebilir. Bu yeni keşfedilen proteinlerin fonksiyonu insan bozuklukları çalışmaları için önemli etkileri vardır. Dr Lindquist da model organizmaların genetik çalışmalar dayalı nörodejeneratif hastalıkların mekanizmasını araştırmak için, mevcut deneysel yaklaşımlar açıklanmaktadır.

Röportaj: Protein Katlama ve Nörodejeneratif Hastalıklar Çalışmaları

Bu röportajda Dr. Lindquist, protein katlanması, prion hastalıkları ve nörodejeneratif bozukluklar arasındaki ilişkileri açıklamaktadır. ... problemi...

Lütfen kendinizi bize tanıtır mısınız? Whitehead Biyomedikal Araştırmalar Enstitüsü'nün bir üyesiyim. Aynı zamanda MIT'de profesörüm ve Howard Hughes Tıbbi Araştırmalar Enstitüsü'nün bir üyesiyim.Bugün sizlere protein katlanması dünyasındaki çok ilginç yeni gelişmelerden bahsedeceğim. Protein katlanması problemi nedir? Protein katlanması oldukça ezoterik bir konu gibi görünebilir, ancak aslında biyolojinin merkezinde yer alan bir konudur.Temel sorun şudur: bizi kodlayan, gezegendeki her bir organizmayı kodlayan doğrusal bilgi DNA'dır ve bu, tek başına çok da ilginç bir işe yaramayan uzun bir kod dizisidir. DNA'nın yaptığı şey proteinleri kodlamaktır ve temelde bizler proteinlerden oluşuruz; yaptığımız tüm ilginç şeyler temel olarak ya doğrudan proteinler ya da proteinlerin etkisi sayesindedir. Ancak zorluk şuradadır; proteinler oldukça karmaşık yapılardır ve genetik bilgiden, yani DNA'dan ilk kez çözüldüklerinde, başlangıçta doğrusal amino asit dizileri, yani polipeptitler olarak ortaya çıkarlar ve bu haliyle hiçbir işlevleri yoktur.İşlev görebilmesi için çok, çok karmaşık bir şekilde veya bir oyun gibi katlanarak çok, çok spesifik bir yapı oluşturması gerekir. Hücrenin bu inanılmaz derecede kalabalık ortamında bunu başarmak aslında oldukça zordur. Bu nedenle, örneğin, protein katlanmasındaki sorunlardan kaynaklanan çok sayıda insan hastalığı mevcuttur.Çalışmalarım, proteinlerin nasıl katlandığını, neden yanlış katlandığını ve nelerin yanlış gittiğinin temelini anlamaya yönelik test tüplerinde gerçekleştirilen çok temel biyolojik ve biyokimyasal deneylerden; nihayetinde hastalık terapilerinde bir fark yaratma amacıyla, insan hastalıklarıyla ilişkili çok daha karmaşık sistemler üzerinde çalışmaya doğru evrildi. Protein katlanma sorunlarının neden olduğu hastalıklar nelerdir? Protein katlanma zorluklarının yol açtığı sorunların kapsamı gerçekten çok geniştir. Buna kistik fibrozisten Alzheimer hastalığına ve amfizeme kadar her şey dahildir.Yetişkin yaşta başlayan diyabetin, protein katlanmasındaki sorunlardan kaynaklandığı giderek daha fazla kabul görmektedir. Birçok kanser türü, proteinlerin mutasyon biriktirmesi nedeniyle protein katlanması sorunlarından kaynaklanır. Eğer söz konusu protein doğru şekilde katlanabilseydi, düzgün çalışabilir ve hücrelere uygunsuz bir şekilde sürekli büyüme komutu vermezdi; ancak mutasyon, proteinin doğru katlanmasını ve böylece aktivitesinin inhibe edilmesini veya düzenlenmesini engellemektedir.Protein katlanması, organizmaların evrimleşme biçiminde de büyük bir rol oynar; bu da ilaç direnci ve benzeri durumların evriminde etkili olduğu anlamına gelir. Bu nedenle araştırmalarımız, genetik ve biyokimyayı kapsayan oldukça geniş bir yelpazeye yayılmaktadır ve çok sayıda organizmayı kapsamaktadır.Maya ile çalışıyoruz, meyve sinekleri ile çalışıyoruz, farelerle çalıştık, kültür ortamındaki doku kültürü hücreleri ile çalışıyoruz ve belirli biyolojik problemler için çok iyi bir model olan küçük bir hardal bitkisi olan rabbit opsis ile çalıştık. Prion hastalıklarının mekanizmaları nelerdir?Prionlar, çok spesifik bir protein katlanma problemi türüdür. Başlangıçta, protein katlanmasının çok tuhaf ve alışılmadık bir yönü olduğu düşünülüyordu. Şimdilerde ise bunun çok daha kapsamlı olabileceğini anlamaya başlıyoruz.Prionlar, en azından kamuoyundaki algıyla, "deli dana hastalığı" olarak adlandırılan veya insanlarda çeşitli isimlerle anılan bir hastalığa neden olmalarıyla tanınırlar; bu durum bir proteinin yanlış katlanmasından kaynaklanır. Bu proteinin çok sıra dışı bir özelliği vardır: yanlış katlandığında, aynı tipteki diğer proteinlerin de aynı şekilde yanlış katlanmasına neden olur. Böylece, proteinleri birbiri ardına değiştiren bu konformasyonel zincirleme reaksiyon meydana gelir.Tam olarak nasıl olduğunu hâlâ anlamış değiliz ancak bir şekilde bu proteinle ilgili süreçte, proteinin katlanmasını yeterince verimli bir şekilde gerçekleştirememesinin etkili olduğunu düşünüyorum. Protein, toksik olan bu ara durumlarda kalıyor. Sonuçta ise hastalık ortaya çıkıyor.Ve bu durumun tuhaf yanı, proteinin aynı türden başka bir proteine farklı bir katlanma biçimini aktarma yönündeki bu kendi kendini sürdürme yeteneği nedeniyle bulaşıcı olmasıdır. Dolayısıyla, bir prionun, yani bir proteinin bulaşıcı bir hastalığa neden olabileceği fikri o zamanlar çok tuhaftı. Stan Prusiner ve sürece dahil olan pek çok başka kişi, herkesin saçmalık olduğunu düşündüğü bir hipotezi ele alıp bunu gerçek kılan çalışmaları ortaya çıkararak harika işler başardılar.Bir protein nasıl bulaşıcı olabilir? Aslında bunun oldukça basit olduğu ortaya çıktı. Bu, kendi proteinlerimizden biridir.Bu, sinir hücrelerimizde bulunan bir proteindir. Her zaman oradadır ancak normalde yanlış katlanmaz. Olup biten şudur; eğer bu proteinin bir kısmı yanlış katlanırsa -ki bu nadiren de olsa tamamen tesadüfen gerçekleşebilir, neyse ki bu oldukça nadirdir- veya enfekte olmuş et yediğimizde ya da proteinde, bu şekilden şu şekle dönüşme olasılığını artıran bir mutasyonumuz olduğunda bu durum meydana gelir.Ancak bu protein ortaya çıkıp şekli değiştirdiğinde, hücredeki diğer proteinleri giderek daha fazla değiştirmeye başlar ve bu durum toksik türlerin oluşturduğu bu toksik kaskada yol açar. Ayrıca, sonuç olarak kendi kopyalarını daha fazla üretme yeteneği kazanır; çünkü başlangıçta bu katlanma yapısındaki proteinden yalnızca çok küçük bir miktar bulunur.Bunun çoğu bu kıvrımda bulunur, kısa süre sonra beynin tamamına yayılır ve tüm proteinlerin katlanmasını değiştirir. Böylece, giderek daha fazla enfeksiyöz materyal oluşur. Dolayısıyla, bir nöron çeşitli farklı kaynaklardan gelen bu enfeksiyöz materyalle temas ettiğinde, hastalık gelişebilir.Proteinin nasıl genetik materyal olarak hareket edebileceğini açıklar mısınız? Protein katlanmasındaki bu kendi kendini sürdüren değişime sahip olmak oldukça büyüleyici bir olgu haline geliyor; çünkü tahmin edebileceğiniz üzere, protein bu iki farklı durumda farklı işlevlere sahip olacaktır.Dolayısıyla, bir hücrede protein bu durumdaysa, belirli bir şekilde davranacaktır. Bir dizi özelliğe sahip olacaktır. Bu durumdaki tüm proteinler veya proteinlerin çoğu ise farklı bir dizi özelliğe sahip olacaktır.Ve bunun genetik bir materyale dönüştüğü ortaya çıkıyor. Proteindeki bu fonksiyon değişikliği nedeniyle, protein aslında hücrelerde kalıtsal yeni bir özelliğin ortaya çıkmasına yol açabiliyor. Ve bu durum kalıtsaldır; çünkü ana hücre tomurcuklanıp bir yavru hücre oluşturmaya başladığında, bu proteinin bir kısmını yavru hücreye aktarır.Böylece, yavru hücre kendi proteinlerini üretmeye başladığında, proteinler bu şekle girmek yerine şu şekle girecektir. Ve bu durum nesiller boyu devam edecektir. Böylece aslında değiştirilmiş bir özelliğin, değiştirilmiş bir fenotipin kalıtımı için bir mekanizmanız olur.Bu durum, katlanma biçimini değiştiren bir proteinin kalıtımından kaynaklanmaktadır. Hücredeki nükleik asitte ise hiçbir değişiklik yoktur. Bu nedenle, prion hastalıklarının çok farklı bir hastalık türü olması gibi, bunlar da oldukça farklıdır.Genetik elementler açısından bakıldığında PreOn, çok farklı türde bir genetik elementtir. Nörodejeneratif hastalıkları araştırmak için model organizma olarak neden mayayı seçtiniz? Beyinle ilgili olan bu zorlu protein katlanma problemlerini incelemek için maya hücrelerini kullanmaya başladığımızda, insandaki çeşitli nörodejeneratif hastalıklarda yanlış katlandığı bilinen bazı proteinleri maya hücrelerine aktarmanın ve bu yanlış katlanmanın maya hücresi için de sorun teşkil edip etmeyeceğini görmenin makul bir fikir olabileceğini fark ettik.Şunu belirtmeliyim ki, bunu yapmaya ilk karar verdiğimizde birçok kişi deli olduğumuzu düşündü, ancak bunun oldukça iyi çalıştığı ortaya çıkıyor. Buradaki temel amaç, maya hücrelerini çok kolay ve ucuz bir şekilde yetiştirebilmenizdir. Dahası, insanların daha iyi ve daha güvenilir bira türleri üretmekle ilgilendiği yüz yıl öncesinden beri genetikçiler maya üzerinde çalışmaktadır ve bu yüz yılı aşkın süre boyunca birbirini izleyen pek çok ilerleme kaydetmişlerdir.Böylece, genetik manipülasyonlar söz konusu olduğunda, maya üzerinde diğer tüm organizmalardan daha hızlı işlem yapabiliyoruz. Bu gerçekten şaşırtıcı. Üstelik avantajı şu ki, hücrelerimiz, ister inanın ister inanmayın, büyük ölçüde bize benziyor.Bakterilerin aksine, hücrelerinde membranla çevrili bölmeler bulunur. Membranla çevrili bir çekirdeğe ve hücre içinde membranla çevrili veziküllere sahiptirler. Ayrıca bir endoplazmik retikulumları vardır.Maddeleri endoplazmik retikulumdan hücre dışına salgılanmaya kadar, bir dizi membranla çevrili kompartıman aracılığıyla taşırlar. Ve bunun çalışma biçimlerinin tümü, düzenlenme yolları, maya hücrelerinde gerçekten bizimkilerle aynı şekilde gerçekleşir. Dolayısıyla, bir maya hücresindeki hücre biyolojisinin temel dayanakları ile bizim hücre biyolojimizin dayanakları arasında, genetik homoloji dediğimiz pek çok benzerlik vardır.Şimdi elbette, nörodejeneratif hastalıkların biyolojisinde hiçbir zaman değinemeyeceğimiz yönlerin olacağının farkındayız. Buradaki fikir, protein katlanma bozukluklarından kaynaklanan bu hastalıkların bazılarının aslında oldukça eski bir problem olduğuydu. Nitekim, maya hücrelerinin protein katlanmasındaki sorunlarla başa çıkma yollarının, yıllardır bildiğimiz üzere, gelişmiş organizmaların yöntemlerine oldukça benzer olduğunu görmekteyiz.Bu nedenle, nörobiyologlar tarafından incelenen ve yanlış katlandıklarının veya işlev bozukluklarının hastalıklarla ilişkili olduğunun bilindiği bu proteinlerin bazılarını mayaya aktararak, neden toksik oldukları hakkında çok daha hızlı bilgi edinebileceğimizi düşündük.Neden, neden aniden toksisiteye yol açıyorlar? Eğer protein sinire özgü bir işlev görüyorsa ve toksisiteye neden olmak için diğer sinire özgü proteinlerle etkileşime giriyorsa, bunu asla inceleyemeyiz. Ancak proteinin hücre biyolojisinde gerçekten temel ve basit bir şeyler yaptığı durumlarda, bunu mayada inceleyebilmeliyiz ve ardından maya hücrelerinde öğrendiğimiz her neyse, oradan hızla geçiş yapmalıyız.Buradaki temel fikir, mümkün olduğunca hızlı bir şekilde sinir hücrelerine geçmek ve gerçekten zamanınızı boşa harcayıp harcamadığınızı veya aslında faydalı bir bilgi edinip edinmediğinizi görmektir. Yüksek kapasiteli taramayı mayada nasıl uygularsınız? Son zamanlarda yaptığımız çalışmalar, örneğin, maya hücreleri için geliştirilmiş olan ve nöronlarda uygulamaya kıyasla mayada gerçekleştirmesi çok daha kolay olan yüksek kapasiteli tarama mekanizmalarından yararlanmaktı.Böylece maya genomundaki her bir açık okuma çerçevesini ele alarak, her bir genin hücreleri daha kötü mü yoksa daha iyi mi etkilediğini test edebildik. Bu sayede, alphas nib ve date toksisitesinin genetik modifikasyonları için genom çapında bir tarama gerçekleştirebiliyoruz. Ardından, mayadan elde ettiğimiz bu genleri alıp insanlardaki homolog genleri araştırıyoruz.İnsan genini alıyoruz ve ardından nöronların, hatta Parkinson hastalığında karakteristik olarak hastalandığı spesifik nöron tipinin bulunduğu diğer model sistemlere geçiyoruz. Parkinson hastalarında bu nöronlar hastalanır ve ölür; bunlar dopaminerjik nöronlar olarak adlandırılan nöron tipidir. Bu nöronlar, dopamin adı verilen özel bir nörotransmitter iletirler.Uzun süredir, bu özel hastalığı incelemek için araştırmaların mutlaka dopaminerjik nöronlarda yapılması gerektiği düşünülüyordu. Çalışmalara maya üzerinde başlanamayacağı varsayılıyordu. Biz ise, hücre biyolojisinin genel bir yönünde bir aksama olduğunu ve dopaminerjik nöronların buna karşı sadece daha hassas olduğunu düşünüyoruz.Ve bu gerçekten çok genel, temel bir hücre biyolojisi süreci. Bu nedenle, maya hücrelerinden elde ettiğimiz genleri alıyoruz ve şimdi nöronal sistemleri incelemek ve araştırmak için bazı harika ortaklarla iş birliği yapıyoruz. Model organizmalardaki genetik çalışmalar ve iş birlikleriniz hakkında bize biraz daha bilgi verebilir misiniz?Caldwell Laboratuvarı ile iş birliği yaptık. Parkinson hastalığına dair küçük bir modelleri ve küçük bir nematodu, yani küçük bir solucanları var. Bu solucanda, dopaminerjik nöronlarda aynı proteini eksprese ediyorlar.Nematodun sekiz dopaminerjik nöronu vardır ve bir çekirdekten ifade edilmediği sürece her zaman sekiz dopaminerjik nörona sahiptir. Ancak hayvanların çoğunda normal sayı oluşmaz ve normal sayıda nöron bulunmaz. Aslında sekiz nöronluk normal bir sayıyla başlarlar, fakat yaşla ilişkili bir şekilde bu nöronlar ölecektir.Ve mayada toksisiteyi güçlü bir şekilde baskıladığını bulduğumuz ilk genin, bu küçük nematodda alfa Snu toksisitesini de baskıladığını gördük. Ardından, meyve sineği modeli olan ve biraz daha karmaşık, incelenmesi biraz daha zor olan bir sinir sistemine sahip olan Nancy Bonini ile çalışmaya başladık ve orada da bu genin mayal hücrelerini kurtardığı gibi meyve sineğindeki dopaminerjik nöronları da kurtardığını bulduk.Ve son olarak, sıçanların orta beyin bölgesinden primer nöronların alınmasını içeren, dopaminerjik nöronlara karşı seçici toksisite modeli olan Indiana'daki Chris Che ile çalıştık. Bunlar, dopaminerjik nöronlar ve diğer nöronların bir karışımıdır. Kendisi embriyonik sıçanlar kullanmaktadır.Ve bunları plaklara eklediğinde, kültür kabında yaklaşık %6 ila 7 oranında dopaminerjik nöron bulunur. Ardından, alfa-sinüklein ifade eden ve özellikle insanlarda erken başlangıçlı Parkinson hastalığına yol açtığı bilinen bir mutasyona sahip bir virüs kullanır. Bu mutasyon olduğunda, protein işlev bozukluğuna ve yanlış katlanmaya eğilimlidir.Ardından, bulduğu şey şudur; kültür kabındaki tüm hücreleri bu virüsle enfekte ettiğinde, dopaminerjik nöronlar buna karşı özellikle hassastır. Daha sonra, maya hücrelerinde ilk belirlediğimiz bu geni, mutant alfa nükleus ile aynı anda ifade ettiğimizde, toksisiteyi bastırdığını gösterebildik. Bu, elde ettiğimiz ilk ana sonuçtu.Maya hücrelerinde yaptığımız şeyler, bir nöronda gerçekten anlamlı bir karşılığa dönüşebilir. Yüksek kapasiteli kimyasal taramalar gerçekleştirdiniz mi? Sanırım yüksek kapasiteli bir kimyasal tarama yapmadık.Ayrıca çeşitli büyük araştırma enstitüsü depolarında erişilebilir durumdaki potansiyel ilaç benzeri bileşik kütüphaneleri bulunmaktadır. Harvard'ın bir kütüphanesi vardır, hemen yan tarafta bulunan Broad Enstitüsü'nün de vardır; yüz binlerce farklı tipte bileşiğiniz olur ve basit robotik sistemler kullanarak bu bileşiklerin her birinden çok küçük miktarlarda temin etmek ve bunları kendi deney düzeneklerinizde, içinde çok sayıda küçük kuyucuk bulunan bu plaklarda test etmek mümkündür.Böylece maya hücrelerimizi alıp bu kaplara yerleştirebilir ve ardından bu bileşiklerin her birini tek tek test edebiliriz. Birkaç ay gibi kısa bir sürede yüz binin üzerinde bileşiği tarayabildik. Üstelik bunu henüz yolun başında olduğumuz dönemde başardık.Ardından elbette yeniden test etmek için çok fazla zaman harcamamız gerekti, ancak sonunda oldukça etkili yaklaşık yedi bileşik belirledik. Çalışmalarımızın çoğunu, birbirleriyle oldukça yakından ilişkili olan bu bileşiklerin üçü ile gerçekleştirdik. Burada hedeflediğimiz şey, hücrelerin yeniden hayata dönmesiydi.Dolayısıyla, nörodegeneratif hastalıkla ilişkili olan bu geni aktif hale getirdiğinizde hücre ölür. Biz, hücrelerin yeniden canlanmasını istiyoruz. Örneğin, alfa sinukleinin katlanmasına bakmak yerine bu özel testi kullanmamızın nedeni, bunun çok karmaşık bir hastalık olmasıdır.Maya hücrelerinde bile genetik veriler, bunun oldukça karmaşık bir süreç olduğunu göstermektedir. Sadece tek bir şey değil, pek çok farklı unsur yanlış gitmektedir. Bu nedenle, bir ilaç için doğru hedefi belirlemek adına hangi proteinden başlanacağını kestirmek gerçekten zordur.Böylece, hangi bileşiklerin hücrelerin durumunu iyileştireceğini hücrelerin kendisinin bize söylemesine karar verdik. Bu durum, söz konusu bileşiğin hücreye girebilmesi ve aynı zamanda toksik olmaması gerektiği anlamına geliyordu; çünkü en azından maya hücresinde herhangi bir genel toksisite göstermemesi gerekiyordu. Şimdi bu bileşikleri aldık ve size az önce bahsettiğim nematod ve kültürdeki sıçan primer nöronları ile ilgili aynı modellere yeniden uyguladık.Bileşiklerimizin nematodu ve sıçan primer nöronlarını kurtarabildiğini gösterebildik. Bu durum, mayada gözlemlediğimiz sürecin, nöronlarda meydana gelen toksisitenin en azından bir kısmını oldukça iyi taklit ettiğini bize göstermektedir. Ofis nükleusunun protein trafiğinde nasıl bir rol oynadığını öğrenmeye ve anlamaya başladık; bu konuda bazı ipuçları olsa da, bunu daha önce bilinenlerden çok daha net bir şekilde ortaya koyduğumuzu düşünüyorum.Birçok başka gen ortaya çıkardık, dolayısıyla komplekslik hakkında bir şeyler biliyoruz ve bu toksisite durumlarını düzeltebilecek bileşiklerin mevcut olabileceği ihtimalini düşünmek beni çok yüreklendiriyor. Maalesef bir ilaca ulaşmadan önce yapılması gereken çok fazla çalışma var, ancak bu yöntem en azından faydalı olabilecek bazı bileşiklerin belirlenmesine giden daha hızlı bir yol olabilir. Özetle, bize neler söylemek istersiniz?Bunlar, laboratuvarımda üzerinde çalıştığımız protein katlanma problemlerinden bazılarıdır. Aslında birçok farklı protein katlanma problemini inceliyoruz. Protein katlanma dünyasına, henüz oldukça dar bir konu gibi göründüğü erken dönemlerde giriş yaptık; ancak bu konunun genel hücre biyolojisi için o kadar merkezi olduğu ortaya çıktı ki, kanser biyolojisindeki protein katlanması ve stres yanıtlarının rolü, organizmaların evrimleşme biçimi, ilaç direnci ve insanlık için önemli olan biyolojinin diğer pek çok yönü gibi konuları çalışır hale geldik.Bu nedenle, basit sistemler kullanarak, genel fikirlerimiz genellikle başlangıç için en basit noktayı bulmaya çalışmak ve ardından daha karmaşık sistemlere doğru ilerlemek olmuştur. Bir şeyi kavradığınızda, bir konuya hakim olduğunuzda.

interview-protein-folding-and-studies-of-neurodegenerative-diseases

Research

JoVE Journal

Biology

Biyoloji

MIT - Massachusetts Institute of Technology.  Bu röportajda, Dr. Lindquist protein katlanması, prion hastalıkları ve nörodejeneratif hastalıklar arasındaki ilişkileri açıklar. Protein katlanması modern biyolojinin temel sorun. Geleneksel biyokimyasal işlevlerine ek olarak, proteinlerin biyolojik bilgi transferi arabuluculuk ve bu nedenle bir genetik materyal olarak kabul edilebilir. Bu yeni keşfedilen proteinlerin fonksiyonu insan bozuklukları çalışmaları için önemli etkileri vardır. Dr Lindquist...

Röportaj: Protein Katlama ve Nörodejeneratif Hastalıklar Çalışmaları

Bu makalede

Özet

Özet

Yeniden basım ve izinler

Etiketler