Jak buňky nakládají se svými „dosluhujícími součástkami“ nebo viry a bakteriemi, které je napadnou? To je otázka, na níž se rozhodl hledat odpovědi japonský vědec Jošinori Ósumi. Zjištění, k nimž dospěl na počátku 90. let díky experimentům na pekařských kvasnicích, otevřela cestu k širokému výzkumu, který dnes na tomto poli probíhá. Právě tyto procesy totiž stojí za širokým spektrem nemocí, včetně diabetu II. typu či Parkinsonovy choroby. Ósumi včera za své objevy dostal Nobelovu cenu – a stal se tak v posledních padesáti letech teprve sedmým nositelem v kategorii lékařství a fyziologie, který získal ocenění sám.
Centrem Ósumiho výzkumů se stala buněčná autofágie neboli v přesném překladu sebepojídání (z řeckého fagein – jíst a auto – sebe). Jde o proces, jakým buňka likviduje cizí, dosluhující či vadné struktury a mění je na základní stavební kameny, díky čemuž si zajišťuje další obnovu. Ačkoliv je tento mechanismus znám dnes zhruba padesát let, až Jošinori Ósumi zjistil, co přesně se při procesu děje a které geny za ním stojí.
Již v 60. letech minulého století vědci zjistili, že na rozkladu buněčných struktur se podílejí takzvané autofagozomy a lysozomy. Autofagozom je membrána, která obalí bílkoviny či organely (tj. útvary uvnitř buněk) určené k rozložení. Následně se i se svým „odpadním nákladem“ spojí s lysozomem, jenž zařídí samotné strávení. Výzkum spojený s lysozomy byl přitom ověnčen Nobelovou cenou za lékařství a fyziologii už dříve – v roce 1974 získal za objev tohoto buněčného útvaru ocenění Christian de Duve. Připomeňme, že za popis procesu rozkládajícího v buňce bílkoviny dostali v roce 2004 Nobelovku, tentokrát v oboru chemie, také Aaron Ciechanover, Avram Hershko a Irwin Rose. Ubikvitin-proteazomový systém, který popsali v 70. a 80. letech, je druhým mechanismem, jakým buňky rozkládají části určené k recyklaci. Tento proces ovšem nedokázal vysvětlit, jak se buňky zbavují organel či větších bílkovinných komplexů. Zůstávala tak otázka, nakolik je za tento úkol zodpovědná autofágie a případně jakým mechanismem. A právě v tuto chvíli přichází na scénu Jošinori Ósumi.
Od neúspěšného vědce k nobelistovi
Ósumi se narodil v roce 1945. Původně se zabýval chemií, nakonec ale pole opustil a rozhodl se věnovat molekulární biologii. Doktorát získal v roce 1974 na Tokijské univerzitě, jeho práce ovšem nebyla nijak oslnivá a Ósumimu se nedařilo najít práci. Nakonec získal postdoktorandské místo na Rockefellerově univerzitě v New Yorku, kde se zabýval in vitro fertilizací na myších. Ani to pro něj ale nebylo to pravé ořechové, a tak se rozhodl studovat duplikaci DNA droždí – a nakonec se na Tokijské univerzitě začal věnovat procesům, které v kvasnicích stojí za rozkladem bílkovin a organel. Tedy tématu, o které se tehdy nikdo jiný příliš nezajímal.
Proč zrovna droždí? Kvasinky jsou jednobuněčné houbové mikroorganizmy, které jde poměrně snadno studovat, takže jsou často užívány jako model buněk lidských. Obzvláště se pak hodí k identifikaci genů podstatných pro komplexní buněčné pochody. Jenže na to, aby Ósumi odhalil princip degradace částí buněk a bílkovin v droždí, se musel vypořádat s nesnadným problémem. Buňky jsou totiž velmi malé a jejich vnitřní struktury jde pod mikroskopem rozeznat obtížně. Nebylo tak vůbec jisté, zda v nich vůbec autofágie probíhá.
Ósumi se s problémem rozhodl naložit tak, že zkusí narušit rozkladný proces ve vakuolách, což je u droždí obdoba lysozomů nacházejících se v lidských buňkách. Pokud bude zároveň probíhat proces autofágie, mělo by dojít k tomu, že se budou nestrávené proteiny a organely hromadit ve vakuole natolik, až je půjde vidět pod mikroskopem. Ósumi proto vytvořil zmutované droždí, v jehož buněčných vakuolách chyběl enzym zodpovědný za rozklad. Zároveň stimuloval autofágii tak, že nechal buňky vyhladovět, takže se začaly požírat zevnitř. Byla to trefa do černého – během pár hodin se vakuoly naplnily váčky s „odpadem“ určeným ke zpracování. Nejen že se tak potvrdilo, že u kvasnic autofágie probíhá, ale díky mutacím droždí měl Ósumi i cestu k tomu, jak identifikovat geny, které za celým procesem stojí.
Dalším krokem bylo, že Ósumi nechával na buňky působit látky nahodile způsobující mutace v genech. U těchto buněk pak vyvolával autofágii – a během roku po úspěšném objevu odhalil první geny stojící za procesem. Prostudováním tisíců mutací nakonec odhalil 15 klíčových genů, díky nimž celý mechanizmus funguje. Bílkoviny a bílkovinné komplexy, které tyto geny kódují, pak Ósumi funkčně popsal a díky tomu rozšifroval, co stojí za jednotlivými fázemi celého procesu i za jeho spuštěním.
Pomůže objev zbrzdit stárnutí?
Zůstávala samozřejmě otázka, nakolik jsou pochody v droždí obdobné těm v lidských buňkách – následně se ovšem ukázalo, že skutečně korespondují. Díky Ósumimu tak výzkumníci získali nástroj, jak zkoumat autofágii a její roli v lidském organizmu.
Dnes tak víme, že tento proces umí rychle poskytnout zdroj energie i stavební kameny pro obnovu jednotlivých částí buňky a je tedy zásadní při reakci buňky na hlad či jiné druhy stresu. Autofágie hraje roli ve vývoji embrya a diferenciaci buněk, právě ona také dokáže při infekci likvidovat bakterie a viry. Navíc je tím, kdo hlídá kvalitu jednotlivých částí buňky, což působí proti negativním dopadům stárnutí. Naopak mutace v genech souvisejících s autofágií mohou způsobovat závažná dědičná onemocnění a narušení mechanismu je spojováno s neurodegenerativními onemocněními, jako je Parkinson či Alzheimer, s cukrovkou II. typu či rakovinou. A díky těmto poznatkům mohou další vědci pracovat na vývoji léků, které se zaměřují na autofágii u jednotlivých chorob.
Mohlo by vás zajímat
„Když jsem začal se svou prací, objevovalo se ročně k autofágii 20 či méně článků. Nyní je to více než 5000,“ řekl včera pro Nobelprize.org Ósumi. „Stále ale máme tolik otázek. Máme jich dokonce nyní víc, než když jsem začal,“ dodal profesor, kterého kromě samotného udělení ceny zaskočilo také to, že ji získal sám.
Nobelova cena je udělována od roku 1901, od té doby ji dostalo 199 mužů a 12 žen. Letos Karolinský institut vybíral z 273 kandidátů.
Michaela Koubová
