BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar

Személyre szabott tumorterápiákat alapozhat meg magyar kutatók vizsgálata

2015. október 26. hétfő

A jelenlegi genomszekvenálási módszerek előtt rejtve marad a szokatlan bázisok eloszlási mintázata. Vértessy Beáta és munkatársai azt vizsgálják az MTA Természettudományi Kutatóközpontban és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen, hogyan lehetne feltárni ezeket a rejtett hibákat. Kutatásaik az idei kémiai Nobel-díj kapcsán kerülhetnek az érdeklődés középpontjába. Vértessy Beáta írása.

Mint arról az mta.hu korábban beszámolt, az idei kémiai Nobel-díjat megosztva a Londonban élő svéd Thomas Lindahlnak, az amerikai Paul Modrichnak és az amerikai–török kettős állampolgárságú Aziz Sancarnak ítélte oda a Svéd Királyi Tudományos Akadémia. Az indoklás szerint a kutatók molekuláris szinten térképezték fel, hogy miként működik a sejtekben a DNS-hibajavító mechanizmus. Munkásságuk alapvető hozzájárulás az élő sejtek működésének megértéséhez, kutatási eredményeik felhasználásával új daganatellenes gyógyszerek kifejlesztése vált lehetővé.

Miért van szükség a DNS-hibajavításra? A kérdés megválaszolása messze túlmutat azon a közismert tényen, hogy számos karcinogén anyag károsítja a DNS-t, és mutációkat idéz elő, amelyek azután tumoros elváltozásokhoz vezetnek. Ezeken a külső, DNS-mutációkat előidéző hatásokon kívül ugyanis az egészséges környezetben normális anyagcserét folytató sejtek DNS-e is állandó kémiai változásokat szenved el.

Vértessy Beáta

Valójában Thomas Lindahl, a most kitüntetett kutatók doyenje nem csupán az egyik DNS-javító mechanizmust fedezte fel, hanem korszakalkotó megfigyelése volt az is, hogy a DNS távolról sem olyan stabil makromolekula, mint korábban hitték. A DNS stabilitása kétségkívül jóval nagyobb, mint az RNS-é, ugyanakkor a DNS-ben is számos olyan reaktív csoport van jelen, amely normális életfolyamatok során kovalens kémiai módosulásokon megy át. Különösen érintettek ebben az aerob szervezetek, amelyeknél gyakori a reaktív oxigéngyökök megjelenése.

Az egyik leggyakoribb hiba
Egészséges élettani körülmények között is gyakran előfordulnak a bázisok átalakulásai, például a dezaminálás vagy a bázist a dezoxiribózhoz kötő, úgynevezett glikozidos kötés hasadása, ami a bázis elvesztését, így a genetikai kód csorbulását jelenti. Az egyik leggyakoribb ilyen spontán hiba az uracil megjelenése a DNS-ben a citozin dezaminálása révén. Ha ez nem javítódik, akkor az egy C:G pár U:A párra való cseréjét vonja maga után, mert az uracil timinanalógként nem a citozinnal párt alkotó guaninnal, hanem adeninnel fog bázispárt alkotni a következő replikáció során.

Az egyik leggyakoribb hiba

Egészséges élettani körülmények között is gyakran előfordulnak a bázisok átalakulásai, például a dezaminálás vagy a bázist a dezoxiribózhoz kötő, úgynevezett glikozidos kötés hasadása, ami a bázis elvesztését, így a genetikai kód csorbulását jelenti. Az egyik leggyakoribb ilyen spontán hiba az uracil megjelenése a DNS-ben a citozin dezaminálása révén. Ha ez nem javítódik, akkor az egy C:G pár U:A párra való cseréjét vonja maga után, mert az uracil timinanalógként nem a citozinnal párt alkotó guaninnal, hanem adeninnel fog bázispárt alkotni a következő replikáció során.

Korszakalkotónál is nagyobb felfedezés

A kémiai módosulások megváltoztatják a DNS információtartalmát, ami mutációkhoz vezet. A „DNS-tervrajz” módosulásai néha rejtve maradhatnak (csak a genotípust érintő, „csendes mutációk‟), ha nem járnak együtt aminosavcserével a fehérjekódoló génekben. Ám az is egyértelmű, hogy az aktív átírás alatt álló eukromatin jóval inkább ki van téve azon kémiai hatásoknak, amelyek mutációkhoz vezetnek, így a fenotípusban is megnyilvánuló hibák előfordulása gyakoribb.

Lindahl kísérletesen bizonyította a spontán hibák létezését, és keletkezésük gyakoriságát is meghatározta. Egy emberi sejt DNS-készletében naponta több ezer ilyen spontán módosulás megy végbe. Ezt a felfedezést nehéz megfelelő szót találni: még a „korszakalkotó" kifejezés is kevésnek tűnik. E felismerés előtt ugyanis a DNS kettős spiráljának szép, szimmetrikus képe a makromolekula stabilitásának általánosan elfogadott, jóllehet kísérletesen nem bizonyított paradigmájával társult a tudományos világban. Nagy felfedezések kapcsán gyakran megfigyelhető, hogy olyan általánosan elfogadott tézisek uralják gondolkodásunkat, amelyek sajnálatosan nélkülözik a kísérletes bizonyítást.

A DNS kettős spirálja

„Lyukfoltozó" fehérjék

A DNS-ben tárolt információ megőrzésének érdekében tehát az evolúció során szükségszerűen létrejöttek azok a DNS-hiba-felismerő és -javító mechanizmusok, amelyek őrzik a genom épségét. Több ilyen DNS-javító útvonal létezik, nagyban konzervált módon a baktériumoktól az emberig. Ezek az útvonalak specifikusak az egyes DNS-hibákra, és a most kitüntetett három kutató három ilyen útvonalat tárt fel.

A DNS-javító útvonalak általános jellemzője, hogy időben és térben pontosan szabályozott együttműködésben jönnek létre több fehérje, köztük több enzim részvételével. Minden folyamatban dedikált szerepük van a hibát felismerő, a hibát kihasító, majd a hasítás után visszamaradt „lyuk" befoltozását végző fehérjekomplexeknek. A hibafelismerő fehérjék a DNS-szál mentén mozogva folyamatosan keresik a módosulásokat, és amikor egy-egy hibára rátalálnak, akkor ott lecövekelve odavonzzák a javításért felelős apparátus többi fehérjéjét.

A hibás bázisok kivágása

Thomas Lindahl érdeme az ún. báziskivágó javító mechanizmus pontos leírása (angol betűszóval: BER – base excision repair). A BER a DNS-t alkotó bázisok (adenin, timin, guanin, citozin) változatos kémiai származékait ismeri fel. Lényegi jellemzője, hogy számtalan módosított bázisra (pl. metil-adenin, oxo-guanin, uracil stb.) kiemelten specifikus felismerő enzimmel (DNS-glikozilázzal) kezdődik a folyamat, amely lehasítja a módosított bázist a DNS-láncról.

A cigarettafüst hatásainak kijavítása

Aziz Sancar kutatásait az UV-fény által indukált DNS-hibák javítása motiválta. Ismert volt, hogy az UV-fény nagymértékben idéz elő DNS-módosulást, gyakran keresztkötéseket alakítva ki szomszédos bázisok között. Az UV-fény által okozott hibák javító mechanizmusát Sancar baktériumokban írta le először. Ezt az útvonalat nukleotidkivágó javító mechanizmusnak (angol betűszóval: NER – nucleotide excision repair) nevezzük. Sancar kísérletei és több kutatócsoport további munkája során az is nyilvánvalóvá vált, hogy ez az útvonal is evolúciósan megőrződött a többsejtű élőlényekben. Jóllehet itt a javításért felelős fehérjék más családokba tartoznak, funkcionálisan nagyban konzervált módon végzik az UV-fény okozta hibák felismerését és javítását.

Sancar felfedezésének kiemelkedő jelentősége abban (is) rejlik, hogy a NER mechanizmus nemcsak az UV-fény okozta hibákat javítja, hanem ugyanez felelős számos egyéb károsodás javításáért is: például a cigarettafüstben található karcinogén anyagok vagy a szervezetben zajló méregtelenítő folyamatok során keletkező, sajnálatosan még az eredeti méreganyagoknál is jóval reaktívabb anyagcseretermékek és a DNS-be ékelődő molekulák által okozott hibák javításáért.

DNS-lánc

Hamis párok keresése

A harmadik kutató, Paul Modrich az ún. hamis párokat javító mechanizmus (angol betűszóval: MMR – mismatch repair) felfedezéséért kapta az elismerést. Ez a felfedezés azért is zseniális, mert az MMR során a javító rendszer egyedi módon olyan hibát kezel, amelynek felismerésében nem lehet arra a viszonylag egyszerű dologra támaszkodni, hogy valamilyen kémiailag módosult, eredetileg a DNS-be nem való, „DNS-idegen" anyagot kell keresni. Itt ugyanis a hiba abban rejlik, hogy a normális DNS-bázisok nem a megfelelő helyen vannak, nevezetesen nem a Watson-Crick-féle bázispárosodási szabálynak megfelelően állnak szemben egymással: például az adenin nem timinnel, hanem guaninnal vagy citozinnal áll szemben. Ilyen hibák gyakran előfordulnak egyrészt a DNS megkettőződése során, másrészt a DNS-ben a génkifejeződést szabályozó 5-metil-citozin dezaminálása révén, amikor egy guanin-timin hamis pár jön létre. Így – paradox módon – a génkifejeződésben rendkívül fontos 5-metil-citozin egyben mutációs forrópont is a DNS-ben.

A hamis párok között létrejövő, nem kovalens kölcsönhatások (hidrogénhidak) kevésbé erősek, mint a helyes párosodást jellemző kötőerők, így a hamis párok helyén a DNS kettős spiráljának szerkezete kissé fellazul, ami segíti a hiba felismerését. „Ám még ha megtörtént is a felismerés, akkor is van egy bökkenő: két normális, DNS-t alkotó bázissal áll szemben a javító rendszer. Melyiket kell kivágnia? Melyik bázis hordozza a megőrzendő információt? Ennek a feladványnak a kezelése az MMR rendszerben konzervatív logikát követ: a megőrzendő bázis az lesz, ami a kettős spirálban a régebbi DNS-szálon van" – mondja Vértessy Beáta az mta.hu-nak. A kutató szerint így a problémát visszavezették arra a kérdésre, hogy milyen módon lehet megkülönböztetni a régi és az új szálat.

Baktériumokban erre egy DNS-metilációs mechanizmus működik, ami a replikáció után még tranziens módon rövid ideig eltérő mintázatot ad a régi és az új szálon. Többsejtű élőlényekben a jelenlegi tudásunk szerint a replikáció során az új szál szükségszerűen rövidebb voltát ismeri fel a rendszer. Nyilvánvaló, hogy e megkülönböztetések csak akkor működhetnek jól, ha az MMR működése szoros kapcsolatban áll a DNS megkettőződésével. Valóban, ez a kapcsolódás több módon is jelen van az élő sejtben.

Új terápiák lehetősége

A DNS-hibák javító mechanizmusainak tisztázása már a jelenlegi orvosbiológiai kutatásokban is alapjaiban új transzlációs terápiás eljárásokat tesz lehetővé. Számos olyan alapkutatási eredmény született már, amely nyilvánvaló lehetőséget kínál további terápiás eljárások tervezésére. A DNS-javító mechanizmusok célzott gátlásával a genom integritását lehet megbontani, ami sejthalált indukál. Ezen az elvi alapon minden olyan sejt célzottan támadható, melyben a DNS-megkettőződés aktívan folyik. Ilyenek például a tumorsejtek vagy azok a fertőző mikroorganizmusok, amelyek a gazdaszervezetben aktívan szaporodnak. Továbbá e mechanizmusok biokémiája részben egyelőre még beláthatatlan, óriási lehetőségeket jelent a DNS-alapú biotechnológiai eszközök fejlesztésében is – itt ugyanis számos DNS-fehérje-komplex lehetőségeit lehet kiaknázni.

A DNS-ben rejtett információt keresik az MTA TTK kutatói

„Saját kutatásaink a DNS-javítás területén egy még most is fennálló nagy ellentmondást igyekeznek tisztázni. Már tudjuk, hogy a DNS-ben számos olyan kémiai módosulás fordul elő, ami korábban DNS-idegennek vélt bázisok gyakori megjelenéséhez vezet. E szokatlan bázisokat a tudományos szakirodalom túlnyomó része jelenleg »csupán« hibaként kezeli, jóllehet néhány úttörő közlemény már leírta, hogy - például az uracil bázisnak – élettani szerepük is lehet. Ezen belül mi tártuk fel a DNS-beli uracil egyedfejlődésben és gazda-patogén kölcsönhatásban játszott szerepét" – mondja Vértessy Beáta.

A szakember szerint az ez irányú kutatásokat nagyban hátráltatja, hogy a DNS valódi kémiai összetételét és valódi szekvenciáját – a genom szekvenciáját – sajnos csak limitált módon ismerjük. Ennek lényegi oka az, hogy a DNS-szekvenáló eljárásokban szinte kizárólag arra van lehetőség, hogy a szekvenciát a négy alapbázis (adenin, timin, guanin, citozin) kontextusában ismerjük meg. Rejtve marad azonban a szokatlan bázisok eloszlási mintázata: például egybeolvasásra kerül az uracil a timinnel, a kémiailag módosult bázisok a módosítatlanokkal. Egy ötletes eljárást már kidolgoztak az 5-metil-citozin és a citozin megkülönböztetésre, de az csupán egy egyedi megközelítés. „Célunk, hogy saját módszereinket a valós idejű szekvenálás, illetve a nanopórusos szekvenálás által nyújtott lehetőségekkel párosítva, le tudjuk írni a DNS-ben most még rejtett információt – mondja Vértessy Beáta. – Így a jövőben el tudnánk érni, hogy a tumorterápiában jelenleg használt, DNS-javítást gátló gyógyszerek konkrét hatását az egyes betegekben nyomon követhessük, és ezzel személyre szabott kezelési javaslatokat dolgozzunk ki."

Forrás: mta.hu

A témában megjelent további hírek:

Aktuális híreink