Nobelpreis für Physiologie und Medizin - 2013 • Daria Spasskaya • Science News zu "Elementen" • Nobelpreise, Medizin, Physiologie

Nobelpreis für Physiologie und Medizin – 2013

Abb. 1. Gewinner des Nobelpreises für Physiologie und Medizin 2013 (von links nach rechts: Thomas Südhof, Randy Shekman, James Rothman). Bild von der Ankündigung der Verleihung des Nobelpreises für Physiologie und Medizin im Jahr 2013 auf der Website der Zeitschrift Natur

Im Jahr 2013 wurde Randy Shekman, James Rothman und Thomas Südhof der renommierteste wissenschaftliche Preis für die Entdeckung der Mechanismen des vesikulären Transports, dem wichtigsten Transportsystem in unseren Zellen, verliehen. Verschiedene Moleküle, die in Vesikelbläschen gepackt sind, werden ständig von einer Zellteilung zur nächsten gesandt und auch außerhalb abgesondert. Genaue Zustellung ist dank eines Proteinkomplexes möglich, der sowohl als "Adresse" als auch als "Poststelle" in jeder zellulären Abteilung fungiert. Die Arbeiten der frisch gebackenen Nobelpreisträger ließen diesen Mechanismus im Detail klären: Welche Gene kodieren die Komponenten des vesikulären Transportsystems, an welchen Proteinen beteiligen sie sich und wie wird der intrazelluläre und intrazelluläre Verkehr reguliert?

Die Arbeit, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, ist nicht das Ergebnis einer einzigen brillanten Entdeckung oder eines wissenschaftlichen Durchbruchs.Dies ist das Ergebnis jahrelanger harter Arbeit, dank der es möglich war, einen der grundlegenden Prozesse in der Zellphysiologie – den intrazellulären Transport – im Detail zu untersuchen. Drei Wissenschaftler – Randy Shekman, James Rothman und Thomas Südhof – trugen mit unterschiedlichen Ansätzen – genetisch (Shekman), biochemisch (Rothman) und physiologisch (Südhof) – zu dieser Arbeit bei.

James Rothman (James E. Rothman) wurde 1950 in Massachusetts, USA, geboren. Er promovierte 1976 in Harvard, arbeitete dann am nicht weniger berühmten Massachusetts Institute of Technology und dann an der Stanford University, wo er mit Forschungen auf dem Gebiet des vesikulären Transports begann. Derzeit ist er Professor an der Yale University, wo er die Abteilung für Zellbiologie leitet.

Randy Shekman (Randy W. Schekman) wurde 1948 im US-Bundesstaat Minnesota geboren. Er promovierte 1959 in Stanford unter der Leitung von Arthur Kornberg, dem Nobelpreisträger, der den Mechanismus der Nukleinsäuresynthese entdeckte. Dann wechselte Shekman an die University of California in Berkeley, wo er immer noch als Professor in der Abteilung für Molekular- und Zellbiologie arbeitet.

Thomas Südhof (Thomas C.Südhof) wurde 1955 in Göttingen geboren. Anders als seine Kollegen in der Auszeichnung, erhielt er den Grad des Doktors der Medizin (1982), und dann einen Abschluss in Neurochemie. Südhof blieb jedoch nicht lange bei einem deutschen Wissenschaftler: 1983 wechselte er an die Texas Southwestern University in Dallas (USA), wo er mit Michael Brown und Joseph Goldstein, den Nobelpreisträgern von 1985, zur Erforschung des Cholesterinstoffwechsels zusammenarbeitete. Zurzeit ist er Professor an der Abteilung für molekulare und zelluläre Physiologie an der Stanford University.

Da eine eukaryotische Zelle im Verlauf ihrer vitalen Aktivität eine komplexe Struktur mit vielen "Divisionen" darstellt, wird es notwendig, Fracht von einer Abteilung (Abteilung) zur anderen zu transferieren und sie auch außerhalb der Zelle zu senden. Dieses Bedürfnis ist auf die Arbeitsteilung zwischen den Kompartimenten zurückzuführen: Zum Beispiel werden Proteine ​​oft auf Ribosomen synthetisiert, die sich im endoplasmatischen Retikulum befinden, aber sie werden in einer anderen Abteilung verwendet oder werden insgesamt sekretiert. Damit die Sendung an die Adresse geliefert werden kann, muss sie in einem Fläschchen verpackt sein (Abb. 2) und mit einem speziellen Signalprotein versehen sein.Eine Vielzahl von Molekülen kann als Fracht fungieren: Hormone (einschließlich Insulin), Enzyme, Konstruktionsproteine ​​usw. Ein separates wichtiges Beispiel für den zellulären Transport ist die Signalübertragung zwischen Neuronen – sie erfolgt durch Freisetzung von Neurotransmittern, die in die gleichen Vesikel in den synaptischen Spalt gepackt sind.

Abb. 2 Auf der linken Seite: Ein Vesikel ist eine Blase, die von einer Bilipidschicht umgeben ist – dieselbe Membran wie diejenige, die die Zelle begrenzt. Auf der rechten Seite: elektronenmikroskopische Aufnahme der Synapse an der Kontaktstelle zweier Neuronen; deutlich sichtbare synaptische Vesikelvesikel, die Neurotransmittermoleküle enthalten. Bilder von en.wikipedia.org und von der Stanford University

Die Untersuchung des vesikulären Transports ist nicht nur von grundlegender Bedeutung: Unter den Krankheiten, die mit gestörten Belastungsprozessen einhergehen, Typ-2-Diabetes und Epilepsie. Bakterien der Gattung Clostridiumwelche die Erreger von Botulismus und Tetanus sind, verderben mit Hilfe ihrer Toxine nur die Proteine, die an der Bildung von Vesikeln in den synaptischen Spalten beteiligt sind. Dadurch wird die Freisetzung von Neurotransmittern zwischen Neuronen oder zwischen dem Neuron und dem Muskel blockiert, was zu Lähmungen führt.

Die Existenz von intrazellulärem Transport ist seit dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts bekannt (Vesikel können in einem herkömmlichen Lichtmikroskop gesehen werden). Aus molekularer Perspektive begannen jedoch die Details dieses Prozesses mit der Veröffentlichung der Arbeit von Shekman 1979 in der Zeitschrift aufzuklären PNAS. In Zusammenarbeit mit Bäckerhefe identifizierten Shekman und sein Kollege Peter Novik Gene, deren Produkte einen normalen intrazellulären Transport ermöglichen. Die Wissenschaftler analysierten Hunderte von mutierten Hefestämmen und wählten unter ihnen Träger sogenannter hitzeempfindlicher Mutationen (solche Zellen wachsen normalerweise bei Raumtemperatur, aber wenn sie bei 37 ° C gehalten werden, beginnen sich in ihnen Zusammenbrüche anzusammeln). Ausgewählte Mutanten waren normalerweise nicht in der Lage, Enzyme nach außen zur Platzierung auf der Zellwand zu exportieren. Bei einer Temperaturerhöhung begannen sich in diesen Zellen Vesikel anzusammeln, die im Mikroskop deutlich sichtbar waren (Abb. 3).

Abb. 3 Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Hefezellen, die bei normaler Temperatur wachsen (B) und bei der Temperatur der Aktivierung von Mutationen (D). Eine signifikante Akkumulation von Vesikeln, die sekretierte Enzyme in der Zelle enthalten, ist bemerkenswert. Bild aus dem Artikel: P. Novick & R. Schekman.Sekretion und Zelloberflächenwachstum werden in einer temperaturempfindlichen Mutante von Saccharomyces cerevisiae blockiert // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V. 76 (4). P. 1858-1862

Shekman analysierte den Genotyp der durch den vesikulären Transport erhaltenen Mutanten und identifizierte schließlich 23 Gene, die in drei Gruppen unterteilt werden konnten, abhängig davon, wohin die Vesikel von und zu dem mit dem endoplasmatischen Retikulum, dem Golgi – Komplex bzw Zelloberfläche. In seiner anschließenden Arbeit entdeckte er Zwischenstufen bei der Bildung von Vesikeln und assoziierte sie mit Mutationen in bestimmten Genen (Gene wurden abgekürzt) sek – aus dem Sekretariat).

James Rothman ging in seiner Arbeit von der anderen Seite auf das untersuchte Thema ein. Einige Jahre später, im Labor von Stanford, haben er und seine Kollegen den Transportprozess wieder aufgenommen in vitrodas heißt, in vitro. Wissenschaftler haben versucht, den Prozess des Transportierens des Proteins des vesikulären Stomatitis-Virus in den Golgi-Komplex in Säugerzellen nachzuahmen (das virale Protein wurde ausgewählt, weil es sich in großen Mengen in den Zellen ansammelt und mit dem es sich gut arbeiten lässt). In mehreren aufeinander folgenden Artikeln beschrieb Rothman detailliert den zellulären Transport von Protein und identifizierte gleichzeitig die Schlüsselkomponenten, die für die Bildung und den Transport von Vesikeln notwendig sind.Das erste gefundene Protein war NSF (N-Ethylmaleimid-sensitiver Faktor), dann wurde SNAP (lösliches NSF-Anlagerungsprotein) identifiziert. In Zusammenarbeit mit Shekman fanden sie heraus, dass die NSF- und SNAP-Proteine ​​Produkten der zuvor von Shekman identifizierten Gene entsprechen. sek17 und Sec 18. Somit stellte sich heraus, dass der intrazelluläre Transport zwischen Eukaryoten universell ist und sowohl bei Hefen als auch bei Säugetieren zusammenfällt.

In weiteren Arbeiten zur Isolierung von Vesikel-assoziierten Proteinen entdeckte Rothman drei weitere Schlüsselproteine: Synaptobrevin, SNAP-25 und Syntaxin. Diese Proteine ​​wurden zuvor von anderen Wissenschaftlern an Synapsen (Kontaktflächen zwischen Neuronen) gefunden, ihre Funktionen blieben jedoch unbekannt. Rothman schloss sich ihnen in der SNARE-Gruppe an (lösliche NSF-Attachment-Protein-Rezeptoren). Synaptobrevin wurde mit Vesikeln assoziiert und SNAP-25 und Syntaxin wurden mit Zellmembranen assoziiert. Diese Entdeckung ermöglichte es Rothman, die SNARE-Hypothese zu formulieren, eine Schlüsselhypothese, die das Prinzip des intrazellulären und interzellulären Transports erklärt. Demnach sind Proteine, die zu zwei Gruppen gehören – v-SNARE (v – aus Vesikel "Vesikel") und t-SNARE (t – aus Ziel "Ziel"), die sich gegenseitig erkennen, am Prozess der Bildung und Abgabe von Vesikeln beteiligt. Durch gezielte Erkennung erfolgt die Lieferung genau an der richtigen Stelle (Bild 4).Die Hypothese wurde in weiteren Arbeiten von Rothman und anderen wissenschaftlichen Gruppen bestätigt. (Synaptobrevin ist unter anderem ein Ziel in der Entwicklung von Botulismus und Tetanus.)

Abb. 4 Schema, das das Prinzip des vesikulären Transports (SNARE-Hypothese) zwischen verschiedenen Abschnitten der Zelle erklärt. Blasen (Vesikel) knospen von der Membran einer der Organellen (zum Beispiel das endoplasmatische Retikulum) und erhalten einen "Schlüssel" – eines der Proteine ​​der v-SNARE-Familie. Eine genaue Lieferung ist darauf zurückzuführen, dass die Zielorganelle ein spezifisches Protein der t-SNARE-Familie aufweist, das als "Lock" fungiert. Bild von www.zoology.ubc.ca

Thomas Südhof war Neurophysiologe und studierte, wie Signalübertragung in den Synapsen zwischen Neuronen stattfindet. Er war am Prozess der Freisetzung eines Neurotransmitters in den synaptischen Spalt interessiert. Neurotransmittermoleküle sind in Vesikel gepackt und sollten genau zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Raum zwischen den Membranen zweier Neuronen freigesetzt werden (Abb. 2, rechts). Es stellte sich heraus, dass dieser Prozess von intrazellulären Schwankungen der Kalziumkonzentration abhängt. Südhof konzentrierte sich auf zwei Proteine ​​- Komplexin und Synaptotagmin.Zu dieser Zeit (Anfang der 90er Jahre) hat sich die Technologie, die es ermöglicht, einen Knockout zu erreichen (siehe: Nobelpreis für Physiologie und Medizin – 2007, "Elements", 12. Oktober 2007), für ein bestimmtes Tiergen verbreitet. Er untersuchte Mäuse mit beeinträchtigter Funktion der Gene, die für Komplexin oder Synaptotagmin kodieren, und stellte fest, dass diese beiden Proteine ​​auf Calcium reagieren und "Torwächter" sind, die die kontinuierliche unkontrollierte Bildung von Vesikeln verhindern. Es stellte sich heraus, dass Synaptotamin einerseits ein Calciumsensor ist und andererseits mit SNARE-Proteinen interagiert und den Mechanismus der Vesikelbildung auslöst. Südhof identifizierte auch das Munc18-Protein, eine Mutation, die dem Phänotyp der Hefe entsprach sec1-1von Shekman beschrieben. Dieses Protein und die Familie, zu der es gehört, erhielt den allgemeinen Namen von SM-Proteinen (von Sec / Munc). Es stellte sich heraus, dass sie zusammen mit SNARE-Proteinen am Prozess der Vesikelbildung beteiligt sind.

So wurden die Arbeiten von Shekman, Rothman und Südhof Teile desselben Mosaiks, das das Zelltransportsystem unter Beteiligung von Vesikelbläschen beschreibt. Sie haben weitgehend bestimmt, wie sich Blasen bilden, wie sie ihren Lieferort finden und wie ihre Entstehung genau zu einem bestimmten Zeitpunkt geregelt wird.Man kann jedoch feststellen, dass dem Mosaik ein Stück fehlt: Vesikel innerhalb der Zelle schwimmen nicht von selbst, sondern wandern entlang des Mikrotubulus entlang des Zytoskeletts mit speziellen Motorproteinen, Dynein und Kinesin. Für das Studium der Motorproteine ​​und des Transports mit ihrer Teilnahme im Jahr 2012 erhielt ein weiteres Trio amerikanischer Wissenschaftler den renommierten Lasker-Preis. Dieser Preis gilt als der Vorläufer des Nobelpreises, und so wird vielleicht auch das fehlende Glied im Bild des intrazellulären Transports in den kommenden Jahren mit der höchsten Auszeichnung ausgezeichnet (man muss sagen, dass die Gewinner dieses Jahres zu verschiedenen Zeiten Gewinner des Lasker-Preises wurden).

Quellen:
1) Pressemitteilung auf der Website des Nobel-Komitees.
2) J. Zierath, U. Lendahl. Maschinenregulierung Vesikel Verkehr, ein wichtiges Transportsystem in unseren Zellen. Artikel auf der Website des Nobel-Komitees.

Daria Spasskaya


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