1. oldal
A testünk felépítését és működését irányító genetikai információs rendszer folyamatosan ki van téve a környezet különböző káros hatásainak, mégis funkcióképes tud maradni. Ez azoknak a DNS javító mechanizmusoknak köszönhető, amelyek feltérképezéséért idén Tomas Lindahl, Paul Modrich és Aziz Sancar kémiai Nobel-díjat kapott.
Mindannyiunk lényének alapját az a genetikai állomány teszi ki, amely akkor jön létre, amikor megtermékenyülés pillanatában a petesejt és a spermium 23 kromoszómája egy sejtben egyesül. Ha a zigótában található DNS-molekulákat kiemelnénk, szétbontanánk, és egy sorba kötnénk, egy nagyjából 2 méteres DNS-t kapnánk. Amikor a megtermékenyített petesejt osztódni kezd, ez a genetikai információ lemásolódik, és az utódsejtek is megkapják a kétszer 23 kromoszómát. A terhesség első hetének végére már 128 sejtből áll a magzat, ami közel 300 méternyi DNS-t jelent. Néhány milliárd osztódással később, felnőtt korunkra a sejtjeinkben található DNS-ek összesített hossza többszörösen meghaladja a Nap és a Föld közötti távolságot.
Ennyi másolás után egészen hihetetlennek tűnhet, hogy a legfrissebben keletkezett sejtekben a genom csaknem tökéletesen egyezik a kiinduló genetikai állománnyal, amely a zigótában jött létre. A dolog nem egyszerűen meglepő, de kémiai szempontból nézve lehetetlen is, hiszen minden vegyi folyamatban történnek véletlenszerű hibák, arról nem is beszélve, hogy DNS-ünk folyamatosan káros külső hatások van kitéve. Ha nem léteznének a DNS-t javító, azt eredeti állapotában megőrizni igyekvő molekuláris mechanizmusok, az osztódások során szervezetünk még azelőtt káoszba fulladna, hogy emberi formát öltenénk a méhben.
A javító mechanizmusokért egy csapat fehérje felel, amelyek folyamatosan ellenőrzik a genom bázissorrendjét, és igyekeznek minden hibát kiküszöbölni. Annak története, hogy erre hogyan derült fény, a svéd Tomas Lindahllal kezdődik, aki a hatvanas évek végén kezdett azzal foglalkozni, hogy mennyire stabil a DNS-molekula. A tudományos közvélemény ebben az időszakban meg volt győződve arról, hogy az élet alapját adó makromolekula rendkívül ellenálló, és az a néhány generációnként bekövetkező pár mutáció, ami az evolúcióhoz kell, ritkaságszámba megy. Az volt ugyanis az általános vélemény, hogy ha a genetikai információ hordozója instabil lenne, nem is létezhetnének többsejtű organizmusok.
Tomas Lindhal a Princeton Egyetemen dolgozott, amikor vizsgálni kezdte a DNS rokonmolekulája, az RNS ellenálló képességét. A kísérletek ijesztő eredményeket hoztak: az RNS-ről kiderült, hogy rendkívül érzékeny a hőre, és bár a szakértők előtt világos volt, hogy a DNS az RNS-nél stabilabb, ez utóbbi molekula hőérzékenységének foka kérdéseket vetett fel a DNS strapabírásával szemben is. Lindahl néhány évvel később hazatért Svédországba, és a Karolinska Intézetben folytatta kutatásait. Közben folyamatosan különféle kísérletekkel vizsgálta a DNS és az RNS stabilitását a külső hatásokkal szemben, és sikerült is igazolnia, hogy a DNS még normálisnak tekinthető körülmények közt is lassú, de kimutatható degradáción megy keresztül.
Lindahl úgy becsülte, hogy a genomot minden nap több ezer potenciálisan végzetes sérülés éri, ami hihetetlenné tette, hogyan élhetnek egyáltalán többsejtűek a bolygón. A szakértő arra következtetett, hogy léteznie kell valamiféle molekuláris rendszernek, amely folyamatosan javítja a felmerülő hibákat. Lindahl ezt követően bakteriális DNS-sel kezdett kísérletezni, megpróbálva „fülön csípni” a javítást végző enzimeket.
A DNS egyik leggyengébb pontját a citozin jelenti, a nukleotid bázis ugyanis könnyen elveszítheti aminocsoportját. Ez viszont a genetikai információ megváltozását eredményezi, mivel míg a citozin párja normális esetben a guanin a kettős spirálban, ha az aminocsoport eltűnik, a citozin hajlamos az adeninnel összekapcsolódni. Ha ez a hiba nem kerül kijavításra, a következő osztódásnál már a hibás bázissorrend adódik át az utódsejtnek, ami a mutáció helyétől függően nagyon súlyos következményekkel is járhat. Lindahlnak végül sok munkával sikerült azonosítania azt a bakteriális enzimet, amely eltávolítja a sérült citozinok maradékát a genomból, és megakadályozza, hogy ez megtörténjen. A kutató 1974-ben publikáltaeredményeit, és ezzel egy egészen új kutatási terület létét alapozta meg.
A következő 35 évben Lindahl a sejt DNS-javító szerszámkészletének több fehérjéjét is azonosította. A nyolcvanas években a kutató ismét az Egyesült Királyságba tette át székhelyét, ahol az azóta kreatív kutatásairól híressé vált, akkor alapított Clare Hall Laboratórium igazgatója lett. Lindahl lépésről lépésre felderítette, hogyan zajlik az egyetlen sérült nukleotid esetén alkalmazott a báziskivágó javítás (base excision repair – BER), majd miután igazolta, hogy ez a javító mechanizmus az emberi genomban is működik, 1996-ban laborkörülmények között, a kémcsőben is sikerült demonstrálnia egy ilyen javítást.
2. oldal
Tomas Lindahl abból a felfedezésből indult ki kutatása során, hogy a DNS elkerülhetetlenül változik, még akkor is, ha a sejt védelmet biztosító belsejében foglal helyet, és semmiféle külső hatás nem éri. Az ugyanakkor régóta ismert volt a kutatók előtt, hogy az ultraibolya sugárzás nagyon káros az óriásmolekulára, és az is világossá vált számukra, hogy ez jóval gyakrabban okoz mutációt, mint amennyi a spontán degradáció során megtörténik. A sugárzás okozta károkról többnyire egy másik mechanizmus, a nukleotidkivágó javítás (nucleotide excision repair – NER) gondoskodik, amelyet Aziz Sancar törökországi születésű, az Egyesült Államokban tevékenykedő kutató fedezett fel.
Sancar az orvosi egyetem elvégzése után néhány évnyi törökországi praktizálást követően vetette bele magát a biokémiai folyamatok tanulmányozásába. Érdeklődését egy érdekes jelenség keltette fel a téma iránt: ha egy baktérium halálos dózisú ultraibolya sugárzást kap, hirtelen felépülhet, ha látható kék fénnyel világítják meg. Sancart nagyon kíváncsivá tette a különös hatás, és ki akarta deríteni, hogy kémiai szinten mi zajlik ilyenkor az egysejtűben.
A jelenséget egy amerikai kutató, a Texasi Egyetem szakértője, Claud Rupert vizsgálta ebben az időszakban, így Sancar az ő laborjához csatlakozott. A török kutató 1976-ra ma egészen kezdetlegesnek tűnő molekuláris biológiai módszerekkel sikeresen klónozta azt a gént, amelynek fehérjéje a DNS ultraibolya sugárzás következtében fellépő hibáit javítja. Sancarnak arra is sikerült rávennie kísérleti baktériumait, hogy a szokásosnál nagyobb mennyiségben termeljék az említett enzimet, a fotoliázt. A disszertációja témájául szolgáló kutatás ennek ellenére nem nyűgözte le a szakma nagyjait, és posztdoktori jelentkezését mindhárom helyen elutasították, ahová benyújtotta azt. Annak érdekében, hogy tovább foglalkozhasson a DNS javító mechanizmusainak tanulmányozásával, Sancar labortechnikusként helyezkedett el a Yale Orvosi Karán, és itt végezte el azon kutatásait, amelyek végül meghozták számára a Nobel-díjat.
Erre az időszakra világossá vált, hogy a baktériumoknak két egymástól független rendszerük is van az ultraibolya sugárzás okozta genetikai károk kijavítására. A Sancar által felfedezett, látható fény hatására aktiválódó fotoliáz mellett egy másik rendszer is létezik, amelyik sötétben is működik. Sancar új kollégái a Yale-en ezt a második rendszert tanulmányozták az 1960-as évek közepe óta, ultraibolya fényre érzékeny baktériumtörzsekkel kísérletezve.
Miután Sancar belevetett magát a sötétben aktív javító rendszer tanulmányozásába, néhány éven belül sikerült azonosítania annak kulcsfontosságú enzimjeit és feltérképeznie ezek működését. A szakértő laborkísérletek sorával mutatta meg, hogyan azonosítják az enzimek az ultraibolya fény által károsított helyeket, hogy két helyen átvágva a DNS-szálat eltávolítsák a sérülést magába foglaló, 12‒13 bázis hosszúságú szakaszt.
Sancar 1983-ban publikáltaelső eredményeit, és rövidesen állást kínáltak neki az Észak-Karolinai Egyetemen. Új laborjában tovább folytatta a munkát, és fényt derített a nukleotidkivágó eljárás további lépéseire is, majd a javító mechanizmus emberi változatát is vizsgálni kezdte. Vizsgálatai során kiderült, hogy bennünk némileg bonyolultabb molekuláris gépezet javítja az ultraibolya sugárzás hatásait, de ami a folyamat kémiai szakaszait illeti, a nuleotidkivágó eljárás minden fajban egyformán zajlik. Sancar idővel a fotoliáz kutatásához is visszatért, és kiderítette, hogyan képes az enzim feléleszteni az ultraibolya fénnyel gyakorlatilag elölt baktériumokat, valamint azt is igazolta, hogy az enzim emberi változata fontos szerepet játszik a szervezet napi ritmusát irányító cirkadián óra működésében.
Ami a harmadik friss Nobel-díjast illeti, Paul Modrich Új-Mexikóban, egy kisvárosban nőtt fel, és már gyermekként is érdeklődést mutatott a természet iránt. Apja egy napon így szólt hozzá: „Ezt a DNS dolgot kéne kitanulnod.” 1963-at írtunk, ebben az évben vette át James Watson és Francis Crick a DNS szerkezetének felfedezéséért a Nobel-díjat.
Modrich a Stanfordon tanult, majd a Harvardon és a Duke-on dolgozott, és kutatói pályájának korai időszakától kezdve a DNS-t befolyásoló enzimek egy csoportját, a DNS-ligázt, a DNS-polimerázt és az EcoRI-et kutatta. A hetvenes évek vége felé aztán a DNS adenin metiláz került érdeklődése középpontjába, és vele együtt belebotlott a DNS egy olyan mechanizmusába, amely pályája további részére elfoglaltságot biztosított számára. Az említett enzim metilcsoportokat kapcsol a DNS-hez, és Modrich igazolta, hogy ezek a csoportok útjelzőként szolgálnak egy bizonyos gátló enzim számára, hogy az a megfelelő helyen vágja el a DNS-szálat.
3. oldal
Ezzel egy időben a Harvard egyik kutatója, Matthew Meselson egy másik lehetséges jelzőfunkciót is azonosított a metilcsoportok kapcsán. A kutató olyan bakteriális vírusokat hozott létre, amelyek nem összeillő bázispárokat hordoztak, vagyis bennük a citozinnal szemben helyenként nem timin, hanem mondjuk adenin helyezkedett el. Amikor ezzel vírussal megfertőzött egy baktériumot, az egysejtű kijavította a hibákat. 1976-ban még senki sem értette, hogy a baktériumnak miért van szüksége ilyen funkcióra, Meselson azonban felvetette, hogy a javító mechanizmus talán arra szolgál, hogy a DNS replikációja során néha bekövetkező helytelenül összeállt bázispárokat kijavítsa. A szakértő úgy vélte, hogy a metilcsoportok annak eldöntésében jelenthetnek segítséget, hogy melyik DNS-szálat használja mintaként a molekuláris gépezet a javítás során, hiszen az új, hibás DNS-szál még nem rendelkezik metilcsoportokkal.
Modrich és Meselson rövidesen közös munkába kezdtek, és létrehoztak egy olyan vírust, amelyben nagyszámú hibás bázispár volt. Ez alkalommal a DNS adenin metilázt is bevették a kísérletbe, és a vírusgenom egyik szálára metilcsoportokat kapcsoltak a segítségével. Amikor a vírus megfertőzte a baktériumot, az egysejtű mindig azon a szálon végezte el a javításokat, amelyen nem voltak metilcsoportok, vagyis Meselson elmélete is igaznak bizonyult. Ezzel fontos lépés történt a DNS egyik szálát érintő károsodások esetén működésbe lépő harmadik javító mechanizmus, az össze nem illő párok javítása (mismatch repair – MMR) leírása felé, amely a DNS-replikáció és az azt követő rekombináció során keletkező hibás nukleotidpárokat javítja ki, metilálatlan állapota alapján ismerve fel az új szálat.
Modrich innentől kezdve szisztematikusan vizsgálni kezdte az össze nem illó párok javításában szerepet kapó összes enzimet. Az 1980-as évek végére már kémcsőben is véghez tudta vinni a folyamatot, és 1989-ben publikáltalegfontosabb eredményeit. Modrich a másik két nyerteshez hasonlóan szintén tanulmányozni kezdte a javító mechanizmus emberi változatát is. Ma már tudjuk, hogy az emberi genom minden egyes lemásolása során legalább ezer olyan hiba keletkezik, amelyet ez a mechanizmus javít ki. Az azonban még jelenleg sem világos, hogy a mi szervezetünkben hogyan történik az eredeti és a javítandó szál azonosítása. Saját genomunkban a DNS-metiláció más funkcióval bír, mint a bakteriális genomban, így az emberi DNS javítása során valami más dönti el, hogy melyik szál legyen a minta, és melyik kerüljön átalakításra.
A bázis- és a nukleotidkivágó javítás, illetve az össze nem illő párok javítása mellett más mechanizmusok is léteznek sejtjeinkben, amelyek segítenek a DNS állapotának megőrzésében. A napsütés, a cigarettafüst és még számos külső hatás okoz folyamatosan károkat genetikai állományunkban, amely ráadásul magától is spontán hibákat termel ki, főként a sejtosztódás folyamata során. Ezen mechanizmusok nélkül sejtjeink hamar képtelenné válnának a működésre. Ha a javító rendszerek valamelyike nem megfelelően működik, a genetikai információ gyorsan változásnak indul, növelve a rák kialakulásának kockázatát.
A nukleotidkivágó rendszer hibája például a xeroderma pigmentosum nevű betegség kialakulásához vezethet. Az ebben szenvedők rendkívül érzékenyek az ultraibolya sugárzásra, és ha napsütés éri őket, daganatok alakulnak ki a bőrükben. Az össze nem illő párok javításának hibája pedig a bélrák kialakulásának kockázatát növeli, és még számos más daganatos megbetegedés hozható kapcsolatba a javító mechanizmusok nem megfelelő működésével. Már ezek részleges hiányától is rendkívül instabillá válik a DNS, és az ennek eredménye az is, hogy a rákos sejtek gyakran mutálódnak, könnyen ellenállóvá válnak a kemoterápiával szemben. A javító mechanizmusok viszont egyben ezen sejtek gyenge pontját is jelenthetik, hiszen ha egyáltalán nem működnek, a DNS rövid időn belül túlságosan sok hibát fog hordozni ahhoz, hogy a sejt életben maradjon.
A rákkutatók egy része éppen ezért jelenleg olyan terápiákkal kísérletezik, amelyek a daganatos sejtekben teljesen ellehetetlenítik a javító mechanizmusok működését, így állítva meg a betegség terjedését. Az egyik ilyen célú új hatóanyag az olaparib(Lynparza), amelynek tavaly decemberben mind Európában, mind az Egyesült Államokban engedélyezték egészségügyi használatát. Az idei kémiai Nobel-díjasok által elvégzett alapkutatások tehát nemcsak a saját működésünkkel kapcsolatos tudásunkat bővítették, hanem máris életmentő kezelések kidolgozásához vezettek. Paul Modrich szavaival élve: „Ezért fontos a kíváncsiságra alapozott kutatás. Sosem tudni, hova vezet… Persze némi szerencse sem árt.”
