Ćelije su visoko kontrolisani prostori koji se oslanjaju na to da je svaki protein na pravom mestu. Mnoge bolesti, uključujući rak i neurodegenerativne poremećaje, povezane su sa pogrešno postavljenim proteinima. Kod nekih karcinoma, na primer, protein koji normalno bdi nad DNK koja se replicira u jezgru šalje se daleko od DNK koju treba da prati, omogućavajući raku da raste.
Stiven Banik, pomoćnik profesora hemije na Fakultetu humanističkih nauka i nauke i naučnik instituta Sarafan ChEM-H na Univerzitetu Stanford, i njegova laboratorija razvili su novu metodu kako bi pomogli da se pogrešno postavljeni proteini vrate u njihove prave domove unutar ćelija. Metoda uključuje ponovno povezivanje aktivnosti prirodnih šatlova da bi se pomoglo premeštanju proteina u različite delove ćelije. Tim je osmislio novu klasu molekula pod nazivom „molekuli koji aktiviraju ciljanu relokalizaciju“ ili TRAM-ovi koji ubeđuju ove prirodne šatlove da ponesu različit teret – poput proteina koji se izvoze iz jezgra kod nekih vrsta raka – zajedno za vožnju. Objavljena u časopisu Nature 18. septembra, ova strategija bi mogla da dovede do terapeutskog sredstva za ispravljanje pogrešnog postavljanja proteina povezanog sa bolestima, kao i do stvaranja novih funkcija u ćelijama.
Uzimamo izgubljene proteine i vraćamo ih kući“, rekao je Banik.
Naše ćelije sadrže mnogo odeljaka, poput jezgra, bezbednog doma DNK ili mitohondrija, gde se proizvodi energija. Između svih ovih odeljenja nalazi se citoplazma. Na svim lokacijama ćelije nalaze se proteini. Oni su odgovorni za sve vrste radnji – izgradnju i razbijanje molekula, kontrahovanje mišića, slanje signala – ali da bi pravilno funkcionisali, moraju da obavljaju odgovarajuće akcije na pravom mestu.
Ćelije su zaista prepuna mesta“, rekao je Banik. „Proteini prolaze kroz gomilu prolazeći pored svih vrsta drugih molekula poput RNK, lipida, drugih proteina. Dakle, funkcija proteina je ograničena onim što može da uradi i njegovom blizinom drugim molekulima.“
Bolesti će ponekad iskoristiti ovu potrebu za blizinom mutiranjem proteina koji bi inače mogli da zaštite ćeliju od oštećenja. Ove vrste mutacija su poput stavljanja pogrešne adrese na paket, prevarivanja proteina da odu tamo gde nikada ne bi otišli u zdravim ćelijama.
Ponekad ovaj pokret čini da protein potpuno prestane da radi. Proteini koji deluju na DNK, na primer, neće pronaći DNK u citoplazmi i isplivati ne radeći ništa. Drugi put, ovaj pokret dovodi do toga da protein postane loš glumac. Kod ALS-a, na primer, mutacija šalje određeni protein, nazvan FUS, iz jezgra u citoplazmu, gde se agregira u toksične grudve i na kraju ubija ćeliju.
Banik i njegov tim su se pitali da li bi mogli da se bore protiv ovog namerno pogrešnog postavljanja proteina korišćenjem drugih proteina kao šatlova za prevoz putničkih proteina do njihovog pravog doma. Ali ovi šatlovi često imaju druge funkcije, tako da bi tim morao da ubedi šatl da preuzme teret i preveze ga na novo mesto.
Da bi to uradili, Banik i njegov tim razvili su novu vrstu dvoglavog molekula pod nazivom TRAM. Jedna glava je dizajnirana da se drži šatla, a druga je dizajnirana da se drži putnika. Ako je šatl dovoljno jak, odneće putnika na njegovo pravo mesto.
Tim se fokusirao na dva obećavajuća tipa šatlova, jedan koji uvlači proteine u jezgro, a drugi koji izvozi proteine iz jezgra. Kristin Ng, diplomirani student hemije i prva autorka ovog dokumenta, dizajnirala je i napravila TRAMVAJE koji spajaju šatl i putnike. Ako bi putnik u citoplazmi završio u jezgru, znali bi da je njihov TRAM radio.
Prvi izazov je bio neposredan: nije bilo pouzdanih metoda za merenje količine proteina na određenoj lokaciji u pojedinačnim ćelijama. Tako je Ng razvio novu metodu za kvantifikaciju količine i lokacije putničkih proteina unutar ćelije u datom trenutku. Po obrazovanju hemičar, morala je da nauči nove veštine mikroskopije i računske analize da bi to uradila.
„Priroda je inherentno složena i međusobno povezana, tako da je ključno imati interdisciplinarne pristupe“, rekao je Ng. „Pozajmljivanje logike ili alata iz jedne oblasti za rešavanje problema u drugoj oblasti često rezultira veoma uzbudljivim pitanjima i otkrićima ‘šta ako’.“
Zatim ga je stavila na test. Njeni TRAM-ji su uspešno pomerali putničke proteine u i iz jezgra, u zavisnosti od šatla koji su koristili. Ovi rani eksperimenti pomogli su joj da stvori neka osnovna „pravila“ za dizajn, na primer koliko jak šatl mora da bude da bi prevazišao sklonost putnika da vuče u drugom pravcu.
Sledeći izazov je bio da li mogu da dizajniraju TRAM-ove koji bi mogli da budu lekovi, oni koji preokrenu kretanje proteina koji izazivaju bolesti. Prvo su napravili TRAM koji bi relokalizovao FUS, protein koji se isporučuje iz jezgra i formira opasne granule kod pacijenata sa ALS-om. Nakon što je tretirao ćelije svojim TRAM-om, tim je video da je FUS prenet nazad u svoj prirodni dom u jezgru, i da su se toksične nakupine smanjile i da je manja verovatnoća da će ćelije umreti.
Zatim su skrenuli pažnju na dobro poznatu mutaciju kod miševa koja ih čini otpornijim na neurodegeneraciju. Mutacija, koju su čuveno proučavali pokojni Ben Barres i drugi, uzrokuje da određeni protein putuje dalje od jezgra niz akson u neuronima.
Tim se pitao da li bi mogli da naprave TRAM koji bi imitirao zaštitni efekat mutacije, prenoseći protein do kraja aksona. Njihov TRAM ne samo da je pomerio ciljni protein niz akson, već je takođe učinio ćeliju otpornijom na stres koji oponaša neurodegeneraciju.
U svim ovim primerima, tim se suočavao sa stalnim izazovom: Dizajniranje glave TRAM-a za ciljanje putnika je teško jer naučnici još nisu identifikovali sve moguće molekule koji bi se mogli vezati za svoje ciljne putnike. Da bi se ovo zaobišlo, tim je koristio genetske alate za postavljanje lepljive oznake na ove putnike. Međutim, oni se nadaju da će u budućnosti moći da pronađu prirodne lepljive komade na ovim putnicima i da razviju TRAM-ove u nove vrste lekova.
Iako su se fokusirali na dva šatla, metod se može generalizovati na sve druge šatlove, poput onih koji guraju stvari na površinu ćelije, gde se javlja komunikacija sa drugim ćelijama.
I pored slanja mutiranih proteina nazad tamo gde im je mesto, tim se takođe nada da bi se TRAM-ovi mogli koristiti za slanje zdravih proteina u delove ćelije kojima oni normalno ne mogu da pristupe, stvarajući nove funkcije za koje još ne znamo da su moguće.
„To je uzbudljivo jer tek počinjemo da učimo pravila“, rekao je Banik. „Ako promenimo ravnotežu, ako protein iznenada dobije pristup novim molekulima u novom delu ćelije u novo vreme, šta će on uraditi? Koje funkcije bismo mogli da otključamo? Koji novi deo biologije bismo mogli da razumemo?“
