Gergely János

Egy fehérjéket címkéző molekula

és egy magyar származású Nobel-díjas története


A Nobel-díj-bizottság döntése alapján a kémiai Nobel-díjat 2004-ben Aaron Ciechanover (Izrael), Avram Hershko (Izrael) és Irwin Rose (Amerikai Egyesült Államok) kapta "az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás felfedezéséért". A bizottság közleményében egy további, számunkra igen fontos adat szerepel: Avram Hershko professzor 1937-ben Magyarországon, Karcagon született. Tehát ismét egy Magyarországról származó, de nem itt alkotó tudós részesülhetett a legmagasabb tudományos elismerésben.
 
 

Avram Hershko
Irwin Rose
Aaron Ciechanover

Akik az elmúlt két évtizedben követték az ubikvitin "karrierjét", figyelemmel kísérték a kutatóhármas tudományos munkásságát és annak nemzetközi visszhangját, érezték, hogy "Nobel-díjas" témáról van szó. Alátámasztotta ezt az is, hogy Hershko professzor munkásságáért több rangos tudományos elismerésben részesült: egyebek között megkapta az Izrael- díjat (amely megfelel a mi Széchenyi-díjunknak), az orvostudományi alapkutatásokért odaítélhető Albert Lasker-díjat, a Wolf-díjat, tagja lett az Izraeli Tudományos Akadémiának, valamint az amerikai egyesült államokbeli Nemzeti Tudományos Akadémiának. Így nem véletlenül terjedt el szakmai körökben, hogy Avram Hershko a Nobel-díj várományosa.

A sejtek fehérjéinek lebontása

Tekintsük át röviden, miben áll a kutatások fontossága, van-e ezeknek az igencsak elméleti jelentőségűnek látszó vizsgálatoknak valamilyen ígérete a beteg ember számára?

A szervezetet felépítő sejtek működésében, a bennük lejátszódó kémiai és fizikai folyamatokban - éppúgy, mint különböző sejtfunkciók szabályozásában - központi szerepet játszanak a fehérjék. A fehérjék képződésének tanulmányozása hosszú ideje a biológiai kutatások előterében áll, viszonylag kevés figyelmet fordítottak azonban annak megismerésére, hogy milyen folyamatok eredménye a sejtek fehérjéinek lebomlása. Nyilvánvaló pedig, hogy képződésük és lebomlásuk egyensúlya elengedhetetlen a hibátlan sejtműködés, sejtszaporodás és sejtpusztulás szempontjából. Természetesen nemcsak a működésüknek már eleget tett, elöregedett fehérjék várnak lebontásra, hanem alapvetően fontos a megváltozott szerkezetű, rosszul felépített, a sejtműködést károsan befolyásoló molekulák kiiktatása is. Jó kutatói érzékre vall, de egyben jelentős előrelépést is jelentett, hogy Hershko professzor csoportja elsősorban a sejten belüli fehérjelebontás folyamatának és mechanizmusának kutatását célozta meg.

Számos olyan fehérjelebontó enzim szerkezetére és funkciójára derült már fény az elmúlt évtizedekben, amelyek jellemző tulajdonsága, hogy funkciójuk nem igényel energiát (ilyen például a jól ismert tripszin). Régóta problémát jelentett viszont a kutatók számára, hogy a sejten belüli fehérjék lebontása energiaigényes folyamat. 1977-ben mutatták ki először (Etlinger és Goldberg), hogy retikulociták sejtmentes kivonata képes abnormális fehérjéket lebontani, ehhez a folyamathoz azonban energiaforrásként ATP-re (adenozin-trifoszfátra) van szükség. Az 1970-es évek végén Hershko és Ciechanover - egy ATP-függő fehérjelebontási folyamatot tanulmányozva - a retikulocitákban egy hőstabil polipeptidre bukkant, melyet APF-1-nek (ATP-függő proteolitikus faktor 1-nek) nevezett el. Ezt a vegyületet később az ubikvitinnel azonosították. Az ubikvitint Keith Wilkinson és munkatársai 1975-ben írták le, és azért nevezték ubikvitinnek (a latin "ubique" - mindenhol - szóra utalva), mert számos szervezetben (kivéve a baktériumokat) és szövetben előfordul. Funkcióját azonban nem ismerték.

Hershkónak és munkatársainak az volt a zseniális felismerése, hogy az ubikvitinmolekulák mintegy "felcímkézik", megjelölik a már leépülésre, pusztulásra váró fehérjemolekulákat. Ezzel összefüggésben felfedezték és részleteiben leírták azt az enzimrendszert, amelynek működése lehetővé teszi, hogy az ubikvitinmolekulák hozzátapadjanak a lebontásra váró fehérjéhez. A kutatómunka jelentős részét Hershko és Ciechanover a philadelphiai Fox Chase Cancer Centerben, Rose laboratóriumában végezte.

Mit tudunk az ubikvitinről?

Ezt a 76 aminosavból felépülő molekulát eredetileg borjútímuszból vonták ki, és azt feltételezték, hogy funkciója a fehérvérsejtek érési folyamatával függ össze. Miután Hershko munkatársaival izolálta az ubikvitinnel azonosított, fehérjebontó polipeptidet (1. ábra), hamarosan kiderült, hogy a molekula kovalensen kapcsolódik a lebontandó szubsztráthoz, továbbá, hogy ez a kapcsolódás előfeltétele az ATP-függő proteolízisnek (a fehérjék proteáz enzimes lebontásának).

1. ábra. Az ubikvitinmolekula, amely hozzákötődik a lebontásra váró fehérjemolekulához. Az ubikvitinnel megjelölt molekula sorsa: proteolízis (ezért nevezik az ubukvitinnel kialakuló kölcsönhatást szellemesen "a halál csókjának") (http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html)

Szisztematikusan felépített kutatási programjukban a következő lépés annak az eseménysorozatnak a feltárása volt, amely a "halálra ítélt" fehérjemolekula "ubikvitinilálását" eredményezi. Hamarosan kiderült, hogy ugyanahhoz a célmolekulához több ubikvitinmolekula is kapcsolódhat (poliubikvitinilálás). A kiváló kutatóhármas számára nyilvánvalóvá vált, hogy fel kell deríteniük azt az enzimrendszert, amely lehetővé teszi az ubikvitinmolekulák célzott és erős kötődését. Kutatási programjuk eredményeként egyfelől leírták a folyamatban részt vevő, addig nem ismert enzimeket, másrészt - ezekre alapozva - megalkották elméletüket, a "többlépcsős ubikvitincímkézési hipotézist". A három új enzim neve: E1, E2 és E3. Az emlőssejtek egy vagy néhány E1, több tíz E2 és több száz E3 enzimet tartalmaznak. Az E3 fajlagosságától függ, hogy melyik fehérje bontódik le a proteaszómában (2. ábra és keretes írás).

2. ábra. Az ubikvitinfüggő fehérjelebontás egyes lépései (részletesebben lásd szövegben) (http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html)

Az első lépésben az E1 aktiválja az ubikvitint (ez ATP-függő reakció). Ezt követően az ubikvitin egy másik enzimhez (E2) kötődik. Az E3 (ubikvitin-ligáz) ismeri fel az elpusztítandó célfehérjét, az E2-ubikvitin-komplex pedig a célfehérje közvetlen közelében reagál az E3-mal, így az ubikvitin-"jelzés" az E2-ről a célfehérjéhez kapcsolódhat. Ezután az E3 enzimről felszabadul az ubikvitinnel jelzett ("felcímkézett") fehérje, és ez a folyamat annyiszor ismétlődik, amíg a fehérjén ki nem alakul (az egymáshoz kötődő ubikvitinmolekulákból) egy ubikvitinlánc. Ezt az ubikvitinláncot ismeri fel az időközben megnyíló proteaszóma, és miután levált a fehérjéről, lezajlik a fehérje "feldarabolása".

Ezeket a jelentős eredményekhez vezető vizsgálatokat sejtmentes rendszerekben végezték. Nagy lépést jelentett az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás biológiai szerepének megismerésében a Hershko által kidolgozott elegáns immunokémiai módszer, melynek segítségével ubikvitin-fehérje konjugátumokat vontak ki az ép sejtekből. Eredményeik azt mutatták, hogy lényegesen több ilyen konjugátum nyerhető ki olyan sejtekből, amelyekben abnormális felépítésű fehérjék képződnek. Ez igazolta azon feltevésüket, hogy a megváltozott szerkezetű, sejten belüli fehérjék lebontása ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás segítségével következik be. Ez azonban nem zárja ki annak a lehetőségét, hogy ugyanez a mechanizmus más fehérjék esetében is részt vesz a lebontási folyamatban.

Hershko professzor újabban azt tanulmányozza, hogy miként befolyásolja az ubikvitinrendszer által közvetített fehérjelebontás a sejtek osztódási szakaszait szabályozó fehérjék degradálódását. A sejtosztódás szabályozásában különböző regulátorfehérjék játszanak fontos szerepet, amilyenek egyebek között a ciklinek, a ciklinfüggő proteinkináz- (CDK-) gátlók. Ezeknek a szabályozófehérjéknek a fajlagos és programozott lebontása lényeges momentum a sejtosztódás folyamatában. A kutatások előterében a mitózisban jelentős ciklin-B és a CDK-gátló p27 vizsgálata áll, különös tekintettel ezeknek az ubikvitinrendszerrel való összefüggéseire. A sejtciklust szabályozó fehérjék ubikvitinfüggő lebontási mechanizmusának tisztázása különös fontosságú a sejtek rákos burjánzásának megértése szempontjából.



 

Mi a proteaszóma? 

A sejtek citoplazmájában található, nagyméretű, ATP-függő, számos komponensből felépülő ("multikatalitikus") enzimrendszer (26S), melynek funkciója az ubikvitinnel kapcsolódott fehérjék lebontása. A humán sejtek mintegy 30 000, "hordó alakú" proteaszómát tartalmaznak. Ezekben az ubikvitinilált fehérjék 7-9 aminosav hosszúságú peptidekre hasadnak. A proteaszóma két komponensből, a 20S katalitikus részből és az ubikvitint felismerő 19S szabályozó alegységből épül fel. Nemcsak a károsodott vagy rosszul feltekeredő fehérjéket távolítja el, hanem kulcsfontosságú szabályozófehérjéket is lebont, ami a sejtműködés szempontjából fontos folyamatok aktiválásához vagy gátlásához vezet. Az ubikvitinilálás eredményeként a fehérjéhez kötődő ubikvitinlánc juttatja el a lebontásra váró, "felcímkézett" fehérjét a proteaszómába. A lehasítás során felszabaduló ubikvitin-monomerek újra felhasználódnak (3. ábra).

3. ábra. Fehérjelebontás a proteaszómában 


 

Ígéretes gyógyszerek

A Nobel-díj-odaítélésnél nyilvánvalóan szerepet játszott, hogy az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás felfedezése nemcsak egy új fehérjebontó rendszer leírását jelenti. A Hershko-csoport kiterjedt és sokrétű munkássága ezen a területen a kutatók egész sorát "ihlette meg" világszerte. A magas kitüntetés elnyerése után Joanna Rose interjút készített a Nobel Alapítvány részére. Hershko professzor elmondta, hogy az 1970-es évek közepén - amikor fiatal kutatóként foglalkozni kezdett az ubikvitinnel - évente alig 10 tudományos közlemény jelent meg ebben a témakörben világszerte; napjainkban ez a szám ezrekben fejezhető ki. Kétségtelen, hogy az érdeklődésnek ez a hihetetlen megnövekedése Hershko professzor és munkatársai kutatási eredményeinek nyomán indult meg. Már egy viszonylag korai munkájukban (1980) felvetették, hogy az ubikvitin megőrzött aminosavsorrendje, valamint széles körű elterjedtsége az eukarióták világában az ATP-függő, ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás általános biológiai jelentőségére utal. Az utóbbi években be is bizonyosodott, hogy az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás valóban fontos szerepet játszik számos alapvető biológiai funkcióban, egyebek között a sejtciklus szabályozásában, a DNS-javításban és -átírásban, az immunfolyamatokban. A proteolízisben bekövetkező zavarok pedig oki tényezőkként jöhetnek számításba a rákos sejtburjánzások létrejöttében (4. ábra).


4. ábra. Az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás kapcsolata különböző biológiai funkciókkal (http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/chemadv04.pdf)

Mindezek illusztrálására lássunk néhány példát.

A p53 gén terméke, a p53 fehérje olyan transzkripciós faktor, amely növeli egy, a sejtosztódás fokozódását gátló fehérje (p21) képződését. Így amíg egy sejt p53-at tud termelni, annak rákos burjánzása gátolt. Normális körülmények között - a folyamatos képződés és lebontás folytán - a p53 fehérje szintje a sejtekben alacsony. A p53 fehérje lebontását az ubikvitin-proteaszóma rendszer szabályozza. DNS-defektus következtében a p53 fehérje foszforilálódhat, és ez megakadályozza kötődését az E3 enzimhez, ami lehasításának csökkenéséhez és sejten belüli szintjének emelkedéséhez vezet. A p53 traszkripcós faktorként olyan gének működését befolyásolja, amelyek a DNS-javítást és a programozott sejthalált (apoptózist) szabályozzák. Szintjének emelkedése a sejtciklus megszakításához vezet, ezzel "alkalmat adva" a DNS-károsodás kijavítására. Ha viszont ennek mértéke túl nagy, apoptózist indukál, ami a sejt pusztulásával jár.

Úgy látszik, hogy az ubikvitinrendszer fontosságát a vírusok is "felismerték", legalábbis erre utal a papillómavírus példája, melynek jelentős szerepet tulajdonítanak a méhnyakrák keletkezésében. A vírus valamelyik fehérjéje - az egyik celluláris E3 enzimre hatva - kiváltja a p23 fehérje ubikvitinilizálódását, következésképpen annak degradálódását. Emiatt a vírussal fertőzött sejt képtelen a DNS-javításra, a DNS-mutációk száma nő, ami végül rákos burjánzáshoz vezet.

Az immunrendszer működésében, de különösen a vírusok elleni immunvédekezésben is lényeges az ubikvitin-proteaszóma rendszer szerepe. Az immunrendszer működésének egyik "alaptörvénye" az ún. MHC-korlátozás, ami azt jelenti, hogy a kórokozók felismerésében és elpusztításában kulcsszerepet játszó T-limfociták kizárólag az ún. antigénbemutató sejtek által feldolgozott és felszínükön MHC-molekulákkal komplexben megjelenő antigéndarabokat ismerik fel. Az antigének (kórokozók) lebontása az antigént bemutató sejt proteaszómáiban zajlik le, és a folyamatot a fehérje ubikvitinilizálódása előzi meg. Ez azt jelenti, hogy az eredményes antigénfeldolgozás és -bemutatás ubikvitinfüggő folyamat.

Az ubikvitin és a hozzá kapcsolódó enzimrendszer bonyolult működésének megismerése, az egymással kapcsolódó funkcionális lépések feltárása utat nyitott a "célzott" beavatkozások előtt, és ennek a daganatos megbetegedésekben, egyes idegrendszeri, valamint autoimmun-betegségekben komoly gyakorlati jelentősége lehet. Nem csoda tehát, hogy a gyógyszerkutatók figyelme is az ubikvitin-proteaszóma rendszer felé fordult. Várható, hogy az ubikvitinnel közvetített fehérjelebontás valamelyik pontján a célzott beavatkozás gátolhatja egyes fehérjék lebontását, illetve előidézheti funkcionálisan káros fehérjék elpusztítását. Az ilyen kutatásokat végzők igyekezete máris figyelemre méltó eredményeket hozott. Nemrég számoltak be egy hatékony és szelektív proteaszómagátlóról (PS-341, Velcade), mely az eddig elvégzett, kiterjedt klinikai vizsgálatok alapján kiválóan beválik a multiplex mielóma (kóros plazmasejtburjánzás), a limfóma, a prosztatarák, illetve a tüdőrák gyógyításában.

"Út Stockholmba"

Avram Hershko hosszú és nehéz utat járt meg, amíg Karcagról elindulva eljutott a Nobel-díjig. Édesapja, Herskó Mózes, a karcagi izraelita elemi iskola igazgatója, a város nagyra becsült polgára, kiemelkedő tudású pedagógus volt, akit tanítványai rajongásig szerettek. Édesanyja nagy műveltségű, jószívű, a kisvárosban igen népszerű asszony volt. Maga is kiváló pedagógus, akinél sok fiatal tanult angolul; később munkaszolgálatos férjét is helyettesítette. Két fiuk (az idősebb, Laci - ma Chaim - és a fiatalabb, Feri - ma Avram) szeretettel teli, meleg, rendkívül kulturált környezetben élt mindaddig, amíg a magyarországi zsidóságot sújtó tragédia őket is el nem érte.

Édesapjuk végigjárta az orosz frontra került munkaszolgálatosok poklát. A család többi tagja 1944 májusában - mindent maga mögött hagyva - a karcagi és a környékbeli zsidókkal együtt a város szélén, a temető mellett létesített gettóba került. Itt még nem gondolhatták, hogy ennél rosszabb is lehet, de a szolnoki gyűjtőhely, ahol a bevagonírozásukra kellett várni, nagyobb borzalmakat tartogatott számukra. Nobel-díjasunknak 7 éves korában ez volt az első "tanulmányútja". Szerencsére, abba a szerelvénybe kerültek, amelynek a végállomása nem Auschwitz, hanem az ausztriai Strasshof volt. Ennek a váratlan eseménynek köszönhető, hogy a karcagi zsidó deportáltak egy része visszatérhetett Karcagra.

"A vészkorszak kezdetén 778 lelket számlált a karcagi zsidó hitközség, nagyobbára a város és környéke szülöttei és neveltjei: nyelvben, érzelemben és gondolkozásban nem kevésbé hitték magukat magyaroknak, mint a város többi polgárai. Közülük 461-en gázban, tűzben, fagyban és puskatűzben kegyetlenül pusztultak el csak azért, mert zsidók voltak." (E sorokat Nobel-díjasunk édesapja írta A karcagi zsidók története című könyvének előszavában.) A Herskó gyerekek édesapja, miután túlélte a munkaszolgálatot és megismerkedett az orosz hadifogolysorssal is, 1947-ben került vissza családjához. Mivel nem volt már kit tanítania, hiszen a zsidó iskola tanulók híján megszűnt, a család Budapestre költözött, majd 1950-ben Izraelbe emigrált. Az édesapa itt is megbecsült pedagógus lett, akit országszerte híressé tettek számtankönyvei és az általa kidolgozott "Herskó-módszer". Fontos, dokumentumértékű könyvben írta meg a karcagi zsidók történetét (legfőbb ideje lenne, hogy ezt a munkát Magyarországon is kiadják). 94 éves korában, 1999-ben hunyt el. Az idősebb testvér, Chaim Hershko Jeruzsálemben élő, nemzetközi hírű, Magyarországon jól ismert és gyakran megforduló hematológusprofesszor. Az izraeli út lett Avram Hershko második, az elsőnél lényegesen hosszabb és eredményesebb "tanulmányútja".

Avram a jeruzsálemi Héber Egyetem "Hadassah" orvosi fakultásán 1965-ben orvosi diplomát, ugyanott 1969-ben PhD-fokozatot kapott, 1965 és 1967 között katonaorvosként szolgált, ezt követően két évig a Héber Egyetem biokémiai tanszékén, majd további két évig a San Franciscó-i Egyetem biokémiai és biofizikai tanszékén végzett kutatómunkát.

1972 óta tanít és kutat a haifai Technionban, ahol jelenleg a biokémiai tanszék professzora. Ez a periódus számtalan külföldi, főleg egyesült államokbeli tanulmányutat, előadást, számos magas szintű tudományos közleményt és kutatói együttműködést eredményezett, miközben tanítványok sokasága nőtt fel mellette. Többször járt Magyarországon is, ahol egyik gyereke jelenleg orvostanhallgatóként tanul.

Hershko professzor azon kevés nagy tudósok egyike, aki sikerei és temérdek kötelezettsége mellett egy percre sem hagyta abba a laboratóriumi munkát. Az őt interjúvoló Joanne Rose-nak elmondta, hogy naponta (így az interjú készültekor is) dolgozik laboratóriumában, s reméli, hogy ettől a Nobel-díjjal járó kötelezettségei sem térítik majd el.

Avram Hershko két munkatársával együtt vette át a Nobel-díjat. Az átadási ünnepséget követő banketten a kutatóhármas nevében ő köszönte meg a magas kitüntetést. Rövid beszédében kifejtette: ritkán fordul elő, hogy olyan kutatócsoport kapjon Nobel-díjat, amelynek tagjai három különböző generációt képviselnek: egy izraeli biokémikus (ő maga), akinek a felfedezés idején diákja volt a másik kitüntetett (a szintén izraeli Aaron Ciechanover), míg harmadik társuk (Irwin Rose) vendéglátójuk és munkatársuk volt az Amerikai Egyesült Államokban. Mindhárman különböző háttérrel rendelkeznek, személyiségük és tehetségük is eltérő: ő maga intuitív és állhatatos, Rose analitikus és keményen kritizáló, Ciechanover pedig hihetetlen energiával rendelkezik.

E három, egymást kiegészítő tulajdonságokkal megáldott kutató munkájának lehetett az eredménye az az áttörés, amit az ubikvitinrendszer felfedezésével értek el. Bár kémiai Nobel-díjat kaptak, munkájuk jelentősége interdiszciplináris: a sejtjeinkben, szervrendszereinkben lezajló kémiai és fizikai folyamatok átfogó értelmezése segítheti csak elő a betegségek megelőzésének és gyógyításának ésszerű megközelítését.

Szülőföldjén, Magyarországon biológus-, biokémikus- és orvosi körökben jól ismerik Avram Hershko és munkatársainak munkásságát. Az ubikvitinrendszer szerepel a magyar nyelvű tankönyvekben, szakkönyvekben; több hazai csoport végez magas szintű kutatásokat a témakörben. Természetes tehát, hogy a Magyar Tudományos Akadémia elnöke az első gratulálók közé tartozott, és nagy örömünkre szolgált, hogy az új, magyar származású Nobel-díjas elfogadta meghívását, s januárban előadást tartott az Akadémián. Akadémiánk tiszteleti tagjává avatta. Külön öröm, hogy a szülőváros, Karcag díszpolgárává választotta.

Egy Nobel-díjas fényképalbumából
 

AJÁNLOTT IRODALOM

Kertész Péter: Az első karcagi Nobel-díjas, Népszava, 2004. november 27.

Gergely János: Karcagtól a Nobel-díjig, Élet és Irodalom, 2004. 43. szám

Hargittai István: Avram Hershko és az ubikvitin, Magyar Tudomány, 2004. november

Lőw Péter: Minden lében két kanál fehérje: az ubikvitin, Természet Világa, 1999. december

Lőw Péter: A sejt fehérjebontó gépezete: a proteaszóma, Természet Világa, 2000. november

Lőw Péter: A sejt őrző-védő szolgálata a rák ellen, Természet Világa, 2001. március

Etlinger, J. D.; Goldberg, A. L.: A soluble ATP-dependent proteolytic system responsible for the degradation of abnormal proteins in reticulocytes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977. Jan.; 74(1):54-8.

Ciechanover, A.; Elias, S.; Heller, H.; Ferber, S.; Hershko, A.: Characterization of the heat-stable polypeptide of the ATP-dependent proteolytic system from reticulocytes. J. Biol. Chem. 1980. Aug. 25; 255(16):7525-8. PMID: 6249802 [PubMed - indexed for MEDLINE]

Hershko, A.; Ciechanover, A.; Heller, H.; Haas, A. L.; Rose, I. A.: Proposed role of ATP in protein breakdown: conjugation of protein with multiple chains of the polypeptide of ATP-dependent proteolysis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1980. Apr.; 77(4):1783-6. PMID: 6990414 [PubMed - indexed for MEDLINE]

Ciechanover, A.; Heller, H.; Elias, S.; Haas, A. L.; Hershko, A.: ATP-dependent conjugation of reticulocyte proteins with the polypeptide required for protein degradation. Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1980. Mar.; 77(3):136-58. PMID: 6769112 [PubMed - indexed for MEDLINE]
 


Természet Világa, 136. évfolyam, 2. szám, 2005. február
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/