A közös láncszem
 |
 |
| |
|
A kapcsolatteremtés, a kommunikáció az élővilágban és az emberi társadalomban egyaránt nélkülözhetetlen fontosságú. Szervezetünkön belül az idegrendszer és a hormonrendszer úgy látja el irányító szerepét, hogy a szövetek közti folyadékon (a véren, a nyirokáramon vagy az idegsejtek találkozásánál kialakuló szinaptikus résen) keresztül juttatja el az elsődleges hírvivő, üzenetközvetítő molekulákat, a hormonokat vagy a neurotranszmittereket (ingerületátvivő anyagokat) az egyes célsejtekhez. A célsejtekben a hír felfogását, ill. a sejt számára értelmes üzenetté történő lefordítását a sejten belüli jelátviteli folyamatok biztosítják. Ezekben a folyamatokban játszanak kiemelkedő és sokoldalú szerepet a GTP-kötő (G) fehérjék.
1.a ábra. A hidrofil (vízoldékony) elsődleges hírvivők jelátviteli mechanizmusa
A legtöbb elsődleges hírvivő vízoldékony
molekula, s mivel a célsejtek nagyrészt lipidekből felépülő sejtmembránján
nem képes áthatolni, ezért a membrán külső felszínén található speciális jelfogókhoz,
receptorokhoz kötődik. A sejtmembrán-receptorok fehérjék, amelyek szerkezete
a hírvivő molekula megkötésekor átalakul, a sejtmembránon átnyúló részeiken
keresztül így most már a sejten belüli térbe adják tovább az információt (1.a
ábra). Ezt a fehérjeszerkezet-változást érzékelik a jeltovábbító G-fehérjék,
amelyek a sejtmembrán belső felszínén helyezkednek el és három alegységből
állnak. Nyugalmi helyzetben a három alegység (alfa, béta és gamma) guanozin-difoszfátot
(GDP-t) köt, míg a receptoraktiválás hatására az alfa alegység ebből a
komplexből leválik és guanozin-trifoszfátot (GTP-t) köt meg. A GTP-vel
aktívvá váló G-fehérje alfa-alegység ugyancsak a membrán belső felszínén
elhelyezkedő, a sejten belüli második hírvivőket termelő enzimek működését
aktiválja vagy gátolja, így tehát megszabja a második hírvivők keletkezésének
és felszabadulásának a sebességét (1.b ábra). A ma ismert G-fehérjék
összesen mintegy húszféle altípusa elsősorban az alfa alegységekben különbözik
egymástól és így más-más enzimek aktiválására vagy akár azonos enzimek aktiválására
és gátlására is képesek. Hatásuknak az szab korlátot, hogy a megkötött GTP-t
elhasítják, és további receptorhatás hiányában visszaáll az inaktív, GDP-t
kötő G-fehérje állapot.
1.b ábra. Az adenilát cikláz enzim aktiválása, illetve gátlása révén ható hormonok (agonisták) jelátviteli mechanizmusa
Az egyik tipikus enzim, amellyel a G-fehérje aktivált alfa alegysége kapcsolatot teremt, az ATP-ből ciklikus AMP-t előállító adenilát cikláz. Az enzim aktivitása során felszabaduló cAMP fehérje-kinázokat aktivál, amelyek azután ATP-függő foszforilálással speciális célfehérjéket módosítanak. Attól függően, hogy milyen sejtfelszíni receptor aktiválódik, aktiváló (Gs) vagy gátló (Gi) G-fehérje alfa alegység válik szabaddá, ami aktiválja, ill. az utóbbi gátolja az adenilát ciklázt. A másik gyakorta szereplő, G-fehérje aktivált enzim a foszfolipáz C, amely egy membránlipid, a foszfatidil inozitol biszfoszfát (PIP2) hasítása révén két második hírvivőt állít elő, és végül a sejten belüli kalciumkoncentráció megnövekedéséhez, ill. a fehérje-kináz C enzim aktiválódásához vezet (2. ábra). Ismert azonban ma már jó néhány, sejten belüli jelátvitelre képes egyéb enzim is, amelynek aktivitása G-fehérjék révén módosítható. Végül úgy tűnik, hogy néhány membránon átívelő ioncsatorna is megnyitható a G-fehérjék aktiválásával.
2. ábra. A kalcium- és foszfolipidfüggő jelátviteli mechanizmus vázlata. Rövidítések: R: receptorfehérje, ER: endoplazmás retikulum,Gp: G-fehérje, PIP2: foszfatidilinozitol-4,5-biszfoszfát, DAG: 1,2-diacilglicerol, PLC: foszfolipáz C, IP3: inozitol-1,4,5-triszfoszfát, PKC: proteinkináz C, CaKF: kalciumkötő fehérje
A G-fehérjék aktiválódásához (az alfa alegység leválásához) vezető sejtfelszíni receptorok alapszerkezetükben igen hasonló (a sejtmembránon hétszer átívelő, ún. hét transzmembrán régiót tartalmazó) fehérjék. A sejten kívül található N-terminális részük, ill. a sejtmembránon kívül elhelyezkedő átívelő szakaszok felelősek az elsődleges hírvivők felismeréséért, míg a sejten belüli C-terminális és egyéb intracelluláris átívelő szakaszok határozzák meg a G-fehérjékkel a kapcsolatot (3. ábra). Rendkívül érdekes, hogy ez a természetben oly konzervatív receptor-szerkezet mennyi különböző jelfogó szerepet képes betölteni. Így működnek pl. az élesztőben a szex-hormonok receptorai, az emlősökben a szívműködést és a simaizom-összehúzódást befolyásoló, adrenalinhatást felfogó adrenerg receptorok, a fájdalomérzést befolyásoló, morfinhatást is érzékelő opiát receptorok, de a fényérzékelő és a szaglásunkat biztosító receptorok is.
3. ábra. A hét transzmembránszakaszt
tartalmazó receptorok két jellemző példája:
a) béta-adrenerg receptor, b) rodopszin (a szem fényérzékelő receptora)
A receptorfüggő sejten belüli jelátvitel egyik legfontosabb jellemzője az üzenet hatalmas méretű felerősítése. A sejtfelszínhez eljutó néhány hírvivő molekula vagy a szemünkbe jutó néhány fény-foton a receptorok és a sejten belüli közvetítők révén olyan enzimeket aktivál, amelyek a másodlagos hírvivők egész tömegét termelik, így az eredeti jel sorozatos lépésekben, nagyságrendekkel megsokszorozódik. Durva becsléssel azt mondhatjuk, hogy ezeknek a receptorfüggő, sejten belüli jelátviteli folyamatoknak közel egy harmadában G-fehérjék szerepelnek, és így már érthető, hogy a G-fehérjék felfedezése és tisztítása mekkora lépést jelentett mindezen folyamatok jobb megismerésében.
Martin Rodbell Nobel-díjjal jutalmazott kutatásait elsősorban a hatvanas évek végén és a hetvenes évek elején végezte az amerikai National Institute of Health (NIH) benbesdai laboratóriumaiban. Elmondása szerint kutatásait a ciklikus AMP, ill. az adenilát-cikláz enzim felfedezéséért az 1971-ben Nobel-díjat kapott Earl Sutherland munkája, ill. az abban felfedezett ellentmondás inspirálta. Sutherland és több más kutató is úgy vélte, hogy a sejtfelszíni receptorok és az adenilát cikláz egymással szoros kapcsolatban állnak, a hormon kötődése közvetlenül eredményezi az enzim akvitálódását. Rodbell viszont azt észlelte, hogy számos hormonkötő receptor egymástól függetlenül is képes adenilát cikláz aktiválására, ezért feltételezte egy közvetítő, ?átvivő molekula jelenlétét. Lutz Birnbaumer-rel, ma már hírneves kutatóvá lett egykori diákjával azt is kimutatta, hogy az adenilát cikláz hormonfüggő aktiválása GTP jelenlétét igényli. Így alakult ki Martin Rodbellnek a GTP-függő átvivő (transducer) molekulára vonatkozó, oly sok korabeli kutató ellenkezését kiváltó elmélete.
A hipotézis legfontosabb bizonyítékát elsősorban a másik 1994-es orvosi Nobel-díjas Alfred Gilman és munkatársai szolgáltatták. A receptortól az adenilát-ciklázhoz az információt átvivő molekulát keresve, a Virginiában Charlottsville-ben dolgozó Gilman és munkatársa, Elliott Ross, a sejtmembrán alkotórészeit vizsgálva megállapították, hogy a Rodbell-féle hírvivő egy GTP- kötő fehérje. A most már G-fehérjének elnevezett, igen kis mennyiségben előforduló és rendkívül érzékeny fehérjét végül is több~éves munkával (az eredményeket 1980-ban közölték) Gilman munkatársai, Paul Sternweis és John Northup tisztították meg. Azóta derült ki a fehérje három komponensének szerepe, nagyfokú variabilitása és sokoldalú működése. Ma már ezeket az eredetileg megismert G-fehérjéket szokás nagy-G-fehérjének vagy heterotrimer G-fehérjének is nevezni, hiszen bebizonyosodott, hogy a GTP-kötő fehérjék egy másik családja is alapvető szerepet játszik a sejten belüli jelátvitelben. Ezek a kis-G-fehérjék általában a tirozinkináz enzimek működését módosítják, és fontos szerepük van a sejtosztódás szabályozásában.
Rodbell és Gilman felfedezése tehát egész lavinát indított el, ezért is talált 1994-es Nobel-díjuk az egész szakma egyetértő elismerésére. Hogy ezek az alapkutatásban elért felismerések fontos gyakorlati eredményeket is hoztak az orvostudományba, azt mi sem bizonyítja jobban, mint hogy több betegség mechanizmusát, ill. kezelési lehetőségét sikerült a G-fehérjék működése nyomán megérteni. Kiderült, hogy a korunkban is újra terjedő kolera toxinja éppen az adenilát cikláz aktivitását fokozó G-fehérje működését módosítja. A toxin hatására a Gs alfa alegység folyamatosan aktivált állapotba kerül, az adenilát cikláz folyamatosan termeli a ciklikus AMP-t, amely azután fokozott só- és vízkiáramlást eredményez a bél hámsejtjeiből. Ez a hatás okozza a súlyos kiszáradást, a csecsemőkben vagy a legyengült szervezetben végzetessé is válható kolerás hasmenést. A szamárköhögés toxinja ugyancsak G-fehérjére hat, a Gi fehérje alfa alegységét teszi működésképtelenné. Néhány onkogénről, a daganatok keletkezéséért fe~le~lős génről kiderült, hogy kórosan elváltozott (kis)G-fehérjetermelést s így azok szabályozatlan működését eredményezi.
Alfred Gilman ma Dallasban, a Texas
Southwestern Medical Center farmakológus professzora, Martin Rodbell pedig
a North Carolina-i Research Triangle Parkban az NIEHS (National Institute
for Environmental Health Sciences) munkatársa. Az amerikai "Dél" őszintén
barátságos és nyílt kedélyét képviselő Rodbell a Magyar Tudományos Akadémia
meghívására kutatásairól néhány éve Budapesten is tartott egy magával ragadó,
nagyszerű előadást.
A mellékelt ábrák Ganong: "Az
orvosi élettan alapjai" (Medicina, 1994) és Katzung: "Basis of Clinical Pharmacology"
(Lange, 1992) című könyve alapján készültek.