Strona główna

Archiwum z roku 2002

Spis treści numeru 12/2002

Odkryta tajemnica cystatyny
Poprzedni Następny

Badania naukowe

Pamiętam moment, kiedy zrozumieliśmy, co kryształy cystatyny C 
chcą nam powiedzieć. Było to olśnienie, niepowtarzalny moment 
zrozumienia tajemnicy. Chwile takie zdarzają się niekiedy badaczom 
i to one sprawiają, że nasza praca nie ma sobie równej.

Rozmowa z prof. Mariuszem Jaskólskim, chemikiem,
laureatem Nagrody FNP 2002
w dziedzinie nauk przyrodniczych i medycznych

Fot. Stefan Ciechan

Prof. dr hab. Mariusz Jaskólski (ur. 1952), chemik. Studia chemiczne w UAM w Poznaniu. Doktorat 1979, habilitacja 1985, profesura 1997. Zajmuje się badaniami w zakresie krystalografii organicznej i chemii strukturalnej. Profesor w Zakładzie Krystalografii na Wydziale Chemii UAM. Pracował w Narodowym Instytucie Raka w USA. Współautor odkrycia struktury proteazy wirusa HIV oraz asparaginazy – leku przeciwbiałaczkowego. W 1994 założył pierwsze w Polsce laboratorium krystalografii białek – Centrum Badań Biokrystalograficznych w Poznaniu (kieruje nim do dziś). 1995-2002 realizował grant Howard Hughes Medical Institute w USA. W 2001 odkrył zjawisko wymiany domen strukturalnych w ludzkiej cystatynie C, białku tworzącym agregaty amyloidowe w mózgu. 
Autor lub współautor ponad 180 prac naukowych. Członek korespondent PAN (od 2002), laureat wielu nagród, wyróżnień i tytułów naukowych. Nagrodę FNP 2002 w dziedzinie nauk przyrodniczych i medycznych otrzymał za wyjaśnienie sposobu powstawania agregatów amyloidowego białka ludzkiego – cystatyny C.

Otrzymał Pan Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Wyróżnienie to jest uwieńczeniem badań nad powstawaniem agregatów amyloidalnego białka ludzkiego – cystatyny C. Od kiedy je prowadzono i co było impulsem do ich rozpoczęcia?
– Ludzka cystatyna C trafiła w nasze ręce w 1996 r. Otrzymaliśmy ją z Zakładu Chemii Klinicznej uniwersytetu w szwedzkim Lund w ramach szerszej współpracy, zainicjowanej przez prof. Zbigniewa Grzonkę z Uniwersytetu Gdańskiego. Badania dotyczyły możliwości kontroli agresywnych enzymów proteolitycznych, trawiących inne białka w takich chorobach, jak osteoporoza czy zanik mięśni. W tym multidyscyplinarnym zespole jedynie moja grupa prowadziła badania krystalograficzne struktury białek. Szwedzi zwrócili się do nas o ustalenie struktury cystatyny C, naturalnego inhibitora tych proteaz, aby dzięki temu zespół prof. Grzonki mógł racjonalnie projektować leki syntetyczne.

– Jaką rolę w naszym organizmie spełnia cystatyna? W jakich procesach bierze udział, gdzie się znajduje, za jakie funkcje odpowiada?
– Cystatyna C jest wszechobecna w płynach ustrojowych, gdzie jej rolą jest ochrona przed atakiem proteaz, wydzielanych np. przez bakterie. Szczególnie dużo cystatyny C znajduje się w płynie mózgowo-rdzeniowym. Przypuszczamy, że jest tam strażnikiem ośrodkowego układu nerwowego. Aby tę funkcję mogła pełnić skutecznie, musi występować w formie pojedynczych cząsteczek. Nie zawsze jednak posiada tę fizjologicznie poprawną formę. U Islandczyków z drobnym defektem genetycznym, powodującym, że zaledwie jedno ogniwo w jej 120-elementowym łańcuchu jest zmienione, białko to spontanicznie przyjmuje postać wadliwą, wynikającą z silnej skłonności zmutowanych cząsteczek do zlepiania się. „Zlepki” wielu molekuł nazywamy agregatami. W przypadku cystatyny C są one tworami patologicznymi. Jeśli agregacja ma charakter regularny i przebiega „bez końca”, może prowadzić do tworzenia się włókien zwanych amyloidami. Tak jest właśnie w przypadku zmutowanej cystatyny C, której złogi blokują naczynia krwionośne mózgu, prowadząc do krwotoków i w rezultacie do wczesnej śmierci. Agregaty białkowe mogą być też mniejsze, złożone np. z dwu cząsteczek. Nazywamy je wówczas dimerami. Powstawaniu złogów cystatyny C towarzyszy obecność dimerów, które są m.in. wykorzystywane w diagnostyce tej choroby. Amyloidoza krwotoczna, pochodząca od zmienionej cystatyny C, znana była już od lat. Stosunkowo niedawno natomiast odkryto, iż także niezmutowana cystatyna wykazuje skłonność do agregacji. Ten proces jest jednak znacznie wolniejszy i złogi amyloidu pojawiają się w mózgu dopiero w podeszłym wieku.

– Istotą Pańskich badań było wyjaśnienie powstawania tych agregatów. Proszę więc przybliżyć efekty pracy Pańskiego zespołu.
– Agregaty niezmutowanej, tj. „normalnej” cystatyny C, odkryto niedawno. Wiedza na temat ich struktury molekularnej była jednak skąpa, gdyż białko to opierało się próbom określenia jego budowy przestrzennej metodami krystalograficznymi. Nasze zainteresowanie strukturą cystatyny C początkowo wiązało się z jej fizjologiczną, monomeryczną formą. Próby uzyskania cystatyny C w formie krystalicznej, niezbędnej do dalszych badań, długo nie dawały rezultatów. Pomógł przypadek, który spowodował, iż nagle nasze badania uzyskały zupełnie nową perspektywę. Przypadek wiązał się z pomyłką magistrantki, która w konsekwencji doprowadziła do uzyskania pięknych kryształów cystatyny C. Jednak, gdy określiliśmy ich strukturę okazało się, iż zbudowane są nie z oczekiwanego przez nas monomerycznego białka, lecz z jego dimerów. Najbardziej zaskakująca była ich architektura, sugerująca sposób powstawania. Otóż zasadza się ona na wymianie domen przestrzennych, polegającej na częściowym rozpleceniu łańcuchów białkowych, które wracając do formy przypominającej stan początkowy odtwarzają ją w sposób nieprawidłowy, gdyż z elementów pochodzących z kilku cząsteczek. Powstają więc „przeplecione” agregaty. Zjawisko wymiany domen przestrzennych odkryto kilka lat temu. Nigdy dotąd nie zaobserwowano go jednak w białkach amyloidogennych, choć istniały domysły, iż może ono być mechanizmem molekularnym w amyloidogenezie. Hipotezę taką postawił m.in. twórca teorii prionu Stanley Prusiner.

– Co stało dotychczas na przeszkodzie w rozwikłaniu tych problemów?
– Podstawową bolączką była początkowa niemożność wykrystalizowania cystatyny. Z dzisiejszej perspektywy uważam, że ten długi okres niepowodzeń w konsekwencji przyczynił się do naszego odkrycia. Dzisiaj wiadomo już, iż transformacji białek w formy zagregowane sprzyja czas. Przygotowana do krystalizacji cystatyna C posiadała podwyższone stężenie i nieco zakwaszone środowisko. Obecnie są to klasyczne czynniki stosowane w badaniach agregacji białek. Druga trudność wiązała się z etapem rozwiązywania struktury naszych kryształów. W krystalografii „rozwiązanie” struktury każdego kryształu jest odkryciem czegoś nowego, czego nie oglądało jeszcze oko ludzkie. W niektórych sytuacjach można jednak z rozsądnym prawdopodobieństwem spodziewać się określonego wyniku. W naszym przypadku oczekiwaliśmy w krysztale pojedynczych cząsteczek cystatyny. Przez dość długi czas staraliśmy się interpretować wyniki przez pryzmat założonej koncepcji. Natura jednak uparcie mówiła „nie”. Pamiętam moment, kiedy zrozumieliśmy, co kryształy cystatyny C chcą nam powiedzieć. Było to olśnienie, niepowtarzalny moment zrozumienia tajemnicy. Chwile takie zdarzają się niekiedy badaczom i to one sprawiają, że nasza praca nie ma sobie równej.

– W uzasadnieniu decyzji FNP czytamy, iż prowadzone przez Pana badania „w znaczącym stopniu pozwolą zrozumieć mechanizmy niektórych schorzeń mózgu człowieka”. O jakie schorzenia chodzi?
– Chodzi o amyloidozy. Znamy kilka groźnych chorób, które wiążą się z uszkodzeniem tkanki mózgowej w efekcie powstania złogów amyloidowych. Oprócz amyloidozy krwotocznej cystatyny C można wymienić chorobę Alzheimera oraz encefalopatie gąbczaste, związane z białkami prionowymi, takie jak choroba Creutzfeldta-Jakoba czy jej warianty pochodzące od BSE. Choroby te powodowane są przez różne białka, ale ich mechanizm molekularny jest prawdopodobnie zbliżony. Nasze odkrycie nie tyle pozwala zrozumieć przyczynę tych patologii, ile wskazuje na możliwy mechanizm molekularny prowadzący do przyjmowania przez odpowiedzialne za nie białka wadliwej formy.

– Czy efekty badań pozwolą też na wyeliminowanie tych schorzeń, na możliwość ingerencji w nieprawidłowe funkcjonowanie mózgu człowieka?
– Mówimy tu nie tyle o nieprawidłowym funkcjonowaniu mózgu, co raczej o „brutalnym”, fizycznym niszczeniu jego tkanki przez amyloid. Zrozumienie mechanizmu powstawania amyloidu jest z pewnością kluczową sprawą, jeśli chodzi o próby zapobiegania tym zjawiskom. Droga do celu nie musi być jednak ani krótka, ani prosta, choćby dlatego, iż oprócz wymiany domen przestrzennych mogą istnieć jeszcze inne mechanizmy agregacji amyloidowej. Niemniej, mając dobry, bo określony z dokładnością atomową, model tych przemian, możemy do zagadnienia przeciwdziałania tym patologiom podejść w sposób racjonalny, tj. oparty na solidnej bazie strukturalnej. Gdy znane są podstawy strukturalne zjawisk patologicznych, proces poszukiwania leków można porównać z precyzyjnym strzelaniem logicznie dobieranymi pociskami do dobrze zdefiniowanej tarczy. W przeciwnej sytuacji poruszamy się po omacku, na „chybił-trafił”. Strzelamy na oślep, nie wiedząc, jak wygląda nasz cel.

– Ze względu na opisane schorzenia mniemam, iż w badaniach równie ważna jak wyjaśnienie sposobu powstawania tych agregatów była strona aplikacyjna.
– Prowadzone przez nas badania struktury białek metodami krystalograficznymi mają przede wszystkim charakter poznawczy, podstawowy. W przypadku cystatyny C rzeczywiście występował również aspekt aplikacyjny. Jednak, jak wspomniałem na początku, dotyczył on fizjologicznej funkcji tego białka, tj. inhibicji enzymów proteolitycznych. Wyjaśnienie sposobu dimeryzacji cystatyny było odkryciem w pełnym tego słowa znaczeniu, bo nieoczekiwanym. Oczywiście, odkrycie to skupiło nasze zainteresowanie cystatyną C na jej skłonności do agregacji, choć bynajmniej nie odeszliśmy od wątku „inhibitorowego”.

– Jakie korzyści niesie zastosowanie wyników badań pańskiego zespołu np. w medycynie lub naukach pokrewnych? Czy można przypuszczać, iż efekty badań będą adaptowane na grunt innych dyscyplin?
– Trudno mówić o przenoszeniu wyników naszych badań na grunt innych nauk, choć można sobie np. wyobrazić, że nasz wkład do wiedzy o wymianie domen przestrzennych w białkach stanie się kiedyś przydatny przy projektowaniu układów makromolekularnych o zdolnościach do samoorganizacji. W tej futurystycznej wizji zjawisko wymiany domen przestrzennych, w kontekście cystatyny C postrzegane jako negatywne, mogłoby zostać wykorzystane np. do uzyskiwania nowych materiałów o atrakcyjnych właściwościach. Jest jednak oczywiste, że w chwili obecnej nasze odkrycie może mieć największe znaczenie w medycynie. Poznanie mechanizmu agregacji cystatyny C podpowiada, jak możemy próbować wpływać na przebieg tego procesu. Również w naszym zespole podejmujemy kroki w tym kierunku. Sugerujemy kolegom w Lund, jakie mutacje w sekwencji cystatyny powinny wzmagać lub hamować jej agregację. Wraz z uczonymi z Gdańska myślimy o małych cząsteczkach, potencjalnych lekach, które mogłyby przeciwdziałać agregacji. Nasze zainteresowania dotyczą obecnie cystatyny C, ale osadzone są w ogólnym kontekście białek amyloidogennych.

– Prowadzone przez Pana badania dały przełomowe wyniki. Jaka była reakcja świata naukowego?
– Nasze odkrycie opisaliśmy w kwietniowym numerze czasopisma „Nature Structural Biology” z 2001 r. W tym samym zeszycie pojawił się obszerny komentarz dyskutujący, na podstawie m.in. naszego artykułu, potencjalne znaczenie zaobserwowania wymiany domen strukturalnych w białku amyloidogennym w innych patologiach konformacyjnych, takich jak choroba Creutzfeldta-Jakoba. Równocześnie najbardziej prestiżowe w naukach przyrodniczych czasopismo „Nature” zamieściło w przeglądzie najważniejszych wydarzeń miesiąca notatkę o powyższym odkryciu. Przedstawione przez nas obserwacje i hipotezy uzyskały bardzo silne wsparcie, gdy pół roku później zespół badaczy amerykańskich doniósł o odkryciu analogicznego mechanizmu agregacji poprzez wymianę domen strukturalnych w powszechnie znanym amyloidogennym ludzkim białku prionowym. Doniesienie to ugruntowało pozycję polskiego odkrycia, a nasza praca stała się podstawowym odnośnikiem w dysertacjach naukowych o wymianie domen strukturalnych w chorobach związanych z patologiami konformacyjnymi białek. Znalazło to swoje odzwierciedlenie w artykule redakcyjnym „Nature Structural Biology” podsumowującym najważniejsze osiągnięcia na gruncie biologii strukturalnej w 2001 roku. Artykuł nasz został tam wymieniony na drugim miejscu, w grupie sześciu „struktur roku”.

– Wspominał Pan o współpracy ze Szwedami. Czy w trakcie badań kooperowano także z innymi zagranicznymi ośrodkami?
– Nasi koledzy w Szwecji byli znakomitym źródłem informacji o patologiach związanych z cystatyną, w szczególności o genetycznie uwarunkowanej amyloidozie krwotocznej na Islandii. Kontekst międzynarodowy, choć już nie w aspekcie współpracy, mają też wykonywane przez nas doświadczenia dyfrakcyjne, dające podstawę do oznaczenia struktury kryształu. Nowoczesna biokrystalografia coraz bardziej odchodzi od słabych, laboratoryjnych źródeł promieniowania rentgenowskiego, a wykorzystuje w zamian promieniowanie generowane w potężnych cyklotronach, zwanych synchrotronami. Dzisiejsze synchrotrony to gigantyczne „fabryki fotonów”. Jest ich na świecie niewiele, stać na nie tylko najbogatsze państwa. Urządzeń synchrotronowych w Polsce nie ma, ale w Europie jest ich kilka. Nasz zespół ma do nich dostęp, m.in. w Niemczech, Szwecji, Francji. Umiemy z nich korzystać i ośrodki te chętnie oferują nam możliwość prowadzenia pomiarów. Otrzymujemy nawet dotacje z Unii Europejskiej na wyjazdy badawcze. Badania dyfrakcyjne naszych kryształów cystatyny C prowadziliśmy w niemieckim ośrodku synchrotronowym DESY w Hamburgu, korzystając z urządzeń Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej. Uwag o współpracy nie powinniśmy przy tym ograniczać jedynie do kontekstu zagranicznego. Wspomniałem o tym na początku, ale podkreślę jeszcze raz, że nasze badania strukturalne cystatyny są ściśle wplecione w niezwykle owocną współpracę z kolegami z Uniwersytetu Gdańskiego. Swoje wyróżnienie Fundacja przyznaje jednej osobie, ale moją nagrodę wypracowało wiele osób. Jestem im za to, a także za niepowtarzalną atmosferę udanej współpracy, bardzo wdzięczny.

Rozmawiał 
Konrad Schneider

 

Komentarze