Nobel Ιατρικής και Φυσιολογίας 2009

Ο Juan Ponce de Leon, ο πρώτος κυβερνήτης του Πουέρτο Ρίκο, κατέχει μια θέση στην παγκόσμια μυθοπλασία ως το άτομο που ανάλωσε τη ζωή του αναζητώντας την πηγή της αιώνιας νεότητας στις ζούγκλες της Αμερικής τον 16ο αιώνα. Η ειρωνεία βρίσκεται στο ότι το μυστικό της αθανασίας κρυβόταν στις ταπεινές πηγές τις φυτείας του και για την ακρίβεια στον μικροοργανισμό Tetrahymena που αναπτύσσεται στο νερό τους.

Γράφει ο
Εμμανουήλ Παπαδάκης
Παθολόγος, ΥΓΕΙΑ

Τo βραβείο Νόμπελ στη Φυσιολογία και την Ιατρική για το 2009 απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες (στην Elizabeth H. Blackburn, στην Carol W. Greider και στον Jack W. Szostak) που εξήγησαν με ποιον τρόπο τα χρωμοσώματα μπορούν να αντιγράφονται πλήρως κατά την κυτταρική διαίρεση και πώς προστατεύονται από τον κατακερματισμό τους από τις νουκλεάσες των κυττάρων. Οι επιστήμονες αυτοί έδειξαν ότι η απάντηση βρίσκεται στα άκρα των χρωμοσωμάτων -τα τελομερίδια (telomeres)- και στο ένζυμο που τα συνθέτει – την τελομεράση (telomerase).

Τα τελομερίδια είναι καλύμματα νουκλεοτιδικών αλληλουχιών στα άκρα των χρωμοσωμάτων (εικόνα 1). Η Elizabeth Blackburn και ο Jack Szostak ανακάλυψαν ότι η αλληλουχία αυτή του DNA στα τελομερίδια είναι συγκεκριμένη και προστατεύει τα χρωμοσώματα από την καταστροφή. Η Carol Greider και η Elizabeth Blackburn ανακάλυψαν την τελομεράση, το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση των τελομεριδίων.

Η σταδιακή βράχυνση της αλληλουχίας των τελομεριδίων οδηγεί τα κύτταρα στη γήρανση. Αντίθετα, εάν η δραστηριότητα της τελομεράσης παραμένει υψηλή, το μήκος των τελομεριδίων διατηρείται και η κυτταρική γήρανση καθυστερεί. Αυτό συμβαίνει στα καρκινικά κύτταρα τα οποία φαίνεται ότι με τον τρόπο αυτό έχουν εξασφαλίσει την αιώνια ζωή. Ελαττωματική λειτουργία της τελομεράσης παρατηρείται και σε ορισμένες κληρονομικές ασθένειες που χαρακτηρίζονται από πρώιμη γήρανση.

Ήδη από τη δεκαετία του ?30 ο Hermann Muller (βραβείο Νόμπελ 1946) και η Barbara McClintock (βραβείο Νόμπελ 1983) είχαν παρατηρήσει ότι οι δομές στις άκρες των χρωμοσωμάτων, τα αποκαλούμενα τελομερίδια, φαίνεται να αποτρέπουν τα χρωμοσώματα να ενώνονται το ένα με το άλλο. Πρότειναν ότι τα τελομερίδια θα μπορούσαν να έχουν έναν προστατευτικό ρόλο, αλλά ο μηχανισμός πίσω από αυτόν τον ρόλο παρέμενε αδιευκρίνιστος.

Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν την αντιγραφή του DNA στη δεκαετία του ?50 προέκυψε και ένα άλλο πρόβλημα. Κατά την κυτταρική διαίρεση οι DNA πολυμεράσες δεν θα μπορούσαν να αντιγράψουν το DNA μέχρι το άκρο της 3΄ αλυσίδας. Έτσι, με κάθε κυτταρική διαίρεση θα προέκυπταν συνεχώς βραχύτερα χρωμοσώματα. Την ερμηνεία του τρόπου με τον οποίο το κύτταρο ξεπερνά αυτόν τον περιορισμό δόθηκε από τους επιστήμονες που έλαβαν το φετινό βραβείο Νόμπελ.

Στην πρώιμη φάση της ερευνητικής της σταδιοδρομίας, η Elizabeth Blackburn (εικόνα 2) ασχολήθηκε με τη χαρτογράφηση αλληλουχιών DNA. Κατά τη μελέτη των χρωμοσωμάτων του Tetrahymena, ενός μονοκύτταρου βλεφαριδοφόρου οργανισμού που αναπτύσσεται στο νερό των πηγών, προσδιόρισε ακολουθία DNA που επαναλαμβανόταν αρκετές φορές στα άκρα των χρωμοσωμάτων. Η λειτουργική σημασία αυτής της ακολουθίας, CCCCAA, δεν ήταν σαφής. Συγχρόνως, ο Jack Szostak (εικόνα 3) είχε κάνει την παρατήρηση πως όταν ένα γραμμικό μόριο DNA (τεχνητά μικροχρωμοσώματα) εισάγεται σε κύτταρα ζυμομυκήτων (yeast) κατακερματίζεται ταχύτατα.

H Blackburn παρουσίασε τα αποτελέσματά της σε ένα συνέδριο το 1980. Τα ευρήματά της προσέλκυσαν το ενδιαφέρον του Jack Szostak και αποφάσισαν μαζί να εκτελέσουν ένα πείραμα που θα ξεπερνούσε τα όρια μεταξύ πολύ απόμακρων φυλογενετικά ειδών (εικόνα 1β). Την ακολουθία CCCCAA από το τελομερές DNA του Tetrahymena, που απομόνωσε η Blackburn, ο Szostak τη συνέδεσε με τα γραμμικά μόρια DNA που είχε χρησιμοποιήσει σε προηγούμενα πειράματά του και στη συνέχεια τα εισήγαγε πάλι στα κύτταρα των ζυμομυκήτων. Τα αποτελέσματά τους που δημοσιεύτηκαν το 1982 ήταν εντυπωσιακά – η ακολουθία του τελομερούς DNA προστάτευε το γραμμικό DNA από την καταστροφή.

Η Carol Greider (εικόνα 4), μεταπτυχιακή φοιτήτρια τότε στο εργαστήριό της, και η Blackburn άρχισαν να μελετούν εάν η σύνθεση των τελομεριδίων θα μπορούσε να γίνεται από ένα άγνωστο μέχρι εκείνη τη στιγμή ένζυμο. Την ημέρα των Χριστουγέννων του 1984 η Greider παρατήρησε σημάδια ενζυμικής δραστηριότητας με αυτό σε ένα εκχύλισμα κυττάρων. Η Greider και η Blackburn απέδωσαν τη συγκεκριμένη δραστηριότητα σε ένα ένζυμο που ονομάστηκε τελική τρανσφεράση των τελομεριδίων (TELOMere terminal transfERASE – telomerase), το απομόνωσαν σε καθαρή μορφή και έδειξαν ότι αποτελείται από πρωτεΐνη αλλά και από RNA (εικόνα 1γ). Το RNA αυτό περιλαμβάνει την ακολουθία CCCCAA και χρησιμεύει ως πρότυπο για τη σύνθεση της αλληλουχίας των τελομεριδίων, ενώ το πρωτεϊνικό κομμάτι παρέχει τον ενζυμικό μηχανισμό. Η τελομεράση επεκτείνει το DNA των τελομεριδίων, παρέχοντας έτσι το πρότυπο που επιτρέπει στις DNA πολυμεράσες να αντιγράψουν ολόκληρο το μήκος του χρωμοσώματος χωρίς να παραλείπουν και το έσχατο άκρο του.
Η επιστημονική έρευνα στράφηκε στη συνέχεια στην αναζήτηση πιθανών ρόλων που τα τελομερίδια διαδραματίζουν στο κύτταρο. Η ομάδα του Szostak ανακάλυψε κύτταρα ζυμομυκήτων που έφεραν μεταλλάξεις οι οποίες οδηγούσαν σε βαθμιαία βράχυνση των τελομεριδίων. Τα κύτταρα αυτά παρουσίαζαν μειωμένη ανάπτυξη και τελικά σταματούσαν να διαιρούνται. Η Blackburn και οι συνεργάτες της προκαλώντας μεταλλάξεις στο RNA της τελομεράσης παρατήρησαν ανάλογα αποτελέσματα στα Tetrahymena. Και στις δύο περιπτώσεις αυτό οδηγούσε σε πρώιμη κυτταρική γήρανση. Αντίθετα, τα λειτουργικά τελομερίδια απέτρεπαν τη χρωμοσωμική βλάβη και καθυστερούσαν την κυτταρική γήρανση.

Αργότερα, η ομάδα της Greider έδειξε ότι η τελομεράση μπορεί να καθυστερεί επίσης τη γήρανση και στα ανθρώπινα κύτταρα. Η έρευνα έδειξε ότι η ακολουθία του DNA στα τελομερίδια προσελκύει πρωτεΐνες που διαμορφώνουν ένα προστατευτικό κάλυμμα γύρω από τις εύθραυστες άκρες των αλυσίδων του DNA.
Αυτές οι ανακαλύψεις άσκησαν σημαντικότατη επίδραση εντός της επιστημονικής κοινότητας. Πολλοί επιστήμονες διατύπωσαν την υπόθεση ότι η βράχυνση των τελομεριδίων θα μπορούσε να αποτελεί τον μηχανισμό γήρανσης όχι μόνο για τα μεμονωμένα κύτταρα αλλά και συνολικά για τον οργανισμό. Ωστόσο, η διαδικασία της γήρανσης έχει αποδειχθεί περισσότερο σύνθετη και εξαρτώμενη από πολλούς διαφορετικούς παράγοντες, με τα τελομερίδια να είναι ένας από αυτούς. Η έρευνα σε αυτόν τον τομέα συνεχίζεται με εντατικούς ρυθμούς.

Τα περισσότερα κύτταρα του οργανισμού δεν διαιρούν¬ται με μεγάλη συχνότητα και επομένως τα χρωμοσώματά τους δεν βρίσκονται σε ιδιαίτερο κίνδυνο βράχυνσης και δεν απαιτούν υψηλή δραστηριότητα τελομεράσης. Αντίθετα, τα καρκινικά κύτταρα έχουν τη δυνατότητα να διαιρούνται επ? άπειρον, διατηρώντας τα τελομερίδιά τους. Πώς αποφεύγουν την κυτταρική γήρανση; Εξήγηση δόθηκε με τη διαπίστωση ότι τα καρκινικά κύτταρα συχνά έχουν αυξημένη δραστηριότητα τελομεράσης. Προτάθηκε επομένως ότι ο καρκίνος θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με την αδρανοποίηση της τελομεράσης. Σειρά μελετών είναι εν εξελίξει, συμπεριλαμβανομένων κλινικών δοκιμών, για την αξιολόγηση εμβολίων που κατευθύνονται ενάντια σε κύτταρα με υψηλή δραστηριότητα τελομεράσης (π.χ. GRNVAC1).

Μερικές κληρονομικές ασθένειες είναι τώρα γνωστό ότι προκαλούνται από δυσλειτουργία της τελομεράσης, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων μορφών συγγενούς απλαστικής αναιμίας, στην οποία οι ανεπαρκείς κυτταρικές διαιρέσεις στα αρχέγονα κύτταρα του μυελού των οστών οδηγούν σε σοβαρή αναιμία. Ορισμένες κληρονομικές ασθένειες του δέρματος (Dyskeratosis congenita) προκαλούνται επίσης από δυσλειτουργία της τελομεράσης.