Testowanie wyobraźni biologa

Naukowcy znają schematy przekształceń wielu cząsteczek w komórkach. Jednym z nich jest utlenianie glukozy w szlaku zwanym glikolizą – pierwszym etapem oddychania komórkowego. Każdy następujący po sobie krok zmian strukturalnych glukozy jest wytłumaczalny i można go rozsądnie wyprowadzić z kroku poprzedzającego. Znamy jego sens biologiczny, którym jest doprowadzenie do produkcji cząsteczek niosących energię – ATP. Przeglądając schemat szlaku w podręcznikach, mamy wrażenie kompletności wiedzy – cząsteczki świetnie odnajdują się w przypisanej roli. To tylko częściowa prawda.

Przełom w postrzeganiu szlaku ma swój początek w latach 80 XX wieku. Wtedy to Joram Piatigorsky i Graeme Wistow badali krystaliny. Tak nazywają się białka stanowiące główny składnik soczewki oka kręgowców. Okazało się, że te strukturalne składniki mogą być wcześniej scharakteryzowanymi enzymami. Jedna z nich została zidentyfikowana jako tożsama z enzymem glikolitycznym – enolazą. Molekuła znana jest już od 1934 roku, a jej zadaniem jest przeprowadzanie jednej z 10 reakcji szlaku. Odpowiada za odwracalną przemianę 2-fosfoglicerynianu do fosfoenolopirogronianu. Jak widać, nie tylko.

Z czasem enzym ten okazał się pracować także w innych miejscach, gdzie także spełnia zgoła inne funkcje niż z dawien dawna ugruntowana. Jedną z nich jest ochrona komórek w stresie wynikającym z niedoboru tlenu. Gdy we wrażliwych na braki gazu, jak śródbłonek naczyń, metabolizm przełącza się na beztlenowy, wówczas jednym z adaptacyjnych mechanizmów ochronnych jest nadekspresja enolazy. Ta działa jako jedno z pięciu białek szoku hipoksyjnego (HAPs). Inną funkcją, którą pokazano na komórkach raka szyjki macicy (HeLa) jest regulowanie protoonkogenu c-myc – regulatora m.in cyklu komórkowego czy adhezji komótrek. Enolaza pod nazwą MBP1 (Myc-binding protein-1), pracując w jądrze komórkowym, obniża jego aktywność. Ponadto to glikolityczne białko wyeksponowane na powierzchni komórek nabłonka, fibroblastów czy śródbłonka wiąże plazminogen. Cząsteczka ta produkowane przez jest przez wątrobę i wydzielana następnie do osocza jako prekursor plazminy. Ta po aktywacji bierze udział w wielu procesach zewnątrzkomórkowych. Główną jej funkcją jest upłynnianie skrzepu poprzez degradację wchodzącego w jej sieci białka – fibryny.

Enolaza została zakwalifikowana do rosnącej grupy białek zwanych moonlighting, której bezpośrednie tłumaczenie to “dorabiające na boku” a nieco bardziej finezyjne “białka chałturzące”. Należą do nich cząsteczki, które pierwotnie posiadały jedną funkcję, ale ewolucja wyposażyła je w kolejne, które ujawniają w innej lokalizacji niż podstawowa. Co ważne aktywności te kryją się w jednym, tym samym łańcuchu molekuły, a nie wynikają np. z alternatywnego składania białka czy fuzji dwóch genów kodujących cząsteczki o dwóch różnych funkcjach. Aktualnie znanych są setki białek pochodzących z wielu organizmów i posiadających rozmaite dodatkowe funkcje m.in ułatwiające patogenezę wielu mikroorganizmom.

Samobójcza, źródłem pożywienia i regulacji

Biolodzy przez wiele dziesiątek lat byli przyzwyczajeni, że śmierć komórek ma sens, jeśli dotyczy takiej, która jest budulcem organizmu wielokomórkowego. Wtedy oddanie życia pozwala między innymi na formowanie narządów podczas embriogenezy. Jest też nieodłączną częścią działania układu odpornościowego, który w ten sposób usuwa autoreaktywne limfocyty T, mogące atakować macierzysty organizm. Powoli stawało się jasne, że zysk ze śmierci komórkowej nie występuje tylko u złożonych stworzeń, ale również jednokomórkowych mikroorganizmów takich jak bakterie. Te mimo, że są z pozoru wolnymi indywiduami, żyją przecież w społecznościach połączonych nie tylko strukturalnie ale i funkcjonalnie poprzez wzajemne regulacje. Taka organizacja mniej czy bardziej przypomina prymitywną tkankę.

Żyjąc w zgromadzeniu komórki bakterii poświęcają swoje życie podczas wielu sytuacji. Może dziać się to między innymi podczas braku wystarczającej ilości pożywienia. Taki bieg wydarzeń obserwuje się np. u bakterii Bacillus subtilis, czyli laseczki siennej. Mikroorganizm ten żyje m.in w górnych warstwach gleby a w odpowiedzi na trudne warunki życiowe produkuje endospory – twarde struktury, w których może przetrwać. Śmierć jest nieodłączną częścią tego procesu.

Gdy dojdzie do tworzenia form przetrwalnych, poświęcają się zarówno niezarodnikowe komórki, aby zapewnić substancje odżywcze do rozwoju endospory, jak również komórka macierzysta. To jej wnętrze jest miejscem rozwoju formy przetrwalnikowej, która w końcu musi przecież zostać uwolniona. Oddanie życia możliwe jest dzięki produkcji bakteriocyn i hydrolaz peptydoglikanu, które niszczą odpowiednio błonę i ścianę komórkową bakterii, które poświęciły się dla dobra ogółu.

Podczas braku pożywienia, śmierć komórek ma również funkcję regulacyjną. Część z mikroorganizmów umiera stając się pokarmem dla innych, aby spróbować zahamować tworzenie zarodników. Gdyby brakło pożywienia i wszystkie weszły w ten stan uśpienia, powrót do formy wegetatywnej były długotrwały i mozolny. Poświęcenie części z komórek i ich “kanibalizm” potrafi powstrzymać bakterie przed tym niekorzystnym ruchem.

Poświęcenie dla oporności

Poświęcenie widzimy też u Streptococcus pneumonie – dwoinki zapalenia płuc, która może powodować wiele rodzajów zakażeń. Na niechybną śmierć delegowana jest pewna część komórek siostrzanych oraz blisko spokrewnionych gatunków bakterii, które zdecydowały się współtworzyć społeczność. Ofiara jest potrzebna aby zwiększyć szanse przetrwania pozostałych np. podczas terapii antybiotykami.

Wtedy to wytypowane do przeżycia mikroorganizmy wchodzą w stan kompetencji, który pozwala na przyjęcie DNA ze środowiska zewnętrznego. Jednocześnie produkują one substancje, które “przekonują” pozostałych współtowarzyszy do oddania swojego życia. Mikrobiologicznie samobójcy odpowiadając na wezwanie produkują hydrolazę CbpD, która rozpuszcza główny składnik ściany komórkowej oraz aktywuje dwa podobne enzymy. To wzmacnia destrukcyjny efekt. Dotarcie hydrolaz do ściany komórkowej możliwe jest dzięki bakteriocynom (CibA i CibB), które formują pory w błonie komórkowej. W efekcie, materiał genetyczny zostaje wyrzucony na zewnątrz i wykorzystany przez tych, którzy przeżyli. Dzięki temu procesowi mogą one nabyć m.in geny oporności na antybiotyki.

Nieznajomość anatomii

Myśląc na temat mikroorganizmów moglibyśmy racjonalizować wcześniejsze niedopatrzenia na przykład tym, że bakterie obserwujemy głównie w sztucznych warunkach hodowlanych. Co innego z ciałem człowieka. Na temat anatomii ludzkiego ciała mogłoby się wydawać, że powinniśmy wiedzieć już wszystko. Przecież wiedzę na temat rozmieszczenia i połączeń narządów gwarantuje najstarsza dyscyplina medycyny, której początki sięgają co najmniej 1600 roku p.n.e. Jednak najprawdopodobniej również dyscyplina, pozornie wydaje się być kompletna.

Podczas badań dotyczących uszkodzenia gruczołów ślinowych u pacjentów po radioterapii, grupa naukowców z Holandii, natknęła się na struktury, które dawały zadziwiająco wysoki sygnał charakterystyczny dla pewnej cząsteczki błonowej, budującej ślinianki. Aparatura wykryła go w nosogardzieli – tam, gdzie uważano, że występują tylko jedne z około tysiąca mniejszych gruczołów. Jednak przeglądanie kolejnych ponad setek skanów ujawniło tuż za gardłem powtarzalność struktur, których wymiary wynosiły po ok. 4 cm. Wykonano także sekcje zwłok, które przychyliły się do decyzji o ogłoszeniu istnienia „gruczołów rurkowych”. Jeśli to faktycznie prawda, to jestesmy świadkami pierwszego odkrycia narządu od około 300 lat.

Do dzisiaj trwa debata czy to co obserwowano naprawdę narządem jest, jeśli tak czy jego klasyfikacja jest poprawna. Faktycznie podczas standardowych procedur chirurgicznych to miejsce jest trudno dostępne. Nie jest też wyczuwalne, jak w przypadku innych ślinianek. Można go więc nie zauważyć, co pozwala przychylić się konkluzji na temat istnienia nowego narządu. Tylko, czy do stwierdzenia obecności czegoś właściwego dla wszystkich ludzi, wystarczy jedne badania kliniczne, w dodatku kiedy w grupie badawczej byli prawie sami mężczyźni? Czy faktycznie lokalizacja “nowej” struktury sprawia, że może brać udział w produkcji śliny i być nazwane ślinianką? Nie jest to pewne. Inną kwestią jest to czy faktycznie narządy nie zostały już kiedyś odkryte. W XIX wiecznych pracach można ponoć znaleźć opisy gruczołów leżacych w tej części gardłą.

Niezależnie od wyniku prac, sytuacja pokazuje, że anatomia człowieka może być w dalszym ciągu tajemnicą, a nasze wyobrażenia o kompletności wiedzy na ten temat złudne. Poza tym widzimy, że pamięć o wynikach prac, które w danym czasie wydają się mniej istotne, jest krótka. Biorąc pod uwagę, że mało kto sięga po prace starsze niż 20 lat, może to oznaczać, że wbrew zasadą sprawdzania źródeł, pewne rzeczy mogą być zapominane i odkrywane “na nowo” kilkukrotnie.

Zła lokalizacja przyczyn chorób

Coraz częściej wydaje się że nasze wyobrażenia na temat etiologii niektórych chorób są błędne. Próbując zbadać pochodzenie różnych dysfunkcji intuicyjnie zaczynamy od organu dotkniętego problemem. W przypadku choroby Parkinsona, czy Alzheimera wieloletnie badania dały efekt w postaci opisu, w których czytamy na temat patologii struktur mózgowych. W przypadku pierwszej choroby wiemy między innymi, że przyczyną jest gromadzenie białka α-synnukleiny, w wyniku czego dochodzi do uszkodzenia komórek produkujących dopaminę – przekaźnik pomagający w kontrolowaniu motoryki ciała. W przypadku drugiej choroby obserwuje się zmiany zwyrodnieniowe komórek nerwowych w hipokampie. Uszkodzenie tej struktur wpływa na funkcje językowe, pamięć czy emocje. W odróżnieniu od zdrowych struktur mózgowych u pacjentów notuje się obecność tak zwanych blaszek starczych. Zbudowane są one z wadliwie pociętych fragmentów białka zwanego jako APP (ang. Amyloid precursor protein), które w prawidłowych warunkach formuje cząsteczki spełniające pewne funkcje regulacyjne. Odkładanie beta-amyloidu pociąga za sobą również inne zmiany molekularne. Dotyczą one białka Tau, który na skutek błędnych modyfikacji w konsekwencji wywołuje stan zapalny i niszczenie neuronów.

Nowe badania przeprowadzane przez kilka niezależnych grup badawczych pokazuje, że zrozumienie mechanizmów jest niekompletne. Według nich źródło obu chorób może być zupełnie gdzie indziej, a obserwowane efekty na poziomie molekularno-komórkowym są wtórne.

Parkinson w jelicie

Choroby wydają się mieć inną logikę niż ta, którą początkowo tworzyły nasze wyobrażenia. Dlatego uwagę w przypadku choroby Parkinsona naukowcy zaczęli kierować na jelita. Pierwsze przypuszczenia co do jej początku właśnie w tym organie wysunął Heiko Baarak w 2003 roku. Zaproponował, że migracja problematycznego białka następuje przez nerw błędny, który łączy oba narządy.

Teoria naukowca kilkakrotnie była potwierdzona podczas badań przeprowadzonych na szczurzych modelach. Naukowcy zainicjowali proces chorobowy, wstrzykując alfa-synukleinę do jelita cienkiego szczurów. Po miesiącu obserwowano, że białko lokalizuje się w pniu mózgu, następnie po kolejnym miesiącu między innymi w substancji zbitej istoty czarnej a po siedmiu w prążkowiu. W ciągu tych miesięcy białko notowano aż w siedmiu regionach mózgu. Ponadto w dwóch z nich obserwowano znaczną utratę komórek produkujących dopaminę.

Ten schemat, jeśli okaże się prawdziwy, może zrewolucjonizować leczenie tej neurodeneracyjnej choroby. Już teraz wiadomo, że badania synukleinopatii z udziałem Caenorhabditis elegans pokazały, że szczep PXN21 Bacillus subtilis hamuję patologiczną agregację α-synukleiny. Daje to nadzieję probiotycznego leczenia choroby.

Infekcja przyczyną Alzheimera?

Wśród wielu czynników, które mogą być przyczyną choroby Alzheimera ostatnio wskazuje się również bakterie Porphyromonas gingivalis, która żyje w 25% jamach ustnych u ludzi. Mimo, że nie każdy jej posiadacz cierpi na zapalenie przyzębia, którego jest przyczyną, mikroorganizm może przyczynić się do rozwoju choroby neurodenegeracyjnej. Pewne połączenie między P. gingivalis i mózgiem można było zauważyć już wcześniej. Była ona notowana podczas sekcji chorujących osób. Wiedziano o tym, że bakteria może powodować zapalenie mózgu podobne do choroby Alzheimera albo że zapalenie dziąseł może pogorszyć objawy chorobowe w mysim modelu. Nie wiadomo było jednak czy bakteria jest przyczyną, czy jej obecność jest pewnym skutkiem problemów zdrowotnych. Ostatnie badania rzucają nieco światła na ten problem.

W oparciu o nie można rozpisać następujący schemat początków choroby. P. gingivalis podróżuje do struktur mózgowych wybierając jako środek transportu monocyty – jedne z komórek odpornościowych. Te następnie migrują w głąb ciała do docelowych struktur. Bakterie będąc prawie u celu forsują barierę-krew mózg, która wraz z wiekiem staje się mniej skuteczniejszą zaporą dla czynników, które nie powinny jej przekroczyć. U celu mikroorganizm produkuje gingipainy – enzymy dzięki, którym niszczy tkanki gospodarza, pozyskuje substancje odżywcze, a także krzyżuje plany układu odpornościowego. W odpowiedzi formowane są złogi beta-amyloidu, który może mieć funkcję przeciwdrobnoustrojową. Dodatkowo wspomniane enzymy tną białko Tau w sposób taki, który umożliwia im niszczenie neuronów.

Jeśli to prawda, być może z chorobą będzie można walczyć poprzez stosowanie inhibitorów enzymów bakteryjnych. Takie testy przeprowadzane były już na myszach, u których zmniejszył się stan zapalny mózgu i odkładanie amyloidu, co jest ważnym krokiem w kierunku opracowania nowoczesnej terapii.

Świadomość tego, że wyobrażenia często nie zą zgodne z rzeczywistością otwiera wiele dróg. Zmieniając sposób myślenia o pozornie marginalnej kwestii, nagle można zauważyć znacznie więcej, ułożyć w logiczną układankę fakty pozornie do siebie nie pasujące. Prawda jest taka, że tylko naukowiec, który nie jest zamknięty w schematach ugruntowanej wiedzy może odkryć coś przełomowego. Szukając odgałęzień znanych wątków, zgłębiając pozornie oczywiste zjawiska dokłada kolejne cegiełki budujące naukę, która pozwoli lepiej zrozumieć świat i radzić sobie z jego problemami.

Mariusz Gogól

Dofinansowano z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu „Otwarta Nauka w Centrum Kopernika”.