Chemistry Nobel 2006

δομικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ των ΗΠΑ

ΣΟΥΗΔΙΚΗ ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ:

"Το βραβείο Νόμπελ Χημείας για το 2006 απονέμεται στον Roger Kornberg. Μελέτησε πώς η γενετική πληροφορία αποθηκεύεται στα γονίδιά μας και πώς αντιγράφεται, έτσι ώστε το σώμα να τη χρησιμοποιήσει. Αυτή είναι μια κεντρικής σημασίας διεργασία για τη ζωή - αν σταματήσει ο οργανισμός πεθαίνει σύντομα"

O Roger Kornberg (δεξιά) και ο πατέρας του Arthur Kornberg, που επίσης έχει τιμηθεί με βραβείο Nobel. O Roger Kornberg είναι καθηγητής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. Ο πατέρας του Arthur Kornberg τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας και Ιατρικής το 1959. Περισσότερες πληροφορίες: http://kornberg.stanford.edu/

Το Nobel Χημείας του 2006 απονεμήθηκε στον Roger Kornberg για τις μελέτες του και τη συμβολή του στη διερεύνηση της μοριακής βάσης της μεταγραφής των ευκαρυωτικών κυττάρων, της διεργασίας με την οποία ο γενετικός κώδικας του DNA και οι γενετικές πληροφορίες που περιέχει, αναγνωρίζονται και μεταφέρονται έξω από τον πυρήνα με τη βοήθεια του αγγελιαφόρου RNA (messenger RNA, mRNA), στα οργανίδια που ονομάζονται ριβοσώματα (ribosomes), όπου πραγματοποιείται η πρωτεϊνική σύνθεση.

Η συνεχής πορεία της μεταγραφής της γενετικής πληροφορίας είναι η κεντρική διεργασία για όλα τα έμβια όντα. Το DNA του κυττάρου βρίσκεται προστατευμένο μέσα στη πυρηνική του μεμβράνη στο κέντρο του κυττάρου και η γενετική πληροφορία χρειάζεται να αντιγραφεί και να μεταφερθεί στην περιοχή όπου βιοσυντίθενται οι πρωτεΐνες, δηλαδή στα ριβοσώματα που βρίσκονται σε άλλο τμήμα του κυττάρου.

H μετατροπή της πληροφορίας των DNA σε πρωτεΐνες αρχίζει στον πυρήνα των κυττάρων με τη σύνθεση του αγγελιαφόρου RNA, μέσω της μεταγραφής (transcription) DNA. Κατά τη διαδικασία αυτή ξετυλίγονται μερικές σπείρες της διπλής έλικας του DNA, σχηματίζοντας μια «φυσαλίδα» και αφήνοντας εκτεθειμένες τις νουκλεϊνικές βάσεις των δύο κλώνων. Με τον τρόπο αυτό παρατάσσονται απέναντι από τον ένα κλώνο νέα συμπληρωματικά ριβονουκλεοτίδια, που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου με τις συμπληρωματικές βάσεις του DNA και τελικά το σχηματιζόμενο μόριο RNA αποχωρίζεται από το DNA. Στο στάδιο της μεταγραφής αυτής μόνο ένας από τους δύο κλώνους αντιγράφεται (σε αντίθεση με την αντιγραφή του DNA όπου και οι δύο κλώνοι αντιγράφονται) προς αγγελιαφόρο RNA (mRNA). Ο κλώνος που περιέχει το γονίδιο ονομάζεται κωδικεύων ή νοηματικός κλώνος (coding or sense strand), ενώ ο κλώνος που πρόκειται να αντιγραφεί ονομάζεται πρότυπος ή αντινοηματικός κλώνος (template or antisense strand). Επειδή ο πρότυπος και ο κωδικεύων κλώνος είναι συμπληρωματικοί (complementary), και επειδή ο πρότυπος κλώνος και το μόριο του RNA είναι επίσης συμπληρωματικοί, συνεπάγεται ότι το μόριο του RNA που σχηματίζεται κατά το στάδιο της μεταγραφής, αποτελεί αντίγραφο του κωδικεύοντος κλώνου. Η μοναδική διαφορά είναι ότι το μόριο του RNA έχει ουρακίλη (U) εκεί όπου ο κωδικεύων κλώνος του DNA έχει θυμίνη (T).

Το 1965 το Βραβείο Νόμπελ της Φυσιολογίας και Ιατρικής απονεμήθηκε στους Jacques Monod, Andre Lwoff και Francois Jacob, για έρευνες που περιελάμβαναν και τη διαδικασία της μεταγραφής στα βακτήρια. Ωστόσο, για τα ευκαρυωτικά κύτταρα υπήρχαν ορισμένα κενά στην κατανόηση του μηχανισμού μεταγραφής. Βρέθηκε ότι οι επιπλέον παράγοντες ήταν πέντε μοριακά σύμπλοκα, τα οποία καλούνται γενικοί παράγοντες μεταγραφής (general transcription factors) και που είναι απαραίτητα για τη μεταγραφή στα κύτταρα. Η ανακάλυψή τους απαίτησε πολύχρονη και κοπιαστική ερευνητική εργασία για να απομονωθούν και να απομακρυνθούν σε στάδια μέχρι να σταματήσει η μεταγραφή. 'Οταν επιτεύχθηκε το εγχείρημα αυτό, οι επιστήμονες ήταν πεπεισμένοι ότι το σύστημα μεταγραφής των ευκαρυωτικών κυττάρων είχε διερευνηθεί. Παρόλα αυτά η μεγάλη ποικιλία της δομής και λειτουργίας των ευκαρυωτικών κυττάρων δεν είχε ερμηνευθεί. Οι απαντήσεις για τον τρόπο που ορισμένα γονίδια στα κύτταρα του αίματος ή σε ηπατικά κύτταρα εκφράζονταν δεν ήταν ικανοποιητικές.

Μία από τις σημαντικές συμβολές της έρευνας Kornberg στο στάδιο αυτό ήταν η ανάπτυξη ενός νέου συστήματος με κύτταρα ζύμης (yeast cells), που είναι ευκαρυωτικά κύτταρα, στο εργαστήριο. Τα κύτταρα αυτά αποτελούν πρότυπα με τα οποία μπορεί κανείς να πειραματισθεί και το εργαστήριο του Kornberg ασχολήθηκε επί 10 χρόνια για να τελειοποιήσει τη μεθοδολογία και να προσαρμόσει το σύστημα για να μπορέσει να γίνει η μελέτη της διεργασία της μεταγραφής.

Δομή ενός συμπλόκου μεταγραφής RNA-πολυμεράσης ΙΙ κατά τη διαδικασία μεταγραφής. Η έλικα-γέφυρα δείχνεται πράσινη και το μεταλλικό ιόν της δραστικής θέσης δείχνεται σαν μια μωβ σφαίρα. Ο έλικας DNA φαίνεται σε μπλε χρώμα, ενώ το υπό σύνθεση RNA δείχνεται κόκκινο.

Από το "Molecular basis of eukaryotic transcription" (Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών) (αρχείο PDF, 340 KB), όπου μπορείτε να βρείτε πολύ περισσότερες πληροφορίες.

Πρωτεΐνοσύνθεση: Στον πυρήνα του κυττάρου μεταγράφεται το DNA σε mRNA. Στο κυτταρόπλασμα, το mRNA "μεταφράζεται" σε πρωτεΐνη στα ριβοσώματα. Η αλληλουχία των αμινοξέων καθορίζεται από την αλληλουχία των βάσεων στο mRNA. Κάθε τριάδα βάσεων του mRNA (κωδικόνιο) αντιστοιχεί σε ένα δεδομένο αμινοξύ. Το μεταφορικό RNA (tRNA) αναλαμβάνει τη μεταφορά του "υποδεικνυόμενου" αμινοξέος στο ριβόσωμα.

Από το On-Line Λεξικό Χημικών Όρων του Τμήματος Χημείας, λήμμα "protein synthesis".

Αρκετές ερευνητικές ομάδες ασχολήθηκαν με την έρευνα της μεταγραφής, αλλά επί πολλά χρόνια δεν είχαν ανακοινωθεί τα αποτελέσματα. Ο Kornberg και οι συνεργάτες του κατάφεραν να απομονώσουν το ένζυμο RNA-πολυμεράση (RNA-polymerase) και τα σύμπλοκα των παραγόντων μεταγραφής σε αρκετές ποσότητες και σε καθαρή κρυσταλλική μορφή για να μπορέσουν να τα μελετήσουν λεπτομερειακά. Επιπλέον, το εργαστήριο του Kornberg με το σύστημα των κυττάρων ζύμης βρήκε ακόμη ένα μοριακό σύμπλοκο που παίζει σημαντικό ρόλο διακόπτη (on-off switch) της διεργασίας μεταγραφής στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Ο έλικας του DNA περιέχει τμήματα που καλούνται ενισχυτές (enhancers) με τους οποίους αγκιστρώνεται σε ειδικές ουσίες των διαφορετικών ιστών. Με τον τρόπο αυτό η μεταγραφή ορισμένων γονιδίων ενεργοποιείται σε ορισμένους ιστούς. Στο ήπαρ, για παράδειγμα, υπάρχει ειδική ουσία για μεταγωγή σήματος (specific signaling substance), η οποία συνενώνεται σε ηπατικό ενισχυτή στο DNA, ενεργοποιώντας τη μεταγραφή του γονιδίου που βρίσκεται κοντά στον ενισχυτή. Σε άλλα μέρη του σώματος, το ηπατικό αυτό γονίδιο δεν ενεργοποιείται γιατί στερείται του απαραίτητου μεταγωγέα σήματος. Ο Kornberg διαπίστωσε ότι η ρύθμιση αυτή απαιτεί την παρουσία ενός ακόμη μοριακού συμπλόκου που μεταβιβάζει σήματα και το οποίο μπορεί να συμπεριφερθεί ως διακόπτης μεταγραφής. Το σύμπλοκο-μεταδότη το ονόμασε μεσολαβητή (mediator) ("relay" complex mediator).

Η μεγάλη ποικιλία των ευκαρυωτικών οργανισμών είναι στην ουσία η λεπτή επιλογή μεταξύ των ουσιών που είναι εξειδικευμένες στους ιστούς (tissue-specific substances), των ενισχυτών και του μεσολαβητή. Η ανακάλυψη του μεσολαβητή υπήρξε στην ουσία ένας ακρογωνιαίος λίθος για την κατανόηση της διαδικασίας της μεταγραφής. Ο Kornberg έκανε ουσιαστικά κρυσταλλογραφική έρευνα των διαφόρων εμπλεκόμενων τμημάτων κατά τη μεταγραφή και προσδιόρισε την ακριβή δομή τους στο χώρο.

1. Cramer, P. Bushnell DA, Kornberg RD: "Structural basis of transcription. RNA polymerase II at 2.8 angtrom resolution", Science 292: 1863-1876, 2001.

2. Gnatt AL, Cramer P, Fu J, Bushnell DA, Kornberg RD: "Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3. A resolution", Science 292: 1876-1882, 2001.

3. Bushnell DA, Westover, KD, Davis RE, Kornberg RD: "Structural basis of transcription: An RNA polymerase II-TFIIB at 4.5 angstroms", Science 303: 983-988, 2004.