Detektyw komórkowy

Twoje komórki to małe gaduły, które nie mogą zachować niczego dla siebie. Opowiadają o swoich codziennych czynnościach, aby wszyscy mogli słyszeć – każdy ból i przychodzenie i odchodzenie. Z komórkami wszystko jest na powierzchni.

Hidde Ploegh jest profesorem biologii na MIT i członkiem Whitehead Institute for Biomedical Research. (Zdjęcie: Sam Ogden).

I to też dobrze, ponieważ układ odpornościowy, podobnie jak nadopiekuńczy rodzic, musi dokładnie usłyszeć, co się dzieje, aby upewnić się, że jesteśmy bezpieczni. Preferowaną metodą komunikacji komórek jest wyświetlanie flag molekularnych na ich błonach. Takie flagi informują układ odpornościowy, czy komórka została zainfekowana wirusem lub zmieniła się w nowotwór. Ale niektóre wirusy mogą kneblować komórki, tak że układ odpornościowy nie ma pojęcia, co się dzieje.

Hidde Ploegh, profesor biologii MIT i członek Whitehead Institute for Biomedical Research, chce wiedzieć, jak to robią. W jego laboratorium naukowcy koncentrują się na taktyce stosowanej przez wirusy i bakterie do wyciszania komórek. Uważamy, że poprzez dokładne przyjrzenie się tym wirusom [i bakteriom] możemy zobaczyć nie tylko ich funkcje wymijające, ale także działanie zdrowego układu odpornościowego, mówi Ploegh.

Komórki układu odpornościowego obejmują wiele rodzajów komórek zabójczych, pamięciowych i gadułowych połączonych za pomocą złożonych sieci komunikacyjnych. Najbardziej śmiertelne ludzkie choroby – w tym gruźlica, HIV i nowotwory – bardzo dobrze ukrywają swoją obecność przed układem odpornościowym. Nie wiadomo dokładnie, jak to robią: w sieci jest wiele miejsc, w których choroba może zakłócić lub zniszczyć sygnał.

Ploegh jest szczególnie zainteresowany herpeswirusami – dużą, starożytną rodziną wirusów, z których osiem zaraża ludzi – ponieważ wiele z nich może zatrzymać proces komunikacji przed jego rozpoczęciem, zapobiegając podnoszeniu się flag gadatliwych komórek. Ta rodzina rozwinęła torbę sztuczek, którymi udaremniają cały proces, mówi.

To, co Ploegh szczególnie fascynuje w herpeswirusach, to to, że w przeciwieństwie do większości innych chorobotwórczych drobnoustrojów, po zakażeniu nigdy nie znikają. Jak mówi, wirusy nauczyły się nie tylko tego, jak zarażać żywiciela i ukrywać się w nim, ale także jak reaktywować swój stan utajony, powodując gorączkę, rany i inne objawy, czasami lata i lata później. Wirus wychodzi z ukrycia w obliczu układu odpornościowego, który już wie o jego obecności, a mimo to może wyjść na wierzch i zostać przeniesiony na kolejnego żywiciela. To dość niezwykły zestaw strategii.

W szczególności Ploegh skupił się na herpeswirusie zwanym ludzkim cytomegalowirusem (HCMV), który jest tak rozpowszechniony, że 50 do 80 procent Amerykanów ma go w wieku 40 lat. Zakażeni ludzie zwykle nie mają żadnych objawów, ale wirus może powodować zapalenie oka. niewydolność wątroby i śmierć u osób z osłabionym układem odpornościowym, takich jak pacjenci z AIDS.

Badania Ploegha wykazały, że HCMV należy do herpeswirusów, które mogą się maskować, uniemożliwiając zakażonym komórkom wyświetlanie flag molekularnych układowi odpornościowemu. Wszystkie ludzkie komórki, zakażone lub nie, zwykle wyświetlają na swojej powierzchni stale obracające się próbki wytwarzanych wewnątrz białek. Komórki układu odpornościowego znane jako limfocyty T zabójców krążą we krwi i układzie limfatycznym, aby odczytać te próbki. Jeśli komórka wyświetla fragment białka, którego normalnie nie wytwarzają zdrowe komórki – jak białko rakowe lub białko wirusowe – limfocyty T zabójców wędrujące wykryją to i zabiją komórkę. Można uznać to za system wczesnego ostrzegania, dzięki któremu limfocyt T wie, co dzieje się głęboko w komórce, mówi Ploegh. Gdyby wirus mógł rozbroić ten system wczesnego ostrzegania, byłby tymczasowo niewidoczny dla limfocytów T-zabójców.

Grupa Ploegha odkryła, że ​​dokładnie tak działa HCMV: celuje w białko, które przenosi fragmenty innych białek na powierzchnię komórki w celu wyświetlenia. Białko nośnikowe, zwane MHC klasy I, działa jako nośnik flagi komórki. Wisi w miejscu w komórce, w którym powstają i są niszczone białka, chwytając wszelkie znalezione fragmenty i unosząc je na powierzchnię komórki. Naukowcy z laboratorium Ploegha wyizolowali klaster genów HCMV, które niszczą lub zatrzymują MHC.

Ta praca daje immunologom wgląd do worka sztuczek herpeswirusów – i wyjaśnia codzienne czynności normalnych ludzkich komórek. Ploegh mówi, że wirus przejął kontrolę nad tym, co obecnie uważamy za kluczową ścieżkę kontroli jakości białka. Komórki bardzo ostrożnie kopiują swoje DNA, ponieważ wszelkie błędy zostaną przekazane przyszłym pokoleniom. Ale produkcja białka jest niechlujna, a wskaźnik błędów wynosi około 10 procent. Te śmieci trzeba usunąć z celi, mówi Ploegh; w rzeczywistości częścią procesu syntezy jest również rozpad odmieńców. Biolodzy nie są pewni, w jaki sposób rozpoznawane są białka niedopasowane, ale gdy już to zrobią, otrzymują przepustkę, która pozwala im wejść do proteasomu, który Ploegh porównuje do maszynki do mięsa. Po opuszczeniu proteasomu zmielone białka, czy to wirusowe, czy własne komórki, przechodzą do przedziału, w którym czeka MHC, po czym wypycha je na powierzchnię w celu zbadania przez limfocyty T.

Ploegh i jego uczniowie zbadali dwa geny HCMV w ludzkich komórkach i wykazali, że każdy z nich może zakłócić proces noszenia flagi. Zamiast pracować z zainfekowanymi komórkami, możesz po prostu zainstalować w swojej komórce ten pojedynczy gen i zobaczyć, jak rozwija się cała ścieżka, mówi.

Joana Loureiro, absolwentka Uniwersytetu w Lizbonie w Portugalii, która prowadzi badania doktoranckie w laboratorium Ploegh, bada jeden z tych genów, zwany US2 (drugi, zwany US11 ma podobne skutki). Korzystając z techniki zwanej pogonią za impulsami, Loureiro może śledzić MHC, US2 ofiara. Po pierwsze, zalewa lub pulsuje ludzkie komórki znakowanymi radioaktywnie blokami budulcowymi białek – tak wieloma, że ​​MHC wytworzone w okresie impulsu będą głównie radioaktywne i możliwe do śledzenia. Następnie goni pierwszy zestaw klocków za pomocą drugiego zestawu, który nie jest oznaczony. Loureiro może w ten sposób śledzić grupę białek wytworzonych tylko w pewnym okresie. To pozwala jej zobaczyć czas wydarzeń: w obecności wirusa US2 białko, MHC wystaje ze swojej zwykłej komory, a następnie jest przeżuwany przez maszynkę do mięsa komórki.

HCMV ma inne sposoby wyłączania MHC – na przykład białka, które po prostu ciągną je w dół jak kotwica, aby nie mogły dotrzeć do powierzchni komórki. Ale Ploegh mówi, że najbardziej spektakularnym przykładem pomysłowości wirusa jest ten, który bada Loureiro, w którym wirus obraca własną maszynerię kontroli jakości komórki przeciwko sobie. Laboratorium Ploegh wykazało, że HCMV może wyłączyć MHC w dosłownie kilka minut; zainfekowana komórka po prostu nie ma czasu na wysłanie ostrzeżenia do układu odpornościowego.

HCMV może naśladować normalny mechanizm przetwarzania białek w organizmach od drożdży po ludzi. Drożdże, te najprostsze z grzybów, których działanie genetyczne okazały się bardzo podobne do naszego, zawierają geny, które definiują ścieżki podobne do tych używanych przez US2 oraz US11 w ludzkich komórkach. To podobieństwo, mówi Ploegh, sugeruje związek między ucieczką przed wykryciem układu odpornościowego przez wirusy a bardzo podstawowymi, normalnymi szlakami. I dodaje: Uważamy, że ścieżki używane przez US2 oraz US11 są symbolem tego, jak typowa komórka ssaka radzi sobie ze śmieciami białkowymi. Badając, w jaki sposób natywne ludzkie białka pomagają białku wirusa w niszczeniu MHC, Loureiro ma nadzieję odkryć, jak działa normalny szlak.

Lisa Kattenhorn, absolwentka Harvard Medical School w laboratorium Ploegh, odkryła inny mechanizm maskowania. Aby były prezentowane na powierzchni komórki przez MHC, białka wirusowe muszą najpierw przejść przez rozdrabniacze proteasomu. Ale aby dostać się do proteasomu, białka potrzebują specjalnego przejścia zwanego ubikwityną; bez tej kontroli każde białko mogłoby trafić do młynka, a komórka w końcu by umarła. Kattenhorn odkrył, że jednym z pierwszych białek, które wnikają do komórki podczas infekcji herpeswirusem, jest enzym, który może usunąć ubikwitynę z białek wirusowych. Brak ubikwityny oznacza brak fragmentów białka wirusowego, które mogłyby być wyświetlane przez MHC, więc infekcja prawdopodobnie będzie niewidoczna dla limfocytów T zabójców. Wszystkie herpeswirusy mają ten enzym, więc Kattenhorn ma nadzieję, że jej praca może doprowadzić do powstania terapii o szerokim zastosowaniu.

Chociaż Kattenhorn jest wirusologiem, jej praca opiera się na sondach wykonanych przez chemików w laboratorium Ploegha. Howard Hang, doktorant chemii pracujący z Ploegh, opisuje te sondy jako przynętę do wyciągania białek, aby można je było szczegółowo zbadać. Każda sonda ma odpowiednik muchy rybackiej, która wabi białka do gryzienia, a także linkę, której można użyć do ich wydobycia. Na przykład sondy Kattenhorna wykorzystują ubikwitynę jako przynętę do przyciągania enzymów, które ją usuwają.

Te sondy chemiczne dobrze sprawdzają się w badaniach części komórki osłabionej przez wirusy opryszczki, ale nie można ich używać w żywych komórkach, mówi Hang. Sondy są zbyt duże, aby wejść i wyjść z nienaruszonych komórek, więc komórki muszą zostać sproszkowane przed badaniem. Hang projektuje mniejszą, bardziej elastyczną sondę do badań obrazowania na żywo Salmonella bakterie w akcji. W komórkach infekuje, Salmonella w jakiś sposób odpiera proteazy, enzymy, które podobnie jak proteasomy rozkładają białka. W ten sposób zapobiega przedostawaniu się charakterystycznych białek do powierzchni komórki i obserwowaniu ich przez komórki T. Ale Salmonella musi być nienaruszony i żywy, aby dokonać tego wyczynu.

Ploegh wykorzystuje inne techniki obrazowania żywych komórek do badania połączeń między różnymi gałęziami układu odpornościowego. Bada również komórki układu odpornościowego, które działają na bardziej ogólnym poziomie niż zabójcze limfocyty T. Zamiast odpowiadać na konkretny szczep E coli lub wirusa opryszczki pospolitej typu 1, komórki te rozpoznają zagrożenia w bardzo ogólnych kategoriach – bakterie, wirusy lub grzyby – i działają szybko. Podręczniki wyraźnie rozróżniają te dwie gałęzie układu odpornościowego, ale w prawdziwym życiu są one ze sobą ściśle powiązane, mówi Ploegh. Działają na widmie ciągłym.

Podczas infekcji drobnoustrój próbuje się rozmnażać, a jego gospodarz próbuje go zniszczyć. Oto początek długiej bitwy, mówi Ploegh. Badając plany wojenne wirusów opryszczki i innych drobnoustrojów, Ploegh mówi, że nie szuka sposobu na wyleczenie konkretnej choroby, ale lepszego zrozumienia działania układu odpornościowego. A to zrozumienie lepiej przygotuje nas do walki z każdą chorobą.

ukryć