|
Det andet millenium er slut. De store videnskabelige tidsskrifter
har markeret begivenheden på flere måder. I det nye
milleniums første nummer har Nature og New England Journal
of Medicine bragt historiske oversigtsartikler med tilbageblik på
de enestående fremskridt indenfor natur- og lægevidenskab
i de forløbne 1000 år. To fremragende artikler Millenium
Highlights og Looking back on the millenium in medicine beskriver
den eksponentielle udvikling i de videnskabelige opdagelser siden
år 1000. Det første nummer af Cell i år 2000
er helliget Millenium reviews, som indeholder en serie af oversigtsartikler
skrevet af de førende forskere indenfor molekylær cellebiologi.
Oplægget til forfatterne var at give en oversigt over udviklingen
i de sidste 100 år og forudsige forskningen i de næste
100 år. Et urealistisk mål, som forfatterne har løst
på forskellige måder i meget veloplagte og berigende
artikler.
Tre tidsskrifter: Trends in Biochemical Sciences, Trends in Cell
Biology og Trends in Genetics har samlet kræfterne om at udgive
et fælles Millenium Issue med en række oversigtsartikler.
I stedet for at se bagud på de hidtidige landvindinger koncentrerer
artiklerne sig om de drivende kræfter bag mange videnskabelige
fremskridt: førende forskeres tanker og modeller. Det overordnede
mål er at give et indblik i eksperternes syn på de forskningsområder,
som dækkes af tidsskrifterne og udfordringerne ved overgangen
til det 21. århundrede. Baggrunden for udgivelsen af det fælles
Millenium Issue, som udkommer i de tre tidsskrifter samtidigt, er
at grænserne mellem de enkelte fag er blevet uklare i de senere
år. For biokemien, cellebiologien og genetikken er denne udvikling
særlig udtalt. De fleste forskere arbejder på det molekylære
og cellulære niveau i dag uden at respektere de traditionelle
faggrænser. For eksempel indgår tre aktuelle forskningsområder:
genomics, bioinformatik og strukturel biologi i mange, om ikke i
alle de naturvidenskabelige fag.
Milleniumskiftet markeres af de store fremskridt indenfor de aktuelle
genom sekventeringsprojekter. I de sidste par år er genomet
af flere encellede organismer sekventeret: >20 bakterier og gær
(Saccharomyces Cerevisiae). Det har givet viden om de basale cellulære
funktioner i prokaryote og eukaryote organismer. For et år
siden fulgte sekvensen af genomet i en flercellet organisme: Caenorhabditis
elegans, en lille orm, som består af 969 celler, heraf 302
neuroner. I begyndelsen af det nye millenium følger bananfluen
Drosophila melanogaster. To chromosomer fra en plante, Arabidopsis
thaliana er sekventeret og de øvrige chromosomer følger
i år. Sekventeringen af det humane genom forventes afsluttet
i 2003. Opklaringen af genomerne i de flercellede organismer har
fundamental betydning for forståelsen af den cellulære
regulation og kommunikation mellem cellerne.
C. elegans genomet indeholder godt 19.000 gener. Klassifikation
af proteindomænerne i genomet viste, at blandt de 20 almindeligste
domæner er størstedelen involveret i intercellulær
kommunikation eller transkriptionel regulation. De hyppigste er
G-protein-koblede 7TM receptorer (>1000, ca. 5% af genomet),
som falder i 2 grupper: receptorer for neurotransmittere (100 gener)
og chemoreceptorer (1000 gener). De næst hyppigste er eukaryote
protein kinaser (400), herunder receptor tyrosin kinaser. Andre
hyppige domæner er forskellige typer af zinc fingre (450),
nucleære receptorer (270), protein-tyrosin phosphataser (90),
neurotransmitter-gatede ion kanaler (80), receptor guanylyl cyclaser
(26) og G" -subunits (20).
Sammenligning mellem genomet i et dyr (C. elegans) og en plante
(Arabidopsis) viser afgørende forskelle mht. cellulære
receptorer. I Arabidopsis chromosomerne findes kun en enkelt G-protein-koblet
receptor og eet trimert G-protein, i modsætning til C. elegans,
og nucleære receptorer findes slet ikke. Arabidopsis genomet
har >100 receptor serin-threonin kinaser, men ingen receptor
tyrosin kinaser. Endvidere har Arabidopsis mindst 8 gener for histidin
kinase receptorer, som også findes i bakterier og gær,
men ikke i dyrearter, inklusive C. elegans. Genomet i C. elegans
og Arabidopsis viser, at talrige signaler i den intercellulære
kommunikation er nødvendige for de multicellulære organismer,
men at den eksakte signal mekanisme er ikke afgørende. Molekylerne
som cellerne bruger til kommunikere med det omgivende miljø
er vidt forskellige i planter og dyr, men den fundamentale funktion
er den samme: modtagelse af et kemisk signal, overførsel
til cellen og udløsning af de cellulære virkninger.
Den sidste halvdel af det 20. Århundrede har ført
til en række opsigtsvækkende fremskridt i forståelsen
af de eukaryote cellers signal transduktion. Hvad bliver husket
når historien om signal transduktion skrives år 2100?
Udviklingen begyndte da Krebs og Fischer i midten af 50’erne opdagede,
at phosphorylering regulerer aktiviteten af et enzym reversibelt
gennem kombineret virkning af en protein kinase og en protein phosphatase.
Samtidig fandt Sutherland, at hormonerne adrenalin og glucagon øger
mængden af intracellulært 3’5’ cyklisk AMP, og hermed
var "second messenger" begrebet født. Omkring 10 år
senere blev den cAMP-afhængige protein kinase (PKA) isoleret
som target for cAMP og ansvarlig for mange af cAMP’s virkninger.
Med disse observationer var området signal transduktion grundlagt.
Hvilke er de vigtigste milepæle i de sidste 50 år?
Opdagelsen af G-proteiner viste det fundamentale princip, at hydrolyse
af protein-bundet GTP virker som en molekylær kontakt, hvor
signalet tændes og slukkes af 7TM receptorer. Påvisningen
af tyrosin phosphorylering af EGF receptoren førte til opdagelsen
af en stor familie af ligand-stimulerede receptor tyrosin kinaser,
som aktiveres efter dimerisering. De tyrosin-phosphorylerede receptorer
og substrater binder proteiner med SH2 domæner, en opdagelse
som illustrerede en helt ny funktion af protein phosphorylering,
nemlig regulation af protein-protein association. Undersøgelser
af intracellulære signalveje viste, at Ras aktiveres af vækstfaktorer
via receptor tyrosin kinaser og regulerer flere cellulære
funktioner gennem aktivering af protein kinaser. En af de vigtigste
er MAP kinasen, som aktiveres af en kaskade af serin-threonin kinaser.
MAP kinasen phosphorylerer og aktiverer transkriptionsfaktorer,
et eksempel på en generel mekanisme for regulation af genekspression.
Opdagelsen af at fedt-opløselige hormoner passerer plasmamembranen
uden at bruge receptorer og inducerer cellulære virkninger
ved at bindes til en familie af zinc finger transcriptionsfaktorer,
såkaldte nucleære receptorer, viste en anden signalmekanisme.
"Second messenger" konceptet blev udbygget gennem opdagelsen af
phospholipid- og ion-baserede signaler: IP3, DAG og Ca2+.
Endelig blev det vist, at en gasart, NO kan virke som signalmolekyle
og virke afslappende på glat muskulatur gennem aktivering
af guanylyl cyclase og produktion af cyklisk GMP. Betydningen af
opdagelserne er markeret ved uddelingen af Nobel prisen i 1971 (Earl
W. Sutherland: cyklisk AMP), 1986 (Stanley Cohen, Rita Levi-Motalcini:
vækstfaktorer), 1989 (Michael J. Bishop, Harold E. Varmus:
cellulære oncogener), 1992 (Edmond H. Fischer, Edwin G. Krebs:
protein phosphorylering), 1994 (Alfred G. Gilman, Martin Rodbell:
G-proteiner), 1998 (Robert F. Furchgott, Louis J. Ignarro, Fred
Murad: nitrogenoxid). Antallet af Nobel priser indenfor signal transduktion
er snart på højde med priserne i genteknologi i 70’erne
og 80’erne.
Signal transduktion er karakteriseret ved vigtige paradigmer og
principper. I de eukaryote celler er signalvejene velbevarede igennem
evolutionen fra encellede organismer: gær, primitive dyr:
C. elegans, insekter: Drosophila til pattedyr: mus og mennesker.
Flere vigtige signalmolekyler blev først opdaget ved genetiske
studier i de primitive organismer. Signalmekanismerne kan opdeles
i hovedveje, som forekommer i alle celler og biveje, som kun forekommer
i udvalgte celler. Mange af de vigtigste signalveje er redundante,
således at inaktivering af genet ikke altid fører til
sygelige forandringer. Endelig kan defekter i signal transduktion
være baggrunden for udvikling af kræft ("gain-of-function")
og andre sygdomme ("loss-of-function").
Forskningen indenfor signal tranduktion har ført til opdagelsen
af et stort antal signalmolekyler og signalveje, som danner et komplekst
netværk i cellen. Netværket kan sammenlignes med et
elektrisk kredsløb i kompleksitet og finesse, hvor transistorer
er erstattet af proteiner og elektroner af phosphater og lipider.
Det store antal signalmolekyler danner et "transcriptom" i analogi
med genomet og proteomet. David Baltimore, direktør for California
Institute of Technology, USA udtaler, at forskningen er ved at opbygge
et bibliotek af signalmolekyler, som udgør grundlaget for
forståelsen af den cellulære regulation. For at få
overblik og følge med i den intensive forskning indenfor
signal transduktion er bioinformatik nødvendig.
Alfred Gilman, professor i farmakologi, University of Texas Southwestern
Medical center, USA har startet et multi-laboratorie, multidiciplinært
projekt kaldet Alliance for Cellular Signaling; http://afcs.swmed.edu,
som skal kortlægge hvordan molekyler i en celle reagerer med
hinanden som svar på indre og ydre signaler. Projektet er
et skridt i retning af skabelsen af en "virtual cell" og består
af to dele. Først vil et netværk af syv deltagende
laboratorier i USA samarbejde om, at identificere signalveje i to
cellulære systemer i mus: B lymphocyten og myocyten. Forskningsindsatsen
koordineres af to komiteer, som skal samle alle data om signalmolekyler
i de to celler og kortlægge, hvordan signalerne arbejder sammen.
Alliancens medarbejdere omfatter systemprogramører, biologer
og informatikmedarbejdere og udgifterne er omkring 10 millioner
US$ om året. Dernæst vil Alliancen oprette en database:
Molecule pages med detailerede oplysninger om proteiner i signal
transduktion. Databasen, som kaldes en "virtual journal" vil være
åben for oplysninger fra alle forskere efter "peer review".
Tony Pawson, professor ved Samuel Lunenfeld Research Institute,
Mount Sinai Hospital, Toronto, Canada har deltaget i opbygningen
af en database BIND (Biomolecular Interaction Network Database;
http://bioinfo.mshri.on.ca).
BIND indbyder forskere til at indsende deres resultater om protein-protein
interaktioner i signal transduktion. Endvidere findes forskellige
databaser med informationer om protein kinaser og phosphoproteiner:
The Protein Kinase Ressource; http://www.sdsc.edu/kinases/pk_home.html,
Phosphoprotein database; http://www-lmmb.ncifcrf.gov/phosphoDB/
og PhosphoBase; http://www.cbs.dtu.dk/databases/PhosphoBase/.
Endelig har tidsskriftet Science, Stanford University og The Center
for Ressource Economics/Island Press i 1996 skabt Knowledge Environment,
hvis formål er at opbygge web sites med systematisk præsentation
af konsensus viden indenfor udvalgte videnskabelige områder.
Samarbejdet bag Knowledge Environment ønsker at udvikle og
anvende elektroniske netværksredskaber til at lette brugernes
adgang til viden - se http://www.stke.org/misc/about.dtl.
Databasen kombinerer oversigter og original litteratur med spredte
kilder af "hvem-hvad-hvor" viden og præsenterer det i en lettilgængelig
og brugervenlig interface. Det første eksempel er Signal
transduction knowledge environment; http://www.stke.org.
I prototypen samles informationer om signal tranduktion fra en række
forskellige tidsskrifter og kilder og gøres tilgængelige
for en stor interdiciplinær gruppe af forskere.
Kilder:
- J.L. Heibron & W.F. Bynum. "Millenial highlights". Nature
2000;403:13-16.
- The Editors. "Looking back on the millenium in medicine". New
England Journal of Medicine 2000;342:42-49.
- "Millenium Reviews". Cell 2000;100:1-183.
- "Millenium issue". Trends in Cell Biology 1999;9:M1-M75/Trends
in Biochemical Sciences 1999;24:M1-M75/Trends in Genetics 1999;15:M1-M75.
- Alison Abbott. "Alliance of US labs plans to build map of cell
signalling pathways". Nature 1999;402:219-220.
|
