Årets Nobelpris til forskning i cellecyklus

Olaf Nielsen, Genetisk afdeling, Molekylærbiologisk Inst., onigen@biobase.dk

Cancer er uhæmmet celledeling, som skyldes, at kontrollen over cellecyklus er gået tabt. Det kom derfor ikke som nogen overraskelse, at årets Nobelpris i medicin gik til tre forskere for deres arbejde med cellecyklus-kontrol, dvs. forståelsen af hvornår og hvordan celler deler sig. I de seneste år har to af de tre - Paul Nurse og Lee Hartwell - ligget øverst på hitlisten over kandidater, og spørgsmålet var i og for sig blot hvornår prisen til dem ville falde.

Siden det i midten af 1800-tallet blev klart at alt liv er organiseret i celler, har biologisk forskning koncentreret sig om at forstå hvordan celler fungerer. Og med god grund, for mange af de biologiske egenskaber som fascinerer os ved naturen, skyldes netop cellers adfærd. Tag nu os mennesker; vi består hver af mere end 10¹³ (dvs 10000 milliarder!) celler, som alle stammer fra en enkelt befrugtet ægcelle, der så har delt sig under vores fosterudvikling og opvækst. Undervejs er celledelingen nøje koordineret med en specialisering i forskellige celletyper i kroppen (fx leverceller eller nerveceller), og hvis vi nogen sinde skal gøre os håb om at forstå denne komplicerede differentieringsproces, må vi begynde med at finde ud af hvordan celler deler sig.

I det voksne menneske går celledelingen mere eller mindre i stå. Den kan dog stadig aktiveres lokalt når celler af en eller anden grund dør og bliver erstattet. Det kan være hvis vi skærer os i fingeren, eller simpelt hen når en celle er blevet for gammel. Men det er vigtigt at denne celledeling foregår lokalt og på kontrolleret vis, og bringes til ophør igen, når hullet er fyldt ud. Hvis denne kontrol svigter, kan følgen blive uhæmmet celledeling, som vi ser det ved cancer.

Celledeling er meget vanskeligt at studere i hele organismer som mennesker eller mus, og derfor har man i vid udstrækning benyttet sig af encellede modelorganismer, så som gær. Udover at gærcellerne lever frit og kan studeres enkeltvis, så har de den store fordel at genetisk analyse hér er meget simpel. Genetik er et af vores stærkeste værktøjer til studier af celler. Genetikerens arbejdsmetode er, at han finder frem til gener, som kontrollerer den proces han interesserer sig for, ved at mutere dem (dvs ødelægge dem). Udfra en analyse af hvad der går galt i sådanne mutantceller, kan han så ved en slags bagvendt logik slutte sig til hvordan det nok foregår i en normal celle. Den form for analyse er meget nem at foretage i gærceller, idet de kun har én kopi af alle deres gener. Når et gen muterer vil det således straks få konsekvenser for gærcellen, i modsætning til diploide forsøgsdyr som mus (og mennesker for den sags skyld), hvor der er en ekstra backup kopi af alle generne, og chancen for samtidig at ødelægge begge kopier af et givet gen derfor af statistiske årsager er meget lille.

Cellecyklus. I den første fase (G1) vokser cellen, derefter syntetiseres DNA (S) og kromosomerne fordobles. I den næste fase (G2) forbereds delingen. Under mitosen (M) adskilles og fordeles kromosomerne i datter cellerne. Derefter er cellen tilbage i G1 og cyklus er fuldendt. [En større gengivelse kan ses her]

Hartwell begyndte i 1970’erne at identificere gener i gær som havde betydning for hvornår cellerne delte sig. Nu kræver det ikke meget fantasi at indse at en muteret gærcelle der ikke kan dele sig har et problem (den er snart død), og Hartwell var derfor nødt til at at benytte sig af såkaldte konditionelle mutanter, hvilket er en smart form for mutanter, som gør det muligt for forskeren selv at tænde og slukke for det pågældende gen. Man kan så gro gærcellerne mens der er tændt for genet, og derefter slukke for det og studere hvad der går galt når genet er ude af funktion. Hartwell brugte temperaturfølsomme mutanter, hvor cellerne har det fint ved lav temperatur, mens de udviser en genetisk defekt ved en højere temperatur. Der er imidlertid mange gener, som en gærcelle ikke kan tåle at undvære, og Hartwells store fortjeneste var at han fandt en måde at identificere netop den lille undergruppe, som er involveret i cellecykluskontrol. Han stillede nemlig krav til mutanterne om at de skulle holde op med at dele sig men SAMTIDIG blive ved med at gro i størrelse, hvilket fortalte ham at deres almindelige stofskifte var intakt. På den måde lykkedes det Hartwell at identificere en lang række såkaldte cdc-mutanter (cell division cycle), som var blokeret på specifikke steder i deres delingscyklus. Nogle var fx blokeret tidlig i cellecyklus før DNAet kopieres (S-fase), mens andre var defekte i den senere begivenhed mitosen., hvor DNAet deles ud til de to datterceller.

Inspireret af Hartwells arbejde begyndte Paul Nurse tilsvarende studier i en anden gærart, den fjernt beslægtede spaltegær (S. pombe), som også benyttes til ølfremstilling i Afrika (pombe er faktisk navnet  på en østafrikansk øltype). Hans argument for at vælge S. pombe var at den havde en mere normal cellecyklus end almindelig bagegær (S. cerevisiae), der deler sig ved den ret atypiske knopskydningsmekanisme. Dette skulle senere vise sig at være vigtigt, og S. pombe er i dag den bedste encellede modelorganisme for dyre- og menneskeceller. Nurses arbejde førte snart frem til et gen han kaldte cdc2, som viste sig at have en central betydning i cellecyklus; mutanter i cdc2 var defekte i både aktivering af S-fase og mitose, altså de to vigtigste overgange i cellecyklus. Efterhånden som gensplejsningsteknikker blev udviklet i S. pombe, lykkedes det også at isolere cdc2 genet, som viste sig at kode for en såkaldt proteinkinase, dvs et enzym som regulerer andre proteiner ved at påføre dem fosfatgrupper.

En bemærkelsesværdig observation var det, at cdc2 genet var nært beslægtet med et af Hartwells cellecyklusgener fra S. cerevisiae. Nurse gik skridtet videre, og viste at man med genteknologi kunne erstatte S. pombes cdc2 gen med genet fra S. cerevisiae, og det kunne få gærcellerne til at dele sig. Der var altså tale om en funktionel konservering, på trods af at det var omkring en milliard år tilbage i evolutions historie at de to gærarter havde forladt hinanden. Alt i alt begyndte man at fornemme at vi her stod overfor en universel funktion, selvom skeptikerne stadig argumenterede at dette jo alt sammen blot var gær.

Opmuntret af successen begyndte Paul Nurse at lede efter cdc2 genet i menneskeceller. Jeg var selv gæstestudent i hans laboratorium på det tidspunkt. Paul var netop blevet ansat ved Imperial Cancer Research Fund’s prestigefyldte cancerforskningslaboratorium i London, og han måtte lægge ører til mange hånlige bemærkninger fra sine kolleger om hvad en gærforsker dog kunne bidrage til kræftforskningen med. Og jeg må indrømme, at jeg selv havde en vis skepsis overfor hans meget direkte tilgang, som simpelt hen gik ud på at introducere humant DNA i S. pombe cdc2 mutanten, og så kigge efter DNA sekvenser som kunne få cellerne til at dele sig ved høj temperatur. Men al kritik blev gjort til skamme da det i 1987 på den måde lykkedes at isolere det humane cdc2 gen.

Når den slags videnskabelige gennembrud først er en realitet, går udviklingen pludselig hurtigt. Det viste sig snart at cdc2 var prototypen for en ny type enzymer, som vi i dag kalder cyklin-afhængige kinaser (på engelsk forkortet CDKs), fordi de er afhængige af en cyklin-partner. Cykliner er en klasse af proteiner, som nogle år tidligere var blevet identificeret af årets tredie prismodtager, Tim Hunt. Hunt havde interesseret sig for disse proteiner fordi de kom og gik cyklisk (deraf navnet) når celler delte sig, hvilket indikerede at de havde en central rolle i cellecyklus-kontrol. Tingene gik for alvor op i en højere enhed da Paul Nurse og en konkurrerende forskergruppe ledet af David Beach i 1989 viste at cdc2/cyklin-komplekset var identisk med MFP - en aktivitet som Yoshiro Masui allerede i 1971 havde vist man kunne sprøjte ind i oocytter fra tudser og dermed få dem til at dele sig. Dette var for alvor eksperimentet der viste at mitosen er kontrolleret på samme måde i alle celler, og jeg tror mange havde forventet at Masui snarere end Hunt var blevet den tredie prismodtager.

Siden er det blevet klart at menneskeceller indeholder flere forskellige cyklin-CDK komplekser, som hver især kontrollerer specifikke overgange i cellecyklus. Interessen har især samlet sig om et kompleks mellem cdk4/6 kinaserne og cyklin D, idet dette kompleks tilsyneladende skal holdes i skak for at undgå celledeling. Især har forskning fra en gruppe ledet af Jiri Bartek og Jiri Lucas på Kræftens Bekæmpelses laboratorium her i København vist at dette kompleks er de-reguleret i de fleste kræftceller, og man kan nu bruge denne viden til at arbejde langt mere målrettet imod udvikling af metoder til at forhindre kræft. Det er vanskeligt overhovedet at forestille sig hvordan man skulle have fundet frem til disse regulatoriske proteiner, uden brug af den afrikanske ølgær. Og det illustrerer vel egentlig ganske godt vigtigheden af basal grundforskning.

Offentliggjort i Information. Gengivet efter aftale.