BIO2 Povzetki seminarjev 2015

Biokemija- Povzetki seminarjev 2015/2016

Nazaj na osnovno stran

Kristjan Stibilj: PI3K kaskada in njihova vloga pri rakavih obolenjih

Dandanes je zdravljenje rakavih obolenj poglavitna točka v razvoju farmacevtskih zdravil. Velike multinacionalke vlagajo ogromno denarja v razvoj zdravila, ki bi ozdravil tumorje oz. omilil njihovo delovanje. Za nastanek rakavih obolenj so v veliki meri krivi receptorji tirozin kinaze (RTK) in njihova PI3K/AKT/mTOR signalna pot. Ta namreč nadzoruje celično proliferacijo, metabolizem, premikanje in preživetje. Mutacije ključnih proteinov v PI3K kaskadi vodijo do nenadzorovane rasti in delitve celic, kar privede do nastanka tumorjev. Glavni princip zdravljenja oz. iskanje zdravila za rakava obolenja je torej poiskati takšno molekulo, ki bi uspešno inhibirala mutiran protein in s tem ustavila njegovo hiperaktivacjo. Znanstveniki so v zadnjih letih odkrili precej inhibitorjev, ki so bolj ali majn specifični in so sedaj v preiskavah kot morebitno zdravilo. Za inhibiranje PI3K molekule sta se v predkličninih študijah pokazala kot uspešna pictilisib in buparlisib, ki se vežeta na ATP-vezavno mesto. Na enak način deluje tudi večina AKT inhibitorjev, kamor spada tudi dobro raziskan Inhibitor VIII. mTOR, zadnja molekula v PI3K kaskadi, pa ima prav tako kar nekaj sintetičnih inhibitorjev, ki so analogni naravni molekuli rapamcin. Vsi našteti inhibitorji pa žal še niso zdravila za raka, saj so interakcije z ostalimi encimi v celici še vedno nepoznane.

Klara Kuret: Vpliv bakterijskih efektorjev na celični ubikvitinacijski sistem in rastlinski imunski odziv

Patogene bakterije uporabljajo efektorje za zatiranje imunskega odziva gostitelja. Tarča mnogih efektorskih proteinov je celični ubikvitinacijski sistem (UBS), ki je pomemben regulator imunskega odgovora. Ubikvitinska signalizacija poteka preko treh encimskih kompleksov, ki na proteinske substrate vežejo molekule ubikvitina. Dolžina in oblika ubikvitinske verige narekujeta, kakšen bo biološki odgovor celice na ubikvitinacijo oz. kaj se bo s substratom zgodilo. Ker prokarionti nimajo lastnega ubikvitinacijskega sistema, so morali razviti drugačne mehanizme, ki jim omogočajo interakcijo z evkariontskimi proteini, kateri nastopajo pri ubikvitinaciji. Efektorji lahko gostiteljski UBS izkoriščajo tako, da strukturno ali funkcijsko posnemajo evkariontske komponente UBS, ali pa so homologi evkariontskih proteinov. Lahko tudi pospešujejo ali inhibirajo delovanje 26S proteasoma. Efektorski proteini torej izkoriščajo evkariontske strategije za nadzor in manipulacijo gostiteljevih celičnih procesov, v smeri, ki patogenu omogoča čim boljšo možnost razvoja in množitve. Efektorji AvrPtoB, HopM1 ter VirF so nastali z različnim evolucijskim razvojem, zato se tudi mehanizmi njihovega delovanja na UBS razlikujejo. Patogeni efektorji lahko preko ubikvitinacije pomembnih signalnih proteinov v imunskih kaskadah povzročijo nezmožnost celice, da aktivira PAMP ter ETI imunost. Razgradnja gostiteljevih proteinov vodi lahko do motenj v izražanju genov, motenj v vezikularnem transportu in številnih drugih nepravilnosti v celičnih procesih, ki pripeljejo do večje dovzetnosti celice za okužbo.

Tjaša Lukšič: Alternativno izrezovanje GPCR-jev s poudarkom na sekretinski družini

Alternativno izrezovanje GPCR-jev je pogost pojav, še posebej pri sekretinski in nekaterih sorodnih družinah. Receptorji sekretinske družine se pojavljajo v zanimivih izooblikah, ki odstirajo nove poglede na regulacijo celične signalizacije. V sedmi transmembranski vijačnici sekretinskih GPCR-jev je dobro ohranjen ekson 12 oz. zaporedje 14 aminokislin, ki je tarča izrezovalno-povezovalnega kompleksa pri nekaterih receptorjih. Delecija eksona 12 nima izrazitega vpliva na vezavo primarnih sporočevalcev, ima pa zato toliko večje posledice pri prenosu signalov. Povezovanje z G-proteini je onemogočeno, ker skrajšana TMD7 ne omogoča normalne konformacijske spremembe. Le-ta se v običajnih izooblikah zgodi zaradi premika TMD6 in TMD7 proti statični TMD3, kar razkrije intracelularno vezavno domeno za navzdolnje efektorje. Poleg omenjene funkcije lažnega receptorja, se oslabi tudi membranska ekspresija kratkih-TMD7 receptorjev, saj je izbrisan transportni motiv v eksonu 12 in zmanjšana hidrofobnost C konca. Najbolj fascinantna posledica je zagotovo dominantno negativna regulacija membranske ekspresije ostalih izooblik. Za transport GPCR-jev iz kontrolnega sistema endoplazmatskega retikuluma je potrebna oligomerizacija. Hetero-oligomeri določenih kombinacij s kratkim-TMD7 receptorjem ne uspejo zapustiti ER, število delujočih receptorjev v membrani se zmanjšuje in celica je slabše odzivna na njihove primarne sporočevalce. Med tem pa nekateri receptorji nimajo težav pri transportu skupaj s skrajšanimi izooblikami. Številna bolezenska stanja so povezana s patološkimi izooblikami ali z neuspešnim transportom proteinov iz ER, za kar obstaja potencialna rešitev v farmakoloških šaperonih.

Rok Miklavčič: Preusmeritve signalnih poti preko TNFR1 v boju s patogeni

Celice so se skozi čas prilagodile na življenje v okolju, polnem potencialno škodljivih patogenov. Razvilo se je mnogo mehanizmov celičnega odgovora, ki so prilagojeni tako, da lahko ustrezen odgovor na patogene pripravijo v različnih situacijah. En takih mehanizmov predstavlja tudi signalna kaskada preko TNFR1, receptorja za citokin TNFα. TNFα sprostijo celice imunskega sistema, ko zaznajo prisotnost patogena. Osnovni celični odgovor pri stimulaciji TNFR1 je kaskada, ki preko zaporedja ubikvitinacij sodelujočih proteinov, privede do translokacije transkripcijskega faktorja NF-κB v jedro. NF-κB tam sproži prepisovanje genov za vnetne citokine, ki ob kasnejšem sproščanju v okolico celice povzročijo vnetni odziv sosednjih celic ter s tem omejitev okužbe. Nekateri patogeni pa so na ta odziv prilagojeni tako, da inhibirajo ključne proteine v začetni kaskadi in s tem zmanjšajo vnetje, vendar pa imajo na to prilagoditev odgovor tudi gostiteljske celice. Pri taki inhibiciji pride do prenosa signala po drugi poti, ki privede do apoptoze napadene celice, kar ubije tudi patogene v njej, in tako omeji okužbo. Patogeni lahko inhibirajo tudi samo apoptozo, zaradi česar obstaja tudi zasilni celični mehanizem odgovora nanje. V primeru inhibicije apoptoze se kaskada konča z aktivacijo psevdokinaze MLKL, ki je glavni efektor za mehanizem programirane nekroze z imenom nekroptoza. Pri nekroptozi pride kot pri nekrozi do celične lize, pri čemer se v okolico sprostijo DAMP-i, ki sprožijo vnetni odziv okoliškega tkiva.

Ema Gašperšič: PKC in njihov vpliv na raka ter Alzheimerjevo bolezen

Protein kinaze C (PKC) so družina encimov, ki sodelujejo v številnih signalnih poteh v celici. S fosforilacijo serina ali treonina nekega drugega proteina regulira njegovo aktivnost. Vplivajo na proliferacijo in diferenciacijo celice, apoptozo, oblikovanje sinaps, učenje ter shranjevanje spominov, nevrološke motnje in mnogo drugih procesov v celici. Za aktivacijo PKC sta ključni povečani koncentraciji diacilglicerola (DAG) in kalcijevih ionov Ca2+, ki z vezavo na PKC povzročita prehod iz neaktivne v aktivno obliko. Aktivacija PKC vpliva na spodbujanje oziroma inhibiranje razvoja raznih bolezni, kot so rak, ishemična možganska kap ali Alzheimerjeva bolezen in druge nevrodegenerativne bolezni. Problem je v tem, da je pri zdravljenju raka potrebno rast celic čim prej zaustaviti, med tem ko morajo pri nevrodegenerativnih boleznih nevroni ostajati živi. Poleg tega je zanimivo, da naj bi nekateri aktivatorji protein kinaz C rast rakavih celic spodbujali, drugi pa zavirali. Običajen mehanizem delovanja PKC je težko opisati, saj obstaja več oblik PKC izoencimov, ki so po različnih tkivih različno razporejeni, v celici imajo različne funkcije, poleg tega pa obstaja več signalnih poti, ki vodijo do aktivacije PKC. Vse to so razlogi za oteženo delo raziskovalcev, ki želijo odkriti načine zdravljenja prej omenjenih boleznih, zato torej to področje zahteva še precej raziskav, ki bi posledično lahko olajšale njihovo zdravljenje.

Tadej Satler: PD-1 limfocitov in melanomskih celic

Melanom je najnevarnejša oblika kožnega raka in znanstveniki že desetletja borijo izboljšali rezultate zdravljenja. Vzpodbuditi želijo proti-tumorski odziv imunskega sistema, vendar so zaradi kontrolnih točk neuspešni. Kontrolne točke so ključne za ohranjanje imunske homeostaze, saj bi brez njih bili žrtev številnim avtoimunskim boleznim in poškodbam tkiva ob prevelikem odzivu sistema na patogene vnetje. Med imunske kontrolne točke spada tudi receptor PD-1. Je monomer sestavljen iz imunoglobulinske in citoplazemske domene. Zanj sta značilna tudi dva liganda (PD-L1 in PD-L2), ki sta potrebna za njegovo aktivacijo. Najdemo ga predvsem pri limfocitih T in nekaterih melanomskih celicah. Izražanje PD-1 je raziskano predvsem pri limfocitih T, kjer ob interakciji z ligandoma inhibira delovanje in funkcije limfocitov ter povzroča njihovo apoptozo. To doseže s pomočjo zaviranja številnih ključnih procesov znotraj celice, ki so potrebni za njeno normalno delovanje. Pri melanomskih celicah je pa delovanje PD-1 še dokaj neraziskano. Do zdaj njegova prisotnost ni bila znana, vendar so nedavne raziskave pokazale njegovo izražanje na nekaterih celicah limfocitov. Obnašanje PD-1 melanomskih celic je drugačno kot pa pri limfocitih, saj njegovo izražanje spodbuja rast tumorja. S pomočjo boljšega poznavanja delovanja PD-1 v limfocitih T in melanomskih celicah, bo lažje razviti učinkovitejše metode boja proti raku.

Tilen Tršelič: PKM2 in njegova vloga pri razvoju rakavih celic

Piruvat kinaza (PK) je pomemben glikolitski encim, ki se pojavlja v štirih različnih oblikah. Oblika M2 je posebno zanimiva, saj poleg svoje glikolitske funkcije opravlja še mnoge druge, nemetabolične funkcije. Poleg tega je PKM2 prevladujoča oblika encima v rakavih celicah. Razlog za povečano izražanje le-tega verjeno izhaja iz dejstva, da lahko PKM2 zavzema aktivno tetramerno obliko ali skoraj neaktivno dimerno obliko. Možnost menjavanja svojih oblik celicam, bodisi zdravim ali rakavim, omogoča prilagajanje delovanja njihovim potrebam. Če celici primanjkuje energije, lahko encim zavzema pretežno aktivno tetramerno obliko in tako spodbuja proizvodnjo ATP. Če celica potrebuje nove makromolekule za proliferacijo, tu encim lahko zavzame pretežno neaktivno dimerno obliko in spodbuja kopičenje intermediatov glikolize. Te so ključni za sintezo novih snovi, saj služijo kot njihovi prekurzorji. Aktivnost encima PKM2 se regulira na več načinov. Vlogo regulatorjev po navadi opravljajo post-translacijske modifikacije encima, lahko pa tudi nekatere druge spremembe v celičnem okolju. PKM2 v svoji manj aktivni dimerni obliki prav tako lahko regulira druge procese. Predvsem pospešuje celično rast in razvoj prek reakcij z pomembnimi transkripcijskimi faktorji v jedru. Izkazalo se je, da delovanje encima PKM2 močno koristi rakavim celicam. Ker je encim PKM2 zelo pomemben za razvoj takšnih celic, predstavlja dobro potencialno tarčo za zdravljenje. Raziskave potrjujejo, da bi bilo slednje možno, ne ponujajo pa konkretnega odgovora na vprašanje, kako bi takšno zdravljenje potekalo.

Tina Šimunović: Pentoza-fosfatna pot, njena regulacija in povezava z rakom

Pod imenom rak razumemo bolezen, za katero je značilna nenadzorovana rast in celična delitev. Rakave celice imajo tako večjo potrebo po biosintezi pomembnih makromolekul, ki jo zadostijo s prilagoditvijo in spremembo svojih metaboličnih poti. Ena izmed prilagoditev je lahko sprememba pentoza-fosfatne poti (PPP). To je ena izmed metaboličnih poti glukoze, katere glavna produkta sta riboza-5-fosfat in NADPH. Prva se naprej uporablja pri sintezi nukleinskih kislin, NADPH pa je pomemben za sintezo makromolekul in za detoksikacijo. Regulacija PPP poteka preko njenih metabolnih encimov. V rakavih celicah je predvsem izražena povišana aktivnost glukoza-6-fosfat dehidrogenaze in s tem aktivnost PPP. Pri tem encimu sta, poleg mnogih drugih, najpomembnejša regulatorja NADPH in tumorski supresor p53. Aktivnost PPP lahko poveča tudi acetilacija 6-fosfoglukonat dehidrogenaze ali pa povečano izražanje transketolaze. Na pospešeno proliferacijo rakavih celic vplivajo tudi inaktivirani tumorski supresorji in aktivirani onkoproteini, npr. p53, TIGAR, ATM, Ras, mTORC1 in Nrf2. Največji pomen PPP pri rakavih celicah, je v zaščiti pred celično smrtjo, saj se s povečano aktivnostjo PPP pospeši tvorba njenih produktov, ki so ključni pri preživetju celice. Z inhibicijo te poti, bi lahko tudi inhibirali rast tumorjev. PPP je tako postala potenciala tarča za zdravljenje raka, vendar je za to potrebnih še veliko raziskav in boljše razumevanje metabolizma rakavih celic.

Maja Zupanc: Kako dolge nekodirajoče RNA vplivajo na regulacijo metabolizma

Ena najbolj fascinantnih lastnosti metabolizma je njegova regulacija. Za homeostazo metabolizma hranil in energije v telesu je nujna specializirana regulacija centralnega živčnega sistema, Langerhansovih otočkov trebušne slinavke in glavnih metabolnih tkiv (maščobno tkivo, skeletne mišice in jetra). Dolge nekodirajoče molekule RNA (lncRNA) so RNA molekule dolge več kot 200 nukleotidov, ki ne kodirajo proteinov. Njihov spekter delovanja je izredno širok, na metabolizem vplivajo prek regulacije procesov adipogeneze in hepatičnega metabolizma, nadzora funkcionalnosti Langerhansovih otočkastih celic, regulacije razvoja skeletnih mišic, in energijske homeostaze. Do sedaj je bilo odkritih že več kot 60000 dolgih nekodirajočih RNA molekul in repetuar njihovih funkcij se z vsako novo raziskavo širi. Vloga lncRNA je še pred desetimi leti bila neznanka, od takrat pa nam je že postalo jasno, da so pomembni regulatorji izražanja DNA, diferenciacije in razvoja celic, razvoja tkiva in tumorogeneze. V resnici pa vemo zelo malo, oziroma smo šele na začetku razumevanja lncRNA. Ker se zaradi tega z vsakim novim odkritjem pojavlja še več vprašanj (o podrobnih principih delovanja lncRNA in njihovega sodelovanja z drugimi molekulami, o še nepoznanih funkcijah, vpletenosti v bolezni in možnosti razvoja novih tehnik zdravljenja…), so raziskave na tem področju zelo aktualne.

Lara Jerman: Warburgov učinek: od raka do avtoimunosti

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je Otto Warburg s svojimi sodelavci meril porabo kisika in sintezo laktata v rakastem tkivu. Pri tem je prišel do zelo pomembnega opažanja, ki ostaja zelo aktualno – da celice rakastega tkiva tudi ob normoksičnih pogojih vztrajajo pri močno povečani glikolizi. Danes vemo, da se Warburgov učinek v rakastih tkivi pojavlja skoraj univerzalno. Večina Warburgovih opažanj in meritev je bila kvantitativno pravilna. Njegova razlaga vzroka pojava pa se je izkazala za napačno, saj povečano stopnjo glikolize zasledimo v mnogih rakastih tkivih brez določljivih mitohondrijskih mutacij ali motenj oksidativno-fosforilacijske metabolne poti. V takih tkivih sinteza ATP v mitohondrijih poteka nemoteno in enako učinkovito kot pri normalnih tkivih z enako koncentracijo kisika. Raziskave zadnjih let kažejo na to, da je povečana glikoliza strateška poteza rakastih celic, ki zadovoljuje predvsem njihove potrebe po sintezi biomase. V skoraj stoletju od Warburgovega prvotnega odkritja je postalo jasno, da metabolična stikala omogočajo celici, da se prilagaja svojim bioenergetskim in biosintetskim potrebam. Zmožnost hitrega prilagajanje potrebam je še posebej pomembna pri imunskih celicah, ki morajo ob imunskem odzivu hitro preiti iz mirujočega stanja. Zato ni presenetljivo, da so si rakaste in imunske celice glede zagotavljanja metabolnih tokov in bionenergetike za rast in širjenje v marsičem podobne.

Sara Tekavec: Mutacije encimov Krebsovega cikla in vpliv na razvoj ter rast tumorjev

Encimi izocitrat dehidrogenaza (IDH), sukcinat dehidrogenaza (SDH) in fumarat hidrataza (FH) sodelujejo v Krebsovem ciklu. Prvi omogoča pretvorbo izocitrata v α-ketoglutarat (α-KG), drugi pretvorbo sukcinata v fumarat, tretji pa pretvorbo fumarata v malat. Za gene, ki kodirajo te encime, so značilne mutacije, ki vodijo v nastanek in rast tumorjev. Mutacije so lahko onkogen-aktivirajoče (mutacija IDH) ali tumor-supresor deaktivirajoče (mutacije SDH in FH). Mutacija IDH tako v encimu vzpodbudi novo funkcijo, in sicer pretvorbo α-ketoglutarata ob prisotnosti NADPH v onkometabolit 2-hidroksiglutarat (2-HG). Pri drugih dveh mutacijah pa gre za to, da je aktivnost encima zmanjšana oz. je sploh ni, kar ima za posledico kopičenje sukcinata ali fumarata. To ugodno vpliva na rast tumorja, saj lahko te tri omenjene molekule na različne načine inducirajo izražanje genov, pomembnih za celično rast in preživetje. Vse tri na primer stabilizirajo hipoksični inducibilni faktor (HIF), ki nato sproži transkripcijo in angiogenezo (rast krvnih žil). Z zmanjšano koncentracijo dveh antioksidantov NADPH in α-ketoglutarata se poveča tudi tveganje za nove mutacije, povzročene s strani reaktivnih kisikovih zvrsti. Poleg tega lahko α-KG sam deluje kot mutagen ali pa tudi inhibira metilacijo DNA in histonov, zaradi česar je izražanje onkogenov povečano. Kljub temu, da je ta metabolična pot pri tumorjih precej kompleksna, nam bodo nove metode detekcije tumorjev kmalu omogočile tudi boljše razumevanje samih mutacij in mehanizma nastanka tumorjev, ki tiči v ozadju.

Fran Krstanović: L-Carnitine enhances exercise endurance capacity

Our energy metabolism is working constantly to cover energy need of our body. ATP represents the first line of action. With cellular ATP concentration low, our body needs other sources of energy as fuel. Fats carbs and proteins play that part. To get energy from fats they need to be oxidase. The process of fat oxidation is situated in the mitochondria. Fats need a special transporter to get into the cell, l-carnitine. Apart from fat transportation l-carnitine has many other roles; enhancing exercise endurance capacity is believed to be one of them. Mice fed with L-carnitine showed great promise to confirm this theory. Glycogen concentrations were higher, all important parameters for fatty acid intake and mitochondria biogenesis were higher and do additional AMPK was activated. The most important parameter was higher endurance capacity was reached. The problem lies in implicating the theory on humans; consuming concentrations are unknown (high can lead to problems, low won’t have affect). Further experiments will surely be held as carnitine provides great attention from sports industries as a supplement for fat burning or maybe for greater athletes’ fatigue.

Janja Krapež: Vpliv metabolizma maščobnih kislin na povišan krvni tlak v plučnih arterijah

Povišan krvni tlak v pljučnih arterijah (PAH) je huda bolezen, ki posledično zelo vpliva tudi na srce, predvsem na desni prekat, ki se zaradi prevelike obremenjenosti poveča. To lahko privede tudi do odpovedi srca. Zakaj pride do nepravilnega delovanja desnega prekata, je še neznano, prav tako kako do tega pride. Zadnje raziskave sklepajo, da je z nedelovanje povezan tudi metabolizem maščobnih kislin in glukoze. Problem predstavlja kopičenje maščobnih kislin znotraj mišičnih celic srca. Za transport maščobnih kislin z dolgimi verigami poskrbi protein CD36 skupaj s FATP (v miocitih FATP6). Kopičenje maščobnih kislin v celici je povezano tudi s favoriziranjem oksidacije glukoze. Preklop med ß-oksidacijo maščobnih kislin in oksidacijo glukoze poteka v Randlovem ciklu, kjer intermediati ene oksidacije inhibirajo drugo. Ključni pri inhibiciji ß-oksidacije je malonil-CoA, ki inhibira CAP encim na mitohondrjski membrani in je ključni prenašalec maščobnih kislin v mitohondrij, kjer se nadalje oksidirajo. Trenutne raziskave želijo izboljšati delovanje desnega prekata prav preko oksidacije maščobnih kislin. Šele razumevanje zapletenih mehanizmov metabolizma bo omogočilo nadaljnji razvoj potencialnih zdravil za zdravljenje PAH in posledično tudi izboljšalo delovanje desnega prekata.

Elvira Boršić: Posledice spremenjenega metabolizma maščobnih kislin v kardiomiocitih

V fetusu kardiomiociti pridobivajo energijo z oksidacijo glukoze in laktata zaradi pomanjkanja kisika. Ko se rodimo pa postanejo maščobne kisline preferenčni substrat pridobivanja ATP-ja. Do sprememb glavnega substrata pride zaradi večjih telesnih obremenitev, bolezni in okoliščin zunaj celice. Pri tem imajo osrednjo vlogo razni transkripcijski faktorji, npr. receptor, aktiviran s peroksisomskim proliferatorjem α (PPARα), in transkripcijski koaktivatorji, npr. PPARγ koaktivator 1α (PGC1α). Dokazali so, da lahko nedelovanje vsaj 22 encimov in transporterjev udeleženih pri metabolizmu maščobnih kislin povzroči razne bolezni, ki zmanjšajo delovanje srca. Vsaka od teh pa lahko povzroči srčno popuščanje. Do tega pride, ko srce ni več zmožno črpati krvi iz pljuč po telesu. Najpogostejša vzroka sta zvišan krvni tlak in ishemija. Slednjo povzroči hipoksija, zaradi česar se ustavi tok elektronov v dihalni verigi. V anaerobnih pogojih je tako glikoliza edini vir energije in proizvede le 5 % celotnega ATP-ja, ki ga imajo kardiomiociti v normalnih pogojih. Produkti glikolize porušijo homeostazo in za ohranjanje le-te celice porabijo veliko energije, ki bi se sicer porabila pri kontrakciji. Raven kisika se obnovi pri reperfuziji, ki pa naredi še več škode kot ishemija. Zaradi srčnega popuščanja umre vsako leto več tisoč ljudi, saj še ne poznamo zdravila, ki bi to bolezen preprečilo. Ker še ne razumemo vseh mehanizmov, poteka na tem področju veliko raziskav.

Miha Koprivnikar Krajnc: Pomanjkanje karbamoil-fosfat sintetaze

Pomanjkanje karbamoil fosfat sintetaze (CPS1) je ena izmed motenj cikla sečnine, torej poslabša zmožnost proizvodnje sečnine, ki ima pomembno vlogo pri regulaciji pH. CPS1 katalizira nastanek vstopne spojine cikla sečnine, karbamoil fosfat, in jo regulirajo Mg2+, Ca2+, NAG, ter tudi druge snovi posredno, preko NAG sintetaze. Mutacij, ki povzročajo spremembo strukture CPS1 je kar nekaj in povzročajo spremembe v aktivnosti encima različnih jakosti (od milih sprememb do popolne inaktivacije). To je razlog, da nekateri oboleli velikokrat sploh ne dočakajo otroštva, medtem ko pri ostalih bolezen pride na dan kasneje v življenju ob nekem stresu za organizem. Simptomi pomanjkanja CPS1 so predvsem nevropatološke narave in vključujejo poslabšanje kognitivnih sposobnosti, epizode delirija, utrujenost in druge simptome. Pri pacientih s hujšimi motnjami lahko bolezen tudi po zdravljenju pusti trajne posledice, saj pride do poškodb možganov v procesu razvoja. Razlog za nevrotoksičnost je osmotska aktivnost glutamina, ki se v velikih količinah nabira v astrocitah možganov. To povzroča hipertonično okolje v celicah in otekanje možganov. Brez ukrepov to privede do kome in smrti. Zdravljenje akutnih primerov motnje se začne z uporabo lovilcev amonijaka in dializo krvi, nadaljnji ukrepi pa so za enkrat omejeni na dieto z malo proteinov in citrulin. Za prihodnost je obetavno zdravljenje s stimulacijo encima z aktivatorjem oziroma njegovim analogom ali pa kar s stimulacijo sintetaze aktivatorja.

Špela Malenšek: Leucinska in glutaminska regulacija mTORC1

Kompleks mTORC1 je ohranjena Ser/Thr kinaza, ki z združevanjem signalov regulira celično ravnovesje med anabolizmom in katabolizmom. Nadzoruje celično rast, sintezo proteinov ter ribosomov in blokira avtofagijo. Nepravilno delovanje mTORC1 je vzrok različnim vrstam raka, diabetesu tipa 2 in nevrodegenerativnim boleznim. Verjetno najpomembnejši, a hkrati najmanj razumljeni regulatorji mTORC1 so aminokisline, med katerimi izstopata leucin in glutamin. Koncentraciji slednjih v citosolu sta odvisni druga od druge, saj je t.i. terciarni aktivni transport leucina v celico sklopljen s prenosom glutamina iz celice. Eden izmed modelov regulacije mTORC1 predpostavlja, da so pri prenosu aminokislinskega signala do mTORC1 glavni trije multiproteinski kompleksi, ki vključujejo majhne RagGTPaze, Ragulator in v-ATPazo. Združitev slednjih poteka na lizosomih, kjer je mTORC1 posledično tudi aktiviran s proteinom Rheb. Aminokislinska signalna kaskada mTORC1 predstavlja tudi tipalo, s katerim celica zaznava prisotnost in koncentracijo aminokislin v lizosomskem lumnu, citoplazmi in v zunaj-celičnem prostoru. Delovanje v-ATPaze je namreč močno odvisno od koncentracije leucina v notranjosti lizosomov in predstavlja t.i. »notranjo« regulacijo mTORC1. Hkrati naj bi leucin neposredno vplival na spremembno konformacije RagGTPaz z vezavo na protein Sestrin2, vendar so je popoln mehanizem posledice vezave leucina še nepojasnjen. Glutamin naj bi na mTORC1 deloval drugače kot leucin (brez posredovanja RagGTPaz in Ragulatorja), hkrati pa naj bi regulacijsko vlogo aktivacije mTORC1 imel tudi eden izmed produktov dvojne deaminacije glumatina, α-ketoglutarat.

Neža Koritnik: Uravnavanje koncentracije ROS in glutationilacija v mitohondriju

V mitohondriju zaradi razlik v redoks okolju nastajajo reaktivne kisikove spojine (ROS), ki lahko povzročajo oksidativno škodo, v manjših koncentracijah pa so pomembne signalne molekule. Njihov glavni vir so predvsem flavoproteini, jih najdemo tudi v kompleksih dihalne verige in nekaterih encimih Krebsovega cikla. Ti lahko v času oksidativnega stresa zaradi različnih razlogov prenesejo elektrone namesto na njihov naravni akceptor direktno na kisik, pri čemer se tvorijo reaktivni superoksidni radikali (in druge ROS). H2O2 ima sposobnost oksidacije tiolnih cisteinskih ostankov proteinov (-SH do -SOH), kar ponavadi povzroči reverzibilno deaktivacijo proteinov in s tem regulacijo različnih procesov v mitohondriju. V skrajnem primeru pa pride do hiperoksidacije (do -SO2H ali - SO3H), ki pa je ireverzibilna in lahko trajo poškoduje proteine in druge molekule. Za preprečevanje oksidativne škode in uravnavanjem redoks signalizacije so se razvili sistemi GSH/Gpx/GR in Prx/Trx/TrxR. Glutation (GSH) je pomembna molekula, ki v razmerju s svojo oksidirano obliko (dimerom GSSG) določa redoks stanje v mitohondriju. V oksidirani obliki ima sposobnost vezave na tiole cisteinskih ostankov proteinov. To je proces glutationilacije, pri kateri se tvori disulfidna povezava protein-SSG, kar pa ima regulatorno vlogo (začasna aktivacija/deaktivacija proteina) ali pa zaščitno vlogo pred hiperoksidacijo. Pomemben encim, ki regulira glutationilacijo je glutaredoksin (Grx). S temi mehanizmi se v mitohondriju uravnavajo številni metabolni procesi in redoks stanje matriksa.

Urša Kopač: Vpliv mutacij na delovanje ATP-sintaze s poudarkom na TMEM70

Mutacije genov, ki vplivajo na encim ATP-sintaza, v grobem razdelimo v dve skupini. Tiste, ki nastanejo na mitohondrijski mtDNA, in tiste, ki vplivajo na genski material v jedru (nDNA). Različne mutacije vplivajo na različne podenote ATP-sintaze, ali pa mutirajo gene za proteinske faktorje, ki sodelujejo pri biosintezi ATP-sintaze. Med slednje prištevamo tudi mutacije TMEM70 na nDNA. Proteinski faktor TMEM70 vpliva sintezo domene F1. Ugotovili so, da mutacije na genu TMEM70 povzročijo, da se sinteza ATP-sintaze ustavi že v začetni fazi. Ker se encimski kompleks ne more sintetizirati do konca, nastanejo motnje v metabolizmu zaradi pomanjkanja ATP. Z elektronsko mikroskopijo so dokazali, da se v takšnih bolezenskih stanjih morfologija mitohondrija korenito spremeni. S proučevanjem mutacij genov, ki vplivajo na delovanje ATP-sintaze, pridobivamo tudi nove podatke o biosintezi ATP-sintaze. To je več kot dobrodošlo, saj v nasprotju s samo strukturo ATPaze o poteku izgradnje encima ne vemo veliko. Predvsem se na ta način zbira podatke o pomožnih faktorjih, ki imajo ključno vlogo pri tvorbi tega pomembnega encima. Za primer lahko vzamemo TMEM70. Šele s proučevanjem mutacije TMEM70 pri bolnikih z mitohondrijskimi boleznimi so odkrili, da je sama sinteza ATP-sintaze povezana s pomožnim proteinskim faktorjem TMEM70. Obširnejše znanje o biogenezi ATP-sintaze ter o mutacijah, ki vplivajo na delovanje ATP-sintaze, pomeni tudi več možnosti za razvijanje novih potencialnih zdravil in oblik zdravljenja.

Gašper Virant: Vpliv reaktivnih kisikovih spojin na dolžino življenjske dobe

Reaktivne kisikove spojine oz. kratko ROS nastajajo v 90% v mitohondrijih v glavnem na dihalni verigi, natančneje na kompleksih I in III. V preteklosti so veljale kot nujno zlo prisotno v celici, saj lahko zaradi svojih oksidacijskih lastnosti poškodujejo proteine, DNA in ostale makromolekule, kar vodi v celično disfunkcijo in kasneje smrt. V poznejših raziskavah so ROS-e začeli osvetljevati z druge strani in jim pripisovati ter poudarjati njihov pomen za celično sporočanje. Seveda je transdukcija z ROS-i zelo reguliran proces na več stopnjah. V glavnem se ROSi pojavijo v povečani količini kot odgovor na stres in v vlogi signalnih intermediatov aktivirajo različne celične odzive, ki vodijo k adaptaciji na le-tega . Prekomerna količina ROS-ov je lahko zmanjšana s transkripcijo genov, ki kodirajo sirtuine. Ti veljajo za proteine, ki skrbijo za vitalnost in zdravje celic ter tako podaljšujejo življenjsko dobo organizma. Sirtuini z deacetilacijo aktivirajo superoksid dizmutaze (SOD) in s tem posledično pomembno znižajo nivo ROS-ov v celici. SOD so encimi, ki pretvarjajo superoksidni anion v vodikov peroksid, kateri v nadaljnjih reakcijah razpade na kisik in vodo. Skratka, rekativne kisikove spojine so v višjih koncentracijah za celico škodljive in krajšajo življenjsko dobo, v malih količinah pa so nujno potrebne za celično sporočanje.

Simon Aleksič: Sinteza eksopolisaharidov v bakterijah in njihov vpliv na povečanje populacije celic imunskega odziva

V človeškem telesu je bakterij desetkrat več kot človeških celic, zato kljub njihovi mikroskopski velikosti njihovega vpliva na telo ne smemo zanemarjati. Pomembne sekrecijske molekule bakterij so eksopolisaharidi, ki se nahajajo na zunanji strani bakterijske membrane in pomagajo pri tvorbi kapsule. Sinteza eksopolisaharidov vključuje zanimive encimske komplekse in procese, med drugim tudi fosfotransferazno pot. Čeprav imajo eksopolisaharidi za bakterijo mnogo efektov, kot so zaščita pred izsušitvijo, spremembami pH in vdiranju antibiotikov so za nas še posebej zanimivi pozitivni učinki eksopolisaharidov na človeške celice imunskega sistema. Bakterija Bacteroides fragilis, ki simbiontsko živi v človeškem črevesju, je ena izmed bakterij, ki izloča zwitterionski polisaharid. Ta vsebuje tako pozitivno kot negativno nabite skupine, te pa mu omogočajo, da ga prepoznajo antigen predstavljajoče celice in ga predstavijo celicam CD4+T, ki imajo regulatorsko vlogo v imunskem sistemu, imunski odziv aktivirajo in tudi inhibirajo. S predstavljanjem antigena se poveča število celic CD4+T, kar tudi posledično privede do boljšega imunskega odziva pri potencialnemu vdoru nevarnih antigenov v telo. Dandanes je mnogo govora o boleznih, povezanih s prekomernim imunskim odzivom telesa na nenevarne antigene - alergijah. Prav zgodnja izpostavitev bakterijam kot je Bacteroides fragilis lahko pripomore k preprečitvi takšnih obolenj pri ljudeh, nadaljnje raziskave pa bodo razkrile več ugodnih učinkov simbiontskih bakterij na imunski sistem.

Uroš Zavrtanik: RuBisCO aktivaza

Rubisco aktivaze (Rca) so posebni proteini, ki so se specializirali za aktivacijo inhibiranega Rubisca (ribuloza-bisfosfat dekarboksilaza/oksigenaza). Ta korak je ključen za dovoljšen izkoristek fotosinteze. Rca je motorni protein, ki spada v družino AAA+ proteinov (ATPases associated with various cellular activities). ATPazna aktivnost proteina omogoča spremembe med konformacijama z vezanim ATP ter po hidrolizi vezanim ADP. Rca tvorijo heksamerne komplekse, ki so v interakciji z inhibiranim Rubiscom zmožne le tega preoblikovati tako, da inhibitor zapusti aktivno mesto encima in Rubisco postane znova aktiven. Model mehanizma aktivacije, ki je bil postavljen glede na strukture udeleženih kompleksov in se ujema z eksperimentalnimi ugotovitvami, vključuje interakcijo centralne pore heksamernega kompleksa Cbbx (Rca za Rubisco rdečega tipa) z na-površini-Rubisca (rdeči tip) izpostavljenim aminokislinskim repom. Z vezavo aminokislinskega repa v poro in njeno kasnejšo transformacijo ob hidrolizi ATP, se lahko sila preko aminokislinskega repa prenese v notranjost Rubisca, kar destabilizira vezavo inhibitorja in ga odstrani z aktivnega mesta. Ker Rca katalizira hidrolizo visokoenergetskega celičnega vira (ATP), je njena regulacija smiselno uravnana. Eden izmed zanimivejših aspektov te regulacije je regulacija glede na svetlobne pogoje, ki vključuje redukcijo in oksidacijo cisteinskih ostankov v α podenotah heksamera Rca zelenega tipa pod vplivom delovanja tioredoksina f. Prikazana modela nam jasno kažejo, kako tesno sta povezana struktura in funkcija in kako pomembne so strukturnobiološke študije za razumevanje bioloških procesov in njihovo manipulacijo.

Matej Hvalec

Plazmodij, taksoplazma in številni njima sorodni enoceličarji so paraziti, ki lahko povzročajo nevarne bolezni. Čeprav živijo tipičen parazitski način življenja in imajo temu primerno zakrnel metabolizem,so znanstveniki pri njih odkrili dodaten genski zapis, ki ne sodi ne v jedro ne v mitohondrij. To zaporedje, dolgo približno 35 tisoč baznih parov, ima lastnosti, primerljive prokariontskemu genomu in določene lastnosti plastidnega genoma. Dejansko se je izkazalo, da je to zaporedje reducirana oblika izvirnega plastidnega genskega materiala, ki pa ima mnogo bolj zavrte metabolične sposobnosti. Organizmi iz družine apikompleksanov so evolucijsko razmeroma blizu fotosintetskim algam in navkljub parazitskemu načinu življenja je velika večina vrst ohranila nekakšne plastide, ki še vedno opravljajo določene naloge v celici in so očitno zelo pomembni. Ob vsaki celični delitvi se od vseh organelov najprej razdeli ta plastid, imenovan apikoplast, in se enakovredno prenese na novo generacijo celic. Organel obdajajo tri oziroma štiri membrane, kar nakazuje na endosimbiontski izvor s primarno ali sekundarno fagocitozo. Veliko plastidnih genov je bilo prenesenih v jedro in zunaj organela sintetizirani encimi se transportirajo v apikoplast ter sodelujejo pri določenih ohranjenih ali prilagojenih metaboličnih poteh, kot so biosinteza maščobnih kislin, prostetične skupine Fe-S, hema in izopreonidov. Ker imajo paraziti zaradi pomembnosti delovanja apikoplasta izpostavljene posebne značilnosti, ki so značilne za prokarionte ali rastline, so ti idealna tarča z boj proti boleznim. Te posebne značilnosti predstavljajo razliko med parazitom in gostiteljem, zato lahko s specifično inhibicijo omejimo okužbo, ne da bi škodovali bolniku.

Katja Brezovar: Vloga biosinteze sfingolipidov pri fagocitozi Candide albicans

Lipidi, kot glavni gradniki celičnih membran, igrajo pomembno vlogo v delovanju celice. Njihove funkcije bi lahko strnili v tri glavne naloge: shranjevanje energije, omogočanje komparmentalizacije znotraj celice in vloga primarnih in sekundarnih sporočevalcih pri signaliziranju in prepoznavanju molekul. Raziskava “Disruption of Sphinoglipid Biosynthesis Blocks Phagocytosis of Candida albicans” pa dokazuje pomembno vlogo sfingolipidov pri fagocitozi patogena Candida albicans. Vemo, da je pri obrambi pred patogenom je ključen imunski odziv. Fagocitoza je eden izmed mehanizmov imunskega odziva. Pomembnost sinteze sfingolipidov pri uspešni fagocitozi Candide albicans so dokazali, s tem, da so sintezo inhibirali – z inhibitorji in pa z modifikacijo genoma. Encime v sintezni poti sfingoglipidov so inhibirali sprva in vitro, kar je pokazalo ovirano fagocitozo. Tudi miši z onemogočeno sintezo sfingolipidov, ki so jih okužili z živimi C. albicans, niso preživele. Z CRISPR/Cas9 genomskim urejanjem smo ustvarili celice z neaktivno podenoto encima SPT – takšna celična linija ni bila sposobna fagocitoze. Posledica omejene sinteze sfingolipidov je pokazala tudi oslabljeno ekspresijo receptorjev PRR (Patteren Recognition Receptors), kot so Dectin-1, TLR2 in FcγR, ki prepoznavajo vzorce na patogenih in zagotovijo primeren odziv na njih. Z dodatkom gangliozida GM1 tistim celicam, ki so imele onemogočeno sintezo sfingolipidov, smo videli, kako se je sposobnost fagocitoze povrnila.

Urša Čerček: PCSK9: Nov način uravnavanja koncentracije LDL

Srčno-žilne bolezni so eden izmed najpogostejših vzrokov smrti v razvitem svetu. Glavni razlog za razvoj teh obolenj je povišana koncentracija LDL. To so lipoproteinski delci z najmanjšo gostoto, ki skrbijo za prenos holesterola iz perifernih tkiv do jeter. Če je teh delcev preveč, se holesterol prične nabirati v t.i. penastih celicah. Povišanje koncentracije se sedaj preprečuje z uporabo statinov, ki inhibirajo delovanje HMG-CoA reduktaze. Problem je, da je veliko ljudi odpornih na njihovo delovanje in da imajo veliko slabih stranskih učinkov. Znanstveniki so zato z odkritjem novega encima PCSK9 in predstavitvijo njegove strukture omogočili razvoj novih zdravil na tem področju. Ta encim je eden izmed glavnih regulatorjev izražanja LDL receptorjev na membrani hepatocit, saj jih razgrajuje. Mutacije gena za zapis PCSK9, ki zavirajo njegovo izražanje, so bile zelo pomembne za načrtovanje zdravil, saj jih novi načini zdravljenja oponašajo. Najbolj obetavno se je do sedaj izkazalo zdravljenje z monoklonskimi protitelesi, ki so večinoma že v tretji fazi kliničnih raziskav. Dve zdravili pa sta že dobili dovoljenje FDA za njihovo uporabo kot poizkusni zdravili. Poleg tega bi lahko LDL znižali s tehnikami za utišanje genov, v zadnjem letu pa so odkrili tudi aligatne oligosaharide kot potencialne inhibitorje PCSK9.

Gašper Žun: Biosinteza in biološka vloga terpenoidov s poudarkom na abscizinski kislini

Terpenoidi so lipidi in so zelo raznolika ter hkrati tudi največja skupina biomolekul. Njihova hipotetična gradbena enota je izopren (C5), zato imajo po navadi verigo dolgo iz večkratnika števila 5 ogljikovih atomov. V organizmih imajo funkcijo hormonov, privabljanja opraševalcev, fotosinteze in obrambe pred biotskim in abiotskim stresom. Predlagani biosintetski poti izoprenoidov sta dve: Prva poteka iz acetil-CoA preko mevalonata do dimetilalil difosfata (DMAPP), druga pa iz piruvata preko deoksiksiluloza fosfata do izopentenil difosfata (IPP) in dimetilalil difosfata (DMAPP). Produkt te konvergentne sinteze vsebuje 5 ogljikovih atomov; višji terpenoidi se sintetizirajo z nadaljnjo kondenzacijo osnovnih enot. Regulacija biosinteze poteka tako na transkripcijski kot posttranskripcijski ravni. Znani so mehanizmi, ko na biosintezo terpenoidov vpliva dnevno-nočni ritem, napad patogenov, mraz ali suša. Terpenoidni hormon, ki se odziva na te zunanje dražljaje, je abscizinska kislina. V višjih rastlinah se sintetizira s katabolizmom karotenoidov, njena raven pa se poveča ob stresu. Takrat hormon z vezavo na receptor omogoči izhajanje Cl- in K+ iz listne celice zapiralke, kar povzroči padec turgorskega tlaka, zato se listna reža zapre. Rastlina s tem ob suši prepreči transpiracijo vode, ob napadu patogenov pa jim prepreči vstop v organizem. Terpenoidi so uporabni kot prehranski dodatki, v farmacevtski industriji, pomembni pa so tudi v kmetijstvu za zaščito poljščin.

Petra Hruševar: Serin in glicin ter njun vpliv na rakave celice

V tumorskih celicah pride do velikega reprogramiranja celičnega metabolizma, da bi lahko zadostile povečani potrebi po hranilih za rast in delitev. Poleg običajnih povečanj porabe glukoze in glutamina, so se raziskovalci osredotočili na povečanje biosinteze serina, glicina in encimov povezanih s tema biosintetskima potema. Serin in glicin sta biosintetsko povezana in predstavljata prekurzorje za nujno sintezo proteinov, lipidov in nukleotidov... Obe poti povezuje cikel enega ogljika, katerega lahko razdelimo na folatni in metioninski cikel ter transsulfuracijsko pot, in je pomemben za nadaljnjo biosintezo proteinov, lipidov, nukleotidov... Mutacija kateregakoli encima teh poti vodi do okvare rasti celic. S pomočjo mnogih raziskav so dokazali, da je biosinteza serina potrebna in zadostna za onkogenezo, povečana absorpcija in katabolizem glicina pa prav tako spodbujata tumorigenezo in malignost. Pomembna je tudi povezava p53 in PKM2 z reprogramiranjem metabolizma rakavih celic, saj celotna skupina p53 tumor supresorskih genov spodbudi biosintezo serina in glicina, zmanjšana aktivnost PKM2 zaradi pomanjkanja serina pa preusmeri 3-fosfoglicerat iz glikolize v biosintezo serina. Glede na ta odkritja in še vedno veliko nepoznavanje uporabe teh odkritij, bi bile smiselne nadaljnje raziskave v tej smeri, predvsem glede razvoja novih terapij/zdravil za rakava obolenja pri katerih je cilj tarčenje biosinteze serina/glicina in cikla enega ogljika.