BIO2 Povzetki seminarjev 2022

POVZETKI SEMINARJEV BIOKEMIJA 2022/23

Tinkara Korošec - Vpliv bakterijskega oponašanja evkariontskih signalnih molekul na človeka

S koevolucijo patogenov in njegovih gostiteljev so oboji razvili svoje obrambne mehanizme. Pri nekaterih patogenih je ta proces vodil v evolucijo efektorskih proteinov, ki imitirajo evkariontske proteine in manipulirajo z gostiteljevimi signalnimi potimi. Pojav imenujemo imitacija molekul (angl. molecular mimicry). Gre za proteine, zelo podobne evkariontskim proteinom ali njihovim domenam. Patogene bakterije lahko imitirajo GTPazne regulatorje. Ti so dovzetni za biokemijske abnormalnosti, ki so direktno povezane z boleznimi. Največji skupek imitiranih proteinov so odkrili v bakterijskem rodu Legionella. Med okužbo patogen spremeni namembnost gostiteljske celice za optimizacijo pogojev, ki bakteriji omogočijo preživetje. Če se gostiteljske celice zdravijo, je tako okolje manj ugodno za bakterije in obolenje bo težje napredovalo. Z razumevanjem motivne imitacije preko kratkih linearnih motivov ali SLiM-ov, ki jo uporabljajo bakterije med okužbo, lahko razširimo spekter alternativ zdravljenja infekcij. S porastom rezistence na antibiotike, se je povečala tudi potreba po novih antibiotičnih terapijah. Obetavna alternativo antibiotikom predstavlja ciljanje gostitelja, da ta ustvari neugodno okolje za patogen, kar doseže s povzročanjem motenj v SLiM posredovanih interakcijah.

Pia Kristanc - Toksini kot inhibitorji ionskih kanalov

Toksini so sestavine živalskih strupov, ki na žrtev delujejo na različne načine. Njihov cilj so pogosto ionski kanali, saj tako lahko že majhna količina strupa močno vpliva na veliko različnih procesov. Toksini pogosto delujejo kot inhibitorji. Kanal lahko inhibirajo tako, da zmotijo mehanizem odpiranja in zapiranja ali pa se vežejo direktno v poro in tako zamašijo kanal. Ionski kanali so tudi zanimivi kot tarče za zdravila, vendar je zelo težko ustvariti takšna, ki bi ciljala točno določen ionski kanal. Znanstveniki so zato začeli raziskovati toksine kot potencialna biološka zdravila. Primer takšnega že potrjenega zdravila je zikonotid, ki se uporablja kot analgetik. Pridobljen je iz strupa stožčastega polža in deluje kot inhibitor od napetosti odvisnega kalcijevega kanala, ki se nahaja v živčevju. Toksin blokira kanalsko poro in tako onemogoči njegovo delovanje. Drug primer sta dva toksina, ki blokirata ionske kanale za zaznavanje kisline (ASIC). Pri teh proton igra vlogo liganda, odgovornega za odprtje in zaprtje, zato je kanal direktno odvisen od pH okolja. Toksina, ki ga lahko inhibirata, sta mambalagin, pridobljen iz kače črne mambe, in π-heksatoksin-Hi1a, pridobljen iz avstralskega pajka. Prvi deluje kot analgetik, drugi pa izboljšuje posledice po ishemični kapi. Raziskovanje delovanja toksinov je pripomoglo k poznavanju delovanja ionskih kanalov, hkrati pa odpira možnosti za razvoj raznih zdravil, predvsem analgetikov, ki ne bi vsebovali opioidov.

Marcel Tušek - Pomembnost mitofagije, njena vloga ter korelacija z Atg32 receptorjem

Mitofagija je specifičen proces, ki pomeni, da poteka avtofagija mitohondrija. Ta proces v celici je nastal evolucijsko. To lahko sklepamo po tem, da se aktivira v času pomanjkanja, kar je bilo preteklosti velikokrat prisotno, saj nismo vedno imeli dostopa do hrane. Poznamo tri vrste avtofagije. Celica ima dva procesa s katerima lahko uničuje visoko reaktivne kisikove radikale, ki nastanejo v času oksidativne fosforilacije. To sta mitofagija ter derivat NAC-a, saj obadva razgrajujeta te radikale. Razlika je, da NAC razgradi samo te radikale, medtem ko mitofagija pa kar celoten mitohondrij. Pri mitofagiji je trenutno znanih 32 proteinov, ki so specializirani samo za avtofagijo. Eden najpomembnejših izmed teh proteinov je Atg32, saj če on ni fosforiliran, mitofagija sploh ne more biti inducirana. Atg pomni, da je ta protein avtofagosomsko-povezan. Atg32 je transmembranski receptor, ki celici avtofagosomu sporoča, kam se naj veže. Najdemo ga na zunanji strani membrane mitohondrija. Pokazano je tudi bilo, da če Atg32 vežemo na peroksisome, jih je proces avtofagije sposoben razgraditi.

Lucija Kovaček - Nekroptoza in njena vloga pri raku

Nekroptoza je oblika celične smrti, kjer celica nabrekne, membrana poči in sprosti se znotrajcelična vsebina. Ta vsebuje tudi molekulske vzorce povezane s poškodbo celic oziroma DAMP (angl. damage-associated molecular patterns), ki povzročijo provnetni odziv. Nekroptoza je pomembna zlasti pri regulaciji rasti tumorjev in imunskem odzivu. Regulirana je s proteinskimi kinazami povezanimi z receptorji (angl. receptor-interacting protein kinases) ali z RIP kinazami, bolj natančno z RIPK1 in RIPK3. Procesi signalizacije celične smrti imajo ključno vlogo pri regulaciji tumorjev, saj so se rakave celice prilagodile, tako da bi nekroptozi ubežale. RIP kinaze lahko vplivajo na rast tumorjev z uravnavanjem aktivnosti imunskih efektorjev v tumorskem mikrookolju. Smrt rakavih celic z nekroptozo, lahko tako trajno okrepi protitumorsko imunost. Kljub temu pa obstajajo primeri, pri katerih RIP kinaze povzročijo vnetje in pomagajo pri napredovanju tumorja. Znanstveniki zato želijo raziskati, kako je aktivnost RIP kinaz regulirana v tumorjih in v imunskih celicah ter kako se ti procesi med seboj usklajujejo. To nam bi pomagalo bolje razumeti tumorogenezo in možnosti njenega nadzora v prihodnosti. Šele ko bomo popolnoma razumeli mehanizem regulacije nekroptoze pri raku, bomo lahko zasnovali nove terapije za njegovo premagovanje, kjer ne bi več ogrožali imunskih celic.

Luka Fink - Kako fosforilacija integrinov regulira celične stike in signalizacijo

Celična adhezija je bistvena za tvorbo organov, celično migracijo in interakcijo s ciljnimi celicami in zunajceličnim matriksom. Integrini so veliki proteinski heterodimeri α in β verige in tvorijo pomembno družino molekul celične adhezije. V zadnjih nekaj letih je prišlo do dramatičnega razvoja razumevanja regulacije integrina in izkazalo se je, da je fosforilacija le-tega temeljnega pomena. V tem seminarju želim razložiti, kako je aktivnost integrina regulirana z njegovo fosforilacijo. Proteinske kinaze in fosfataze inducirajo specifične fosforilacije in defosforilacije integrinov, kar jim omogoča uravnavanje dinamičnih interakcij s citoplazemskimi proteini. Eni izmed zunajceličnih ligandov, ki interagirajo z integrini so kolagen, fibrinogen, fibronektin in veliko drugih proteinov, ki imajo sekvenco, ki jo integrini lahko prepoznajo: –Arg–Gly–Asp– (RGD). Kratek citoplazemski podaljšek α in β podenote vzpostavlja povezave s citoskeletnimi proteini, ki ležijo pod plazmalemo: talin, α-aktinin, vinkulin, paxillin in drugi. Nekateri od teh delujejo kot pozitivni ali pa negativni regulatorji integrinov. S tem se dosežejo spremembe v celični adheziji in signalizaciji. LFA-1 (Lymphocyte function-associated antigen 1) integrin je bil uporabljen kot model za študijo adhezije. Je integrin, ki ga najdemo na limfocitih in levkocitih. Igra ključno vlogo pri migraciji levkocitov iz krvnega obtoka do tkiv. Fosforilacija α verige je nujno potrebna za indukcijo fosforilacije na β verigi v LFA-1. Signalni poti enega in drugega integrina, ki lahko aktivirata ali inaktivirata njuno funkcijo, sta nadzorovani s fosforilacijo β verige.

Tin Vranjes - Strukturni pogled signalizacije z G proteini povezanih receptorjev v zunanjem segmentu paličice

V zunanjem segmentu paličice poteka fototransdukcija. To je prevzem svetlobnega signala in njegova pretvorba po signalni poti v spremembo membranskega potenciala paličice. Struktura zunanjega segmenta je specializirana za potek signalne poti, s kupom membranskih diskov med katerimi se nahajajo ključne komponente za fototransdukcijo. S krio-elektronsko tomografijo(krio-ET) lahko dobimo 3- dimenzionalne slike znotraj celičnih okolij z nanometrske ločljivosti in malo motečih artefaktov.V kombinaciji z drugimi metodami nam je omogočila narediti velikostno konsistenten model zunanjega segmenta paličice. Pri sprožitvi kaskade reakcij fototransdukcije in njeni regulaciji je ključen rodopsin in kompleksi, ki jih tvori v svoji aktivirani obliki, s trnsducinom, GRK1 in arestinom. Iz tomografskih slik in strukturnih podatkov o PDE6, ki pretvarja cGMP v neciklično obliko, in GCs, ki pretvarja GMP v ciklično obliko, lahko sklepamo, da proteina delujeta tudi kot steberna proteina pri ohranjanju razdalje med membranskimi cikli. Pri fotostimulacji lahko merimo intrinzične optične signale, ki so posledica podaljšanja fotoreceptorskih celic ob fotostimulaciji. To bi lahko omogočala zgradba PDE6, katerega konformacija se pri aktivaciji spremeni in s tem poveča dolžino med membranskimi cikli. Razumevanje strukture proteinov in okolja v katerem poteka fototransdukcije je ključno za razumevanje bolezni mrežnice.

Teja Mohar - Encimi za popravilo metabolitov

V celici med seboj usklajeno deluje stotine metaboličnih encimov, ki so zelo specifični. A encimi niso popolni katalizatorji in zato, kljub njihovi visoki specifičnosti pod fiziološkimi razmerami, številni katalizirajo manj pogoste stranske reakcije, katerih rezultat so stranski produkti - nekanonični metaboliti. Lahko so neuporabna obremenitev metabolizma saj se lahko kopičijo v celicah in so lahko zaviralni in/ali reaktivni, kar včasih povzroči toksičnost. Zato so za trajno delovanje presnovnih poti potrebni mehanizmi za preprečevanje poškodb metabolitov ali za pretvorbo poškodovanih metabolitov nazaj v fiziološke oblike. Večje pomanjkanje encimov za popravilo metabolitov lahko pri ljudeh povzroči različne bolezni, pri višjih vretenčarjih pa ima lahko smrtonosne posledice. To kaže na njihovo pomembno vlogo pri celičnem metabolizmu. En popravljalni encim ima zmožnost katalizirati številne različne popravljalne reakcije. Velike metabolične poti pa lahko potrebujejo tudi več popravljalnih encimov. Glikoliza tako za popravilo napak potrebuje 10 popravljalnih encimov (G6PC3, PGP, ACYP1, NAXD, NAXE, L2HGDH, GLO1, GLO2, FN3K, MDP-1) in prenašalec (G6PT). Odkritje novih metabolitov, encimov in celotnih poti je omogočilo zdravljenje tudi prej slabo razumljenih bolezni. Glede na število popravljalnih encimov, ki so prisotni pri glikolizi je verjetno, da jih je treba odkriti še na stotine, ki ščitijo širok spekter presnovnih poti.

Tea Amidović - Karakterizacija glikoproteoma

Glikozilacija, ena od najpogostejših posttranslacijskih modifikacij, spremeni proteine in lipide na različne načine, kar ima za posledico prodorno foliacijo celične površine. Kljub veliki kompleksnosti v živalskih sistemih imajo glikanske strukture ključne biološke in fiziološke vloge, pomagajo pri zvijanju proteinov in pri biološkem prepoznavanju. Proteinski glikokonjugati, ki nastanejo kot rezultat glikozilacije, lahko prispevajo k pomembnim biološkim funkcijami. Razumevanje biologije glikokonjugata na ravni konjugata lahko zagotovi pomembne vpoglede v razvoj bioloških označevalcev in zdravil. Ugotavljamo, da so glikokonjugati več kot vsota njihovih posameznih komponent glikana in proteina. Nove raziskave, ki so osredotočene na glikom, kažejo na združevanje glikoma in proteoma na vseh ravneh, od glikanskih nizov do glikoproteomike in krioelektronske mikroskopije. Popolna analiza glikoproteinskih konjugatov kot tudi njihovih komponent je zdaj mogoča zahvaljujoč novim metodam. Vse večja zbirka orodij za karakterizacijo strukture, interakcij in bioloških funkcij proteinskih glikokonjugatov za razumevanje in nadzorovanje teh skrivnostnih biomolekul postaja ključnega pomena za preučevanje glikoproteoma.

Urša Lah - Acetil-CoA in njegova vloga pri regulaciji kromatina

Nastanek acetil-CoA je potreben za učinkovito regulacijo acetilacije histona v jedru. Acetilacija je do danes najbolj raziskana modifikacija histonov. Je proces, pri katerem gre za pripenjanje acetilne skupine iz acetil-CoA na N-terminalni repek enega od histonov. Acetil-CoA obstaja v dveh ločenih območjih v celici. Ločimo mitihondrijski in jedrski/citosolni acetil-CoA. Mitohondrijski izhaja predvsem iz delovanja encim piruvat dehidrogenaze in oksidacije maščobnih kislin. Citosolni acetil CoA pa je odgovoren za acetilacijo beljakovin in sintezo maščobnih kislin. Globalne ravni acetilacije histona so občutljive na razpoložljivost acetil-CoA v celici, ki niha kot odziv na razpoložljivost hranil ali presnovno reprogramiranje, ki je eden od znakov raka. ATP-citrat liaza (ACLY) je encim, ki proizvaja acetil-CoA iz citrata. Prisoten je tako v jedru, kot v citosolu. ACLY v jedru igra ključno vlogo pri ohranjanju acetilacije histona z vzdrževanjem acetil-CoA v jedru celic sesalcev, hkrati pa igra pomembno vlogo pri popravljanju DNK. Pomembno vlogo pa ima pri acetilaciji histona še encim ACSS2, ki pa neposredno uravnava tudi prostorski spomin pri sesalcih. Prav tako igra vlogo pri presnovi in tumorjih in je primerna tarča za raziskovanje v terapevtske namene. Acetilacija presnovnih encimov je zelo ohranjena tako pri prokariontih kot tudi pri evkariontih.

Zara Bunc - Krebsov cikel kot tarča za zdravljenje raka

Vsak aerobni organizem se za pridobitev energije primarno zanaša na Krebsov cikel, ki predstavlja osrednjo pot metabolizma in sinteze makromolekul. Znano je, da se v primeru razvoja celic v rakave, celični metabolizem in posledično tudi Krebsov cikel znatno spremenita. Slednje je predvsem posledica nakopičenja genetskih mutacij. Sprva je bila kot glavna presnovna pot v metabolizmu rakavih celic izpostavljena glikoliza, vendar študije v zadnjih letih nakazujejo tudi na velik vpliv Krebsovega cikla. Slednji predstavlja pomemben vir energije za rakave celice, s čemer omogoči pospešen razvoj raka. Pri raziskovanju specifik poteka Krebsovega cikla v rakavih celicah, se je pojavilo vprašanje, ali bi lahko raka zdravili s pomočjo vanj tarčno usmerjenih terapij. Posebnosti so se pojavile predvsem pri spremenjenih gorivih cikla (glukoza, glutamin, maščobne kisline), izražanju onkogenov in tumor supresorjev (MYC, P53, HIF, RAS) ter pri mutacijah encimov, ki sodelujejo v ciklu (SDH, FH, IDH). Obetavne so predvsem terapije, ki vključujejo inhibicijo določenih procesov z majhnimi molekulami. Ugotovili so, da ima zaenkrat najboljši terapevtski učinek inhibicija razgradnje glutamina (glutaminolize), saj je v rakavih celicah kot glavno gorivo cikla prisoten glutamin. Podobno efektivni so tudi inhibitorji mutiranih encimov cikla. Čeprav številne terapije že kažejo pozitivne učinke pri zaviranju razvoja raka, je trenutno večina še vedno v kliničnem testiranju.

Žiga Koren - Vloga intermediatov Krebsovega cikla pri zaščiti pred ishemijo

Ishemična bolezen srca, eden od vodilnih vzrokov smrti po celem svetu, letno terja kar sedem milijonov žrtev. Med pojavom napada bolezni lahko pride do srčnomišičnega infarkta, kjer se pomembne venčne arterije močno zožajo ali popolnoma zaprejo. Znanstveniki so za boj proti njej predlagali že veliko število terapij, vključno z analizo vloge intermediatov Krebsovega cikla ob pojavu le-te. Med epizodami hipoksije pride do močno povečane proizvodnje sukcinata in fumarata, ki imata tako energijsko vlogo ob pomanjkanju kisika, kot signalno vlogo ob njegovi vrnitvi. Za pojasnitev povišanih koncentracij omenjenih intermediatov sta predlagani dve poti, pri prvi gre za preplet Cahillijevega cikla s Krebsovim, pri drugi pa prride do metabolizma aminokisline aspartat. Sukcinat je pomemben pri preprečevanju ubikvitinacije ob hipoksiji induciranega faktorja 1 (HIF1) in vezavi na na receptor Gpr91, fumarat pa igra ključno vlogo pri aktivaciji oksidativne poti z NF-E2 povezanega faktorja (NRF2). Načeloma so povečane koncentracije intermediatov koristne, a obstajajo tudi z dokazi podprte teorije, da tovrstno kopičenje predstavlja velik napor za celice, ki lahko posledično vodi do poškodb o ponovni vzpostavitvi krvnega toka. Do poškodb pride zaradi močno povečane proizvodnje reaktivnih kisikovih delcev, ki lahko vodi do odprtja mitohondrijskih tranzicijskih por in posledično tudi do aktivacije apoptoze.

Deni Krašna - Krebsov cikel - zvezdišče viroimunometabolizma

Samorazmnoževalni proteinsko-nukleinsko kislinski kompleks, ali bolje rečeno virus, je samo intuitivno povezan z gostiteljevim metabolizmom. Brez ATP, ki ga ta zagotavlja se ni sposoben pritrditi niti na plazmalemo. Sinteza biomolekul in njihovih prekurzorjev, pomenbnih za virusno replikacijo ter brstenje, ravno tako pade na ramena gostiteljevega anabolizma. Zato ni nikakor čudno, da se virus razmnožuje z obzirom na Krebsov cikel. Le-tega med drugim zaradi njegove amfibolične lastnosti smatramo kot središče metabolizma. Nedavno pridobljeno znanje pa ga postavi tudi v središče virusne patogeneze in njenega razvoja. Zasidran proces, sicer skrit v mitohondriju in uravnan z vseh strani neba, pa je virusu težko oblegati, zato napade tudi anaplerotične reakcije. Med njimi na tudi poglavitne, piruvat – oksidirajoče reakcije, ter tako napoti gostiteljsko celico na kriva, vendar zanj ugodna pota. Celica pa ne ostane dolžna, svoje lovke véje iz globin, sicer že signalno signifikantnega cikla trikarboksilnih kislin, ter s svojimi signalno zmožnimi intermediarnimi metaboliti pokaže zobe in zažene vnetni, proti-virusni sistem. Imunoregulatorno funkcijo pa lahko pripišemo tudi nekaterim derivatom metabolitov TCA, ki predstaljajo odlično odskočno desko za pripravo terapevtskih učinkovin. Še posebej, ker se virus težko izogne znižanja plastičnosti metabolizma, in kompleksnosti prepeleta dinamike tako virusno kot gostiteljsko inducirane alarmacije.

Poljanšek Aleš - Ketonska telesca in njihov vpliv na nevrodegenerativne bolezni

Nevrodegenerativne bolezni se pojavijo kot posledica propadanja nevronov in izgubljanja njihovih funkcij. Eden izmed glavnih vzrokov propadanja nevronov so motnje v metabolizmu, med katerimi je najbolj kritična motnja v metabolizmu glukoze, saj nevroni ne morejo proizvajati ATP-ja iz lipidov. Da bi ublažili hipometabolizem glukoze, so se znanstveniki posvetili izvajanju terapij, s katerimi bi povečali koncentracijo ketonski telesc v krvi. Ta lahko namreč delujejo kot nadomesten substrat v primeru nizke koncentracije glukoze v krvi ali zmanjšanja samega metabolizma glukoze. Sama ketonska telesca nastanejo v procesu, imenovanem ketogeneza, v katerem iz prostih maščobnih kislin v jetrnih celicah nastanejo ketonska telesca, med katerimi je najpomembnejši beta-hidroksibutirat, saj ga nevroni najlažje absorbirajo. Ta se nato sprostijo v kri in preko krvno-možganske pregrade nato vstopijo v možgane. Tam se ketonska telesca v procesu, imenovanem ketoliza, pretvorijo v acetil-CoA, ki se nato nadalje sintetizira v ATP. Ketonska telesca poleg tega, da služijo kot nadomesten substrat v nevronih, zmanjšujejo oksidativni stres, blažijo pa tudi nevroinflamacijo. V terapijah, pri katerih so zdravili različne nevrodegenerativne bolezni, se je pokazalo, da lahko s povečanjem koncentracije ketonskih telesc v krvi, za kar lahko poskrbimo s ketogeno dieto, z vnosom srednje-verižnih maščobnih kislin ali z vnosom ketonskih estrov, izboljšamo kognitivne sposobnosti, spomin in jezikovne sposobnosti pri Alzheimerjevi bolezni. Tovrstne terapije so bile učinkovite tudi pri Parkinsonovi bolezni in pri amiotrofični lateralni sklerozi.