211service.com
Celledetektiven
Dine celler er små chatterboxes, der ikke kan holde noget for sig selv. De fortæller om deres daglige aktiviteter, så alle kan høre - hver smerte og smerte eller kommer og går. Med celler er alt på overfladen.
Hidde Ploegh er MIT-biologiprofessor og medlem af Whitehead Institute for Biomedical Research. (Foto af Sam Ogden).
Og det er også en god ting, fordi immunsystemet, ligesom en overbeskyttende forælder, skal høre præcis, hvad der foregår for at sikre, at vi er sikre. Cellers foretrukne kommunikationsmetode er at vise molekylære flag på deres membraner. Sådanne flag fortæller immunsystemet, om en celle er blevet inficeret med en virus eller er blevet kræft. Men nogle vira kan kneble celler, så immunsystemet ikke aner, hvad der sker.
Hidde Ploegh, en MIT-biologiprofessor og medlem af Whitehead Institute for Biomedical Research, vil gerne vide, hvordan de gør det. I hans laboratorium fokuserer forskere på den taktik, som vira og bakterier bruger til at dæmpe celler. Vi tror, at ved at inspicere disse vira [og bakterier] nøje, kan vi få et glimt ikke kun på deres undvigende funktioner, men også på det sunde immunsystems funktion, siger Ploegh.
Immunsystemets celler omfatter mange slags dræber-, hukommelses- og chatterbox-celler forbundet gennem komplekse kommunikationsnetværk. De dødeligste menneskelige sygdomme – inklusive tuberkulose, HIV og kræft – er meget gode til at skjule deres tilstedeværelse fra immunsystemet. Præcis hvordan de gør dette er ikke godt forstået: Der er mange steder i netværkene, hvor en sygdom kan forstyrre eller ødelægge et signal.
Ploegh er især interesseret i herpesvirus - en stor, gammel familie af vira, hvoraf otte inficerer mennesker - fordi mange af dem kan stoppe kommunikationsprocessen, før den starter, ved at forhindre chatty cellers flag i at gå op. Denne familie har udviklet en pose tricks, som de frustrerer hele denne proces med, siger han.
Hvad Ploegh finder særligt fascinerende ved herpesvirus er, at i modsætning til de fleste andre sygdomsfremkaldende mikrober, så forsvinder de aldrig, når de først har inficeret dig. Hvad disse vira har lært, siger han, er ikke kun, hvordan man inficerer værten og gemmer sig i den, men også hvordan man genaktiverer fra deres latente tilstand, hvilket forårsager feber, sår og andre symptomer nogle gange år og år senere. Virusset kommer ud af skjul over for et immunsystem, der allerede kender til dets tilstedeværelse, og det kan stadig komme ud på toppen og blive overført til den næste vært. Det er et ret bemærkelsesværdigt sæt strategier.
Især har Ploegh fokuseret på en herpesvirus kaldet human cytomegalovirus (HCMV), som er så udbredt, at 50 til 80 procent af amerikanerne huser det i en alder af 40. Inficerede mennesker har normalt ingen symptomer, men virussen kan forårsage øjenbetændelse, leversvigt og død hos mennesker med nedsat immunforsvar, såsom AIDS-patienter.
Ploeghs forskning har vist, at HCMV er blandt de herpesvirus, der kan skjule sig selv ved at forhindre de celler, de inficerer, i at vise deres molekylære flag til immunsystemet. Alle menneskelige celler, uanset om de er inficerede eller ej, viser normalt på deres overflader konstant roterende prøver af de proteiner, der fremstilles indeni. Immunsystemets celler kendt som dræber T-lymfocytter cirkulerer gennem blodet og lymfesystemet for at læse disse prøver. Hvis en celle viser et udsnit af et protein, der normalt ikke er lavet af raske celler - som et kræftprotein eller et viralt protein - vil de dræber T-lymfocytter, der vandrer forbi, opdage det og dræbe cellen. Du kan måske betragte dette som det tidlige advarselssystem, hvormed T-lymfocytten ved, hvad der foregår dybt inde i en celle, siger Ploegh. Hvis virussen kunne afvæbne det tidlige varslingssystem, ville det være midlertidigt usynligt for dræber T-celler.
Ploeghs gruppe opdagede, at det er præcis sådan, HCMV fungerer: det retter sig mod det protein, der bærer udsnit af andre proteiner op til celleoverfladen til visning. Bærerproteinet, kaldet MHC klasse I, fungerer som cellens flagbærer. Den hænger rundt om det sted i cellen, hvor proteiner fremstilles og ødelægges, og griber fat i de stykker, den finder, og hejser dem til celleoverfladen. Forskere i Ploeghs laboratorium har isoleret en klynge af HCMV-gener, der ødelægger eller tilbageholder MHC.
Dette arbejde giver immunologer et kig ind i herpesviruss pose med tricks - og belyser de daglige aktiviteter af normale menneskelige celler. Virussen har kapret, hvad vi nu mener er en vigtig vej til proteinkvalitetskontrol, siger Ploegh. Celler er meget forsigtige, når de kopierer deres DNA, fordi eventuelle fejl vil blive givet videre til fremtidige generationer. Men proteinproduktionen er sjusket med en fejlrate på omkring 10 procent. Det affald skal renses ud af cellen, siger Ploegh; faktisk en del af synteseprocessen er også nedbrydningen af fejltilpasninger. Biologer er ikke sikre på, hvordan upassende proteiner genkendes, men når de først er det, får de et pas, der lader dem komme ind i et proteasom, som Ploegh sammenligner med en kødhakker. Efter at have forladt et proteasom passerer hakkede proteiner, hvad enten de er virale eller cellens egne, ind i det rum, hvor MHC ligger på lur, hvorefter det styrter dem til overfladen til inspektion af T-celler.
Ploegh og hans elever studerede to HCMV-gener i humane celler og viste, at begge dele kan forstyrre flagbæreprocessen. I stedet for at arbejde med inficerede celler, kan du blot installere dette enkelt gen i din celle og se hele vejen udfolde sig, siger han.
Joana Loureiro, en kandidatstuderende fra Universitetet i Lissabon i Portugal, som udfører sin doktorgradsforskning i Ploeghs laboratorium, studerer et af disse gener, kaldet US2 (den anden, kaldet US11 , har lignende virkninger). Ved at bruge en teknik kaldet pulse-chase kan Loureiro spore MHC, US2 's offer. For det første oversvømmer hun, eller pulserer, menneskelige celler med radioaktivt mærkede proteinbyggesten - så mange, at de MHC'er, der er lavet i pulsperioden, overvejende vil være radioaktive og sporbare. Så jagter hun det første sæt byggeklodser med et andet sæt, der ikke er mærket. Loureiro kan således spore en gruppe proteiner, der kun er fremstillet i en vis periode. Dette lader hende se tidspunktet for begivenheder: i nærvær af viralen US2 protein, stikker MHC ud af sit sædvanlige rum og tygges derefter op af cellens kødkværn.
HCMV har andre måder at deaktivere MHC på – for eksempel proteiner, der simpelthen trækker det ned som et anker, så det ikke kan nå celleoverfladen. Men Ploegh siger, at det mest spektakulære eksempel på virussens opfindsomhed er det, Loureiro studerer, hvor virussen vender cellens eget kvalitetskontrolmaskineri mod sig selv. Ploegh-laboratoriet har vist, at HCMV kan deaktivere MHC på bogstaveligt talt få minutter; den inficerede celle har simpelthen ikke tid til at sende en advarsel til immunsystemet.
HCMV kan efterligne en normal proteinbearbejdningsmekanisme i organismer fra gær til mennesker. Gær, de simpleste svampe, hvis genetiske funktion har vist sig meget at ligne vores egen, indeholder gener, der definerer veje, der ligner dem, der bruges af US2 og US11 i menneskelige celler. Denne lighed, siger Ploegh, antyder en forbindelse, der kan laves mellem flugt fra immunsystemets påvisning af vira og meget grundlæggende, normale veje. Han tilføjer, Vi tror, de veje, der bruges af US2 og US11 er emblematiske for, hvordan din typiske pattedyrscelle håndterer proteinaffald. Ved at studere, hvordan native humane proteiner hjælper det virale protein med at ødelægge MHC, håber Loureiro at afdække, hvordan den normale vej fungerer.
Lisa Kattenhorn, en Harvard Medical School-kandidatstuderende i Ploeghs laboratorium, opdagede en anden tilsløringsmekanisme. For at blive vist på celleoverfladen af MHC, skal virale proteiner først gå gennem et proteasoms kværne. Men for at komme ind i et proteasom skal proteinerne have et særligt pas kaldet ubiquitin; uden denne kontrol kunne ethvert protein gå ind i kværnen, og cellen ville til sidst dø. Kattenhorn fandt ud af, at et af de første proteiner, der kommer ind i en celle under infektion med en herpesvirus, er et enzym, der kan fjerne ubiquitin fra virale proteiner. Ingen ubiquitin betyder, at der ikke er nogen virale proteinfragmenter, som MHC kan vise, så infektionen er sandsynligvis usynlig for dræber-T-celler. Alle herpesvirus har dette enzym, så Kattenhorn håber, at hendes arbejde kan føre til en bredt anvendelig behandling.
Selvom Kattenhorn er virolog, er hendes arbejde afhængig af sonder lavet af kemikere i Ploeghs laboratorium. Howard Hang, en kemi-postdoc, der arbejder med Ploegh, beskriver disse prober som lokkemad til at trække proteiner ud, så de kan undersøges i detaljer. Hver sonde har det, der svarer til en fiskeflue, der lokker proteiner til at bide, samt en line, der kan bruges til at hente dem. Kattenhorns prober bruger for eksempel ubiquitin som lokkemad for at tiltrække de enzymer, der fjerner det.
Disse kemiske prober fungerer godt i undersøgelser af de dele af cellen, der er undermineret af herpesvirus, men de kan ikke bruges i levende celler, siger Hang. Sonderne er for store til at komme ind og ud af intakte celler, så cellerne skal pulveriseres, før de undersøges. Hang designer en mindre, mere fleksibel sonde til at lave live-imaging undersøgelser af Salmonella bakterier i aktion. I cellerne det inficerer, Salmonella på en eller anden måde afværger proteaser, enzymer, der ligesom proteasomer nedbryder proteiner. Det forhindrer således dets afslørende proteiner i at nå celleoverfladen og blive set af T-celler. Men Salmonella skal være intakt og levende for at udføre denne bedrift.
Ploegh bruger andre former for billeddannelsesteknikker med levende celler til at studere forbindelserne mellem de forskellige grene af immunsystemet. Han undersøger også immunsystemceller, der fungerer på et mere generelt niveau, end dræber-T-celler gør. I stedet for at reagere på en bestemt stamme af E coli eller for herpes simplex virus type 1, disse celler genkender trusler i meget generelle kategorier – bakterier, virus eller svamp – og handler hurtigt. Lærebøger skelner skarpt mellem disse to grene af immunsystemet, men i det virkelige liv er de tæt forbundet, siger Ploegh. De fungerer på et kontinuerligt spektrum.
Under en infektion forsøger en mikrobe at formere sig, og dens vært forsøger at ødelægge den. Der har man begyndelsen på en langvarig kamp, siger Ploegh. Ved at studere krigsplanerne for herpesvirus og andre mikrober, siger Ploegh, at han ikke leder efter en måde at helbrede en specifik sygdom på, men efter en bedre forståelse af, hvordan immunsystemet fungerer. Og den forståelse vil bedre forberede os til at bekæmpe enhver sygdom.