ΓΕΝΕΤΙΚΗ

Η «πληροφορική» του κυττάρου

Η θεώρηση των κυττάρων ως μικροϋπολογιστών ελέγχου περίπλοκων βιομοριακών διεργασιών επιτεύχθηκε έπειτα από πρόσφατα βήματα προόδου στην τεχνολογία αποκωδικοποίησης του DΝΑ, που οδήγησαν στην ταχεία και πλήρη ανάγνωση της αλληλουχίας του ανθρωπίνου γονιδιώματος. Η ανάλυση του γονιδιώματος αποκάλυψε ότι τα ανθρώπινα κύτταρα περιέχουν μεταξύ 20.000 και 25.000 γονίδια, τα οποία είναι ικανά να παράγουν ακόμη περισσότερες πρωτεΐνες. Ωστόσο η γραμμική γονιδιωματική ακολουθία δεν μπορεί …

Η θεώρηση των κυττάρων ως μικροϋπολογιστών ελέγχου περίπλοκων βιομοριακών διεργασιών επιτεύχθηκε έπειτα από πρόσφατα βήματα προόδου στην τεχνολογία αποκωδικοποίησης του DΝΑ, που οδήγησαν στην ταχεία και πλήρη ανάγνωση της αλληλουχίας του ανθρωπίνου γονιδιώματος. Η ανάλυση του γονιδιώματος αποκάλυψε ότι τα ανθρώπινα κύτταρα περιέχουν μεταξύ 20.000 και 25.000 γονίδια, τα οποία είναι ικανά να παράγουν ακόμη περισσότερες πρωτεΐνες. Ωστόσο η γραμμική γονιδιωματική ακολουθία δεν μπορεί από μόνη της να ερμηνεύσει πώς τα επιμέρους τμήματά της «συνομιλούν» ή, αλλιώς, πώς το κύτταρο έχει επιλέξει να ενεργοποιήσει μερικά γονίδια ή να «κλείσει» τους διακόπτες άλλων ενορχηστρώνοντας την ανάπτυξη, διαφοροποίηση και ομοιοστασία του οργανισμού.

Το επόμενο σημαντικό βήμα είναι η διαλεύκανση των βιολογικών κυκλωμάτων με τα οποία το κύτταρο πυροδοτεί την έκφραση μελών διαφόρων ομάδων γονιδίων για να επιτελέσουν εξειδικευμένες λειτουργίες και συντονίζει τις γονιδιακές δραστηριότητες. Το βήμα αυτό εστιάζεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του γονιδιώματος και του πρωτεώματος- δηλαδή του συνόλου των πρωτεϊνών που παράγονται από τα γονίδια του κυττάρου.

Οι «διακόπτες» του DΝΑ
Οι χημικοί διεγέρτες ή καταστολείς, οι διακόπτες οι οποίοι ρυθμίζουν το τοπικό, χρονικό και ποσοτικό πρότυπο έκφρασης κάθε γονιδίου, είναι ουσίες που ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες. Κάθε μεταγραφικός παράγοντας αναγνωρίζει-«διαβάζει» μια συγκεκριμένη αλληλουχία DΝΑ δίπλα στο γονίδιο και ξεκινά τη μηχανή η οποία παράγει- μέσω ενός διαμεσολαβητικού μορίου που ονομάζεται αγγελιαφόρο RΝΑ (mRΝΑ)- την πρωτεΐνη που προβλέπεται από τις πληροφορίες (κωδικές περιοχές) του συγκεκριμένου γονιδίου. Οι μεταγραφικοί παράγοντες (γενικοί και κυτταροειδικοί-ιστοειδικοί) είναι και αυτοί πρωτεΐνες και έχουν την ικανότητα από τη μια να προσδένονται στο DΝΑ-στόχο τους και από την άλλη να αλληλεπιδρούν με επικουρικές πρωτεΐνες, που στρατολογούνται από τον μεταγραφικό παράγοντα για να ενισχύσουν ή να χαλιναγωγήσουν τη δράση του (συν-ενεργοποιητές ή συν-καταστολείς, αντίστοιχα).

Πολλοί από τους μεταγραφικούς παράγοντες δρουν για να «ανοίγουν» τους διακόπτες που ενεργοποιούν τα γονίδια άλλων μεταγραφικών παραγόντων, οικοδομώντας έτσι επαγωγικά κυκλώματα που θυμίζουν σε πολλά σημεία αυτά των ηλεκτρονικών δικτύων. Το «διάγραμμα καλωδίωσης» των ανθρωπίνων κυττάρων, τα οποία εκτιμάται ότι φιλοξενούν περίπου χίλιους μεταγραφικούς παράγοντες, συγκροτείται από πολλούς διαφορετικούς τύπους κυκλωμάτων μεταγραφικών παραγόντων. Ο κάθε τύπος κυκλώματος φαίνεται ότι είναι σχεδιασμένος για να ελέγχει ομάδες γονιδίων με διαφορετικούς τρόπους, αυξομειώνοντας την έκφρασή τους σε απόκριση περιβαλλοντικών και άλλων ερεθισμάτων.

Το κύκλωμα του κυτταρικού κύκλου
Ενα παράδειγμα κυκλώματος μεταγραφικών παραγόντων είναι αυτό που ελέγχει τον κυτταρικό κύκλο, δηλαδή την αλληλουχία γεγονότων κατά τα οποία το κύτταρο διαιρείται σε δύο (πολλαπλασιάζεται) και το κύκλωμα του κυτταρικού κύκλου διασταυρώνεται-«διασυνομιλεί» με άλλα ρυθμιστικά κυκλώματα, τα οποία κυβερνούν τα γονίδια που συμμετέχουν σε θεμελιώδεις δραστηριότητες, όπως στον μεταβολισμό και στην προσαρμογή σε ποικίλες περιβαλλοντικές μεταβολές. Το κύκλωμα αυτό περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, τρεις μεταγραφικούς παράγοντες γνωστούς ως p53, RΒ και Ε2F-1, οι οποίοι παρουσιάζονται ελαττωματικοί σε πολλούς τύπους καρκινικών κυττάρων.

Τα δίκτυα μεταγραφικών παραγόντων αποτελούν μέρος μόνον της όλης αυτορρυθμιστικής ικανότητας του κυττάρου, δεδομένου ότι χειρίζονται μόνον τους «αργούς» υπολογισμούς του, όπως αυτούς της διακυβέρνησης, οι οποίοι πρέπει να εκτελεστούν από γενετικά προγράμματα. Το μεγαλύτερο μέρος του ογκώδους υπολογιστικού κυτταρικού έργου, οι «ταχείες» αντιδράσεις σε συνθήκες του περιβάλλοντος, υφίσταται χειρισμούς από αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών. Μερικές από αυτές τις αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών επί πρωτεϊνών, όπως οι καταρράκτες ενζυμικών αντιδράσεων (μεταγωγικά μονοπάτια), οι οποίες μεταφέρουν σήματα από τον εξωκυττάριο χώρο προς το κέντρο λειτουργικής απαρτίωσης και λήψης αποφάσεων (τον πυρήνα του κυττάρου), έχουν ήδη χαρτογραφηθεί ικανοποιητικά. Ωστόσο πολλές απομένουν ακόμη να ταυτοποιηθούν.

Βιολογικά συστήματα και παθολογίες
Στο πεδίο των εφαρμογών, ιδιαίτερα στον κλάδο της ογκολογίας, δεν είναι λίγοι οι επιστήμονες που οραματίζονται τη μελλοντική ταξινόμηση των νεοπλασιών και των πιθανοτήτων μετάστασής τους με βάση όχι το όργανο στο οποίο εντοπίστηκαν, αλλά το προφίλ ενεργότητας των μεταγραφικών παραγόντων τους και των γονιδίων που ελέγχουν και τον βαθμό «κατάρρευσης» του ιστού πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων στον άξονα κυτταρόπλασμα- πυρήνας των καρκινικών κυττάρων.

Η αποκρυπτογράφηση του ιεραρχικού κώδικα για την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση γονιδίων και η διερεύνηση των μηχανισμών με τους οποίους τα γονίδια δρομολογούν τις πρωτεϊνικές «συνεργασίες» θα επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο η απορρύθμιση της μεταγραφικής διαδικασίας οδηγεί στις διάφορες ανθρώπινες παθοφυσιολογίες. Σκοπός της αναδυόμενης Βιολογίας Συστημάτων είναι να καταφέρει να δώσει στους κλινικούς το ίδιο είδος/ επίπεδο ελέγχου των κυττάρων όπως οι ηλεκτρονικοί μηχανικοί μπορούν να ασκούν στα κυκλώματά τους. Η γνώση των «λαθών» που αποδιοργανώνουν τα κυτταρικά προγράμματα θα καταστήσει εφικτή την ποσοτικοποίηση της ανάπτυξης μιας νόσου, την πρόβλεψη της εξέλιξής της και την επιλογή επιλεκτικής θεραπευτικής αποκατάστασης.

Ο κ. Θανάσης Γ. Παπαβασιλείου είναι καθηγητής Βιοχημείας στην Ιατρική Σχολή Αθηνών.

Ακολουθήστε στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις
Δείτε όλες τις τελευταίες Ειδήσεις από την Ελλάδα και τον Κόσμο, από
Science
ΒΗΜΑτοδότης
Σίβυλλα
Helios Kiosk