Świecące białka

Amerykanie Osamu Shimomura, Martin Chalfie i Roger Y. Tsien kolejno: odkryli fluoryzujące białko o nazwie GFP, wskazali, jak wykorzystać je do badań, i ulepszyli.

14.10.2008

Czyta się kilka minut

Białko GFP-TCTP w dzielacych sie komórkach (etapy podziału – od lewej: metafaza, anafaza i telofaza). Zielono fosforyzujace białko widac w całej komórce, ale szczególnie duzo w aparacie mitotycznym. DNA zabarwiono na niebiesko innym barwnikiem. /fot. Fran /
Białko GFP-TCTP w dzielacych sie komórkach (etapy podziału – od lewej: metafaza, anafaza i telofaza). Zielono fosforyzujace białko widac w całej komórce, ale szczególnie duzo w aparacie mitotycznym. DNA zabarwiono na niebiesko innym barwnikiem. /fot. Fran /

Komitet Noblowski stara się zatrzeć XIX-wieczną klasyfikację dziedzin nauki. Granica między badaniami chemicznymi i biologicznymi jest dziś bowiem szczególnie płynna: np. biochemia i biologia molekularna w pełni należą do obu dziedzin. Tegoroczny Nobel chemiczny zgrabnie łączy klasyczną chemię z nowoczesną biologią. Wyjaśnienie, dlaczego GFP (Green Fluorescent Protein) świeci fluoryzującym światłem, było nie lada osiągnięciem chemicznym. A z wiedzy tej korzysta biologia, medycyna, neurologia czy embriologia.

W połowie lat 50. profesor Yashimasa Hirata z Uniwersytetu w Nagoi wyznaczył młodemu asystentowi Osamu Shimomurze trudny temat badawczy. Chodziło o odkrycie, co wywołuje świecenie morskiego skorupiaka o nazwie Cyprinda. Shimomura poradził sobie z zadaniem nadzwyczaj dobrze i już po roku doniósł, że fluoryzującą substancją żyjątka jest białko. Prof. Hirata wysłał ucznia na kolejne badania do prof. Franka Johnsona z prestiżowego University of Princeton w USA. Shimomura i Johnson skupili się na świecącej meduzie Aequorea victoria. Już w 1962 r. opisali białko podobne do barwnika japońskiej Cyprindy, które nazwali ekworyną. Następnie zauważyli, że ekworyna współpracuje z innym białkiem dającym w świetle ultrafioletowym zielonkawą poświatę. W ten właśnie sposób odkryto GFP.

Jak wykorzystać GFP, pokazał drugi tegoroczny Noblista - Martin Chalfie. Dowiedział się o jego istnieniu dopiero w 1988 r., i to przypadkiem, słuchając seminarium na temat bioluminescencji. Sam interesował się rozwojem układu nerwowego, świecące białka meduzy były dlań równie odległe, co nieznane. Zafascynowany, postanowił sprawdzić, czy uda się użyć GFP jako znacznika komórek. Pomysł był tyleż prosty, co szalony. Chalfie rozumował tak: skoro GFP świeci samoistnie w komórkach meduzy (co wykazał Shimomura), to może zaświeci również w komórkach innych organizmów?

Ale jak wprowadzić GFP do tych komórek? Chalfie dowiedział się, że Douglas Prasher z Oceanographic Institution w Woods Hole koło Bostonu zidentyfikował i wyizolował (w języku naukowym - sklonował) gen meduzy odpowiedzialny za produkcję GFP. Poprosił go o przysłanie próbek. Z początku Prasher nieszczególnie chciał się dzielić osiągnięciem, w końcu jednak się zgodził. Chalfie wprowadził ów gen do DNA bakterii i po pewnym czasie zaczęły one świecić zieloną poświatą. Następnie umieścił ten sam gen meduzy w DNA małego, przeźroczystego nicienia, i to w wybranych jego komórkach nerwowych. To był strzał w dziesiątkę. Neurony, do których wprowadzono gen, świeciły pod mikroskopem, podczas gdy inne komórki nicienia - nie. Stało się oczywiste, że można używać GFP jako świecącego znacznika komórek dowolnych organizmów.

Dzięki zabiegom łączenia ze sobą DNA różnych organizmów (zwanego transgenezą) zaczęto włączać GFP do wybranych genów muszki owocowej, myszy, małpy i człowieka, tworząc tzw. geny hybrydowe.

Taki gen składa się z dwóch części: jedna koduje badane białko, druga GFP. Produkuje on hybrydowe białko - jedno, ale zbudowane z obu części. Przykładowo w moim laboratorium skonstruowaliśmy hybrydowy gen, który produkuje pojedyncze białko złożone z nowotworowego białka o nazwie TCTP i świecącego GFP. Obserwując pod mikroskopem komórki produkujące takie białko, możemy określić, gdzie się ono znajduje, bo umiejscawia się ono tam, gdzie jego niewidoczny odpowiednik. W ten sposób wykazaliśmy, że białko GFP-TCTP łączy się zarówno z włóknistym aparatem podziałowym wokół DNA (zob. zdjęcia), jak i z wieloma innymi włókienkami komórki rakowej. Współdziałanie TCTP z wewnątrzkomórkowymi mikroskopijnymi włóknami bierze udział w procesie nowotworzenia, a szczególnie w groźnym dla życia powstawaniu przerzutów.

Tak można śledzić losy dowolnego białka. Używamy tej technologii także do doświadczeń, które mają pomóc zrozumieć przyczyny zespołu Downa. Wspólnie z dr. Zbigniewem Polańskim z Zakładu Genetyki i Ewolucjonizmu UJ wprowadzamy hybrydowy gen GFP-cyklina B (białko, za którego odkrycie przyznano medycznego Nobla w 2001 r. Brytyjczykowi Timowi Huntowi) do komórek jajowych myszy. Fluoryzujące w komórkach jajowych białko zachowuje się tak samo jak naturalna cyklina B: jest cyklicznie niszczone i odtwarzane, gdy komórki jajowe uzyskują zdolność do zapłodnienia. Prawidłowy przebieg tego procesu (za opis mechanizmu niszczenia nie tylko cykliny B, ale i wielu innych białek, przyznano Nobla z chemii w 2004 r.) jest krytyczny dla kontroli rozdzielania DNA komórek. Wiadomo, że zła jakość tej kontroli bywa przyczyną zespołu Downa. Badanie GFP-cykliny B u myszy, a nie u ludzi, oprócz przyczyn etycznych, ma dodatkowy plus: możemy użyć komórek jajowych genetycznie modyfikowanych myszy pozbawionych wybranych genów, które kontrolują podział komórki (za opracowanie metody uzyskiwania takich myszy przyznano medycznego Nobla w zeszłym roku). Ustaliliśmy niedawno, jak jeden z takich genów (o nazwie MOS) kontroluje niszczenie i odtwarzanie GFP-cykliny B. Do dokładnego opisu mechanizmu wywołującego zespół Downa droga daleka, ale nasze badania przybliżają rozwiązanie zagadki.

Bywa jednak, że zielona fluorescencja szkodzi badanym komórkom. Dlatego naukowcy marzyli od dawna, by uzyskać GFP świecące na czerwono - najlepiej tolerowany przez komórki kolor światła. To marzenie spełnił trzeci noblista, Roger Y. Tsien. Nie tylko wyjaśnił wiele chemicznych zagadek związanych z emisją światła przez GFP, ale modyfikując jego gen, stworzył odmiany dające całą paletę barw. Możliwe stało się badanie w tej samej komórce wielu różnych białek naraz (np. białka TCTP zabarwionego klasycznym zielonym GFP i cykliny B - czerwonym).

Zastosowań GFP i jego pochodnych jest o wiele więcej. Konstruuje się genetycznie zmodyfikowane organizmy (bakterie, drożdże, żaby) z hybrydowym genem zawierającym GFP. Ów gen zaczyna produkować fluoryzujące białko pod wpływem np. trucizn: arszeniku czy innych substancji zanieczyszczających wodę. Mierząc intensywność fluorescencji GFP (co można łatwo zautomatyzować), bada się zanieczyszczenie wody.

Jak to często w nauce bywa, drobne odkrycie dotyczące egzotycznego jamochłona okazało się jednym z najważniejszych narzędzi w dzisiejszej biologii i medycynie. h

Dr hab. JACEK KUBIAK jest biologiem, pracownikiem naukowym CNRS i Uniwersytetu Rennes 1 we Francji. Stale współpracuje z "TP".

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru TP 42/2008