Millenium: genomics, signal transduktion og bioinformatik

Publiceret Januar 2000

Det andet millenium er slut. De store videnskabelige tidsskrifter har markeret begivenheden på flere måder. I det nye milleniums første nummer har Nature og New England Journal of Medicine bragt historiske oversigtsartikler med tilbageblik på de enestående fremskridt indenfor natur- og lægevidenskab i de forløbne 1000 år. To fremragende artikler Millenium Highlights og Looking back on the millenium in medicine beskriver den eksponentielle udvikling i de videnskabelige opdagelser siden år 1000. Det første nummer af Cell i år 2000 er helliget Millenium reviews, som indeholder en serie af oversigtsartikler skrevet af de førende forskere indenfor molekylær cellebiologi. Oplægget til forfatterne var at give en oversigt over udviklingen i de sidste 100 år og forudsige forskningen i de næste 100 år. Et urealistisk mål, som forfatterne har løst på forskellige måder i meget veloplagte og berigende artikler.

Tre tidsskrifter: Trends in Biochemical Sciences, Trends in Cell Biology og Trends in Genetics har samlet kræfterne om at udgive et fælles Millenium Issue med en række oversigtsartikler. I stedet for at se bagud på de hidtidige landvindinger koncentrerer artiklerne sig om de drivende kræfter bag mange videnskabelige fremskridt: førende forskeres tanker og modeller. Det overordnede mål er at give et indblik i eksperternes syn på de forskningsområder, som dækkes af tidsskrifterne og udfordringerne ved overgangen til det 21. århundrede. Baggrunden for udgivelsen af det fælles Millenium Issue, som udkommer i de tre tidsskrifter samtidigt, er at grænserne mellem de enkelte fag er blevet uklare i de senere år. For biokemien, cellebiologien og genetikken er denne udvikling særlig udtalt. De fleste forskere arbejder på det molekylære og cellulære niveau i dag uden at respektere de traditionelle faggrænser. For eksempel indgår tre aktuelle forskningsområder: genomics, bioinformatik og strukturel biologi i mange, om ikke i alle de naturvidenskabelige fag.

Milleniumskiftet markeres af de store fremskridt indenfor de aktuelle genom sekventeringsprojekter. I de sidste par år er genomet af flere encellede organismer sekventeret: >20 bakterier og gær (Saccharomyces Cerevisiae). Det har givet viden om de basale cellulære funktioner i prokaryote og eukaryote organismer. For et år siden fulgte sekvensen af genomet i en flercellet organisme: Caenorhabditis elegans, en lille orm, som består af 969 celler, heraf 302 neuroner. I begyndelsen af det nye millenium følger bananfluen Drosophila melanogaster. To chromosomer fra en plante, Arabidopsis thaliana er sekventeret og de øvrige chromosomer følger i år. Sekventeringen af det humane genom forventes afsluttet i 2003. Opklaringen af genomerne i de flercellede organismer har fundamental betydning for forståelsen af den cellulære regulation og kommunikation mellem cellerne.

C. elegans genomet indeholder godt 19.000 gener. Klassifikation af proteindomænerne i genomet viste, at blandt de 20 almindeligste domæner er størstedelen involveret i intercellulær kommunikation eller transkriptionel regulation. De hyppigste er G-protein-koblede 7TM receptorer (>1000, ca. 5% af genomet), som falder i 2 grupper: receptorer for neurotransmittere (100 gener) og chemoreceptorer (1000 gener). De næst hyppigste er eukaryote protein kinaser (400), herunder receptor tyrosin kinaser. Andre hyppige domæner er forskellige typer af zinc fingre (450), nucleære receptorer (270), protein-tyrosin phosphataser (90), neurotransmitter-gatede ion kanaler (80), receptor guanylyl cyclaser (26) og G" -subunits (20).

Sammenligning mellem genomet i et dyr (C. elegans) og en plante (Arabidopsis) viser afgørende forskelle mht. cellulære receptorer. I Arabidopsis chromosomerne findes kun en enkelt G-protein-koblet receptor og eet trimert G-protein, i modsætning til C. elegans, og nucleære receptorer findes slet ikke. Arabidopsis genomet har >100 receptor serin-threonin kinaser, men ingen receptor tyrosin kinaser. Endvidere har Arabidopsis mindst 8 gener for histidin kinase receptorer, som også findes i bakterier og gær, men ikke i dyrearter, inklusive C. elegans. Genomet i C. elegans og Arabidopsis viser, at talrige signaler i den intercellulære kommunikation er nødvendige for de multicellulære organismer, men at den eksakte signal mekanisme er ikke afgørende. Molekylerne som cellerne bruger til kommunikere med det omgivende miljø er vidt forskellige i planter og dyr, men den fundamentale funktion er den samme: modtagelse af et kemisk signal, overførsel til cellen og udløsning af de cellulære virkninger.

Den sidste halvdel af det 20. Århundrede har ført til en række opsigtsvækkende fremskridt i forståelsen af de eukaryote cellers signal transduktion. Hvad bliver husket når historien om signal transduktion skrives år 2100? Udviklingen begyndte da Krebs og Fischer i midten af 50?erne opdagede, at phosphorylering regulerer aktiviteten af et enzym reversibelt gennem kombineret virkning af en protein kinase og en protein phosphatase. Samtidig fandt Sutherland, at hormonerne adrenalin og glucagon øger mængden af intracellulært 3?5? cyklisk AMP, og hermed var "second messenger" begrebet født. Omkring 10 år senere blev den cAMP-afhængige protein kinase (PKA) isoleret som target for cAMP og ansvarlig for mange af cAMP?s virkninger. Med disse observationer var området signal transduktion grundlagt.

Hvilke er de vigtigste milepæle i de sidste 50 år? Opdagelsen af G-proteiner viste det fundamentale princip, at hydrolyse af protein-bundet GTP virker som en molekylær kontakt, hvor signalet tændes og slukkes af 7TM receptorer. Påvisningen af tyrosin phosphorylering af EGF receptoren førte til opdagelsen af en stor familie af ligand-stimulerede receptor tyrosin kinaser, som aktiveres efter dimerisering. De tyrosin-phosphorylerede receptorer og substrater binder proteiner med SH2 domæner, en opdagelse som illustrerede en helt ny funktion af protein phosphorylering, nemlig regulation af protein-protein association. Undersøgelser af intracellulære signalveje viste, at Ras aktiveres af vækstfaktorer via receptor tyrosin kinaser og regulerer flere cellulære funktioner gennem aktivering af protein kinaser. En af de vigtigste er MAP kinasen, som aktiveres af en kaskade af serin-threonin kinaser. MAP kinasen phosphorylerer og aktiverer transkriptionsfaktorer, et eksempel på en generel mekanisme for regulation af genekspression. Opdagelsen af at fedt-opløselige hormoner passerer plasmamembranen uden at bruge receptorer og inducerer cellulære virkninger ved at bindes til en familie af zinc finger transcriptionsfaktorer, såkaldte nucleære receptorer, viste en anden signalmekanisme. "Second messenger" konceptet blev udbygget gennem opdagelsen af phospholipid- og ion-baserede signaler: IP3, DAG og Ca2+. Endelig blev det vist, at en gasart, NO kan virke som signalmolekyle og virke afslappende på glat muskulatur gennem aktivering af guanylyl cyclase og produktion af cyklisk GMP. Betydningen af opdagelserne er markeret ved uddelingen af Nobel prisen i 1971 (Earl W. Sutherland: cyklisk AMP), 1986 (Stanley Cohen, Rita Levi-Motalcini: vækstfaktorer), 1989 (Michael J. Bishop, Harold E. Varmus: cellulære oncogener), 1992 (Edmond H. Fischer, Edwin G. Krebs: protein phosphorylering), 1994 (Alfred G. Gilman, Martin Rodbell: G-proteiner), 1998 (Robert F. Furchgott, Louis J. Ignarro, Fred Murad: nitrogenoxid). Antallet af Nobel priser indenfor signal transduktion er snart på højde med priserne i genteknologi i 70?erne og 80?erne.

Signal transduktion er karakteriseret ved vigtige paradigmer og principper. I de eukaryote celler er signalvejene velbevarede igennem evolutionen fra encellede organismer: gær, primitive dyr: C. elegans, insekter: Drosophila til pattedyr: mus og mennesker. Flere vigtige signalmolekyler blev først opdaget ved genetiske studier i de primitive organismer. Signalmekanismerne kan opdeles i hovedveje, som forekommer i alle celler og biveje, som kun forekommer i udvalgte celler. Mange af de vigtigste signalveje er redundante, således at inaktivering af genet ikke altid fører til sygelige forandringer. Endelig kan defekter i signal transduktion være baggrunden for udvikling af kræft ("gain-of-function") og andre sygdomme ("loss-of-function").

Forskningen indenfor signal tranduktion har ført til opdagelsen af et stort antal signalmolekyler og signalveje, som danner et komplekst netværk i cellen. Netværket kan sammenlignes med et elektrisk kredsløb i kompleksitet og finesse, hvor transistorer er erstattet af proteiner og elektroner af phosphater og lipider. Det store antal signalmolekyler danner et "transcriptom" i analogi med genomet og proteomet. David Baltimore, direktør for California Institute of Technology, USA udtaler, at forskningen er ved at opbygge et bibliotek af signalmolekyler, som udgør grundlaget for forståelsen af den cellulære regulation. For at få overblik og følge med i den intensive forskning indenfor signal transduktion er bioinformatik nødvendig.

Alfred Gilman, professor i farmakologi, University of Texas Southwestern Medical center, USA har startet et multi-laboratorie, multidiciplinært projekt kaldet Alliance for Cellular Signaling; http://afcs.swmed.edu, som skal kortlægge hvordan molekyler i en celle reagerer med hinanden som svar på indre og ydre signaler. Projektet er et skridt i retning af skabelsen af en "virtual cell" og består af to dele. Først vil et netværk af syv deltagende laboratorier i USA samarbejde om, at identificere signalveje i to cellulære systemer i mus: B lymphocyten og myocyten. Forskningsindsatsen koordineres af to komiteer, som skal samle alle data om signalmolekyler i de to celler og kortlægge, hvordan signalerne arbejder sammen. Alliancens medarbejdere omfatter systemprogramører, biologer og informatikmedarbejdere og udgifterne er omkring 10 millioner US$ om året. Dernæst vil Alliancen oprette en database: Molecule pages med detailerede oplysninger om proteiner i signal transduktion. Databasen, som kaldes en "virtual journal" vil være åben for oplysninger fra alle forskere efter "peer review".

Tony Pawson, professor ved Samuel Lunenfeld Research Institute, Mount Sinai Hospital, Toronto, Canada har deltaget i opbygningen af en database BIND (Biomolecular Interaction Network Database; http://bioinfo.mshri.on.ca). BIND indbyder forskere til at indsende deres resultater om protein-protein interaktioner i signal transduktion. Endvidere findes forskellige databaser med informationer om protein kinaser og phosphoproteiner: The Protein Kinase Ressource; http://www.sdsc.edu/kinases/pk_home.html, Phosphoprotein database; http://www-lmmb.ncifcrf.gov/phosphoDB/ og PhosphoBase; http://www.cbs.dtu.dk/databases/PhosphoBase/.

Endelig har tidsskriftet Science, Stanford University og The Center for Ressource Economics/Island Press i 1996 skabt Knowledge Environment, hvis formål er at opbygge web sites med systematisk præsentation af konsensus viden indenfor udvalgte videnskabelige områder. Samarbejdet bag Knowledge Environment ønsker at udvikle og anvende elektroniske netværksredskaber til at lette brugernes adgang til viden - se http://www.stke.org/misc/about.dtl. Databasen kombinerer oversigter og original litteratur med spredte kilder af "hvem-hvad-hvor" viden og præsenterer det i en lettilgængelig og brugervenlig interface. Det første eksempel er Signal transduction knowledge environment; http://www.stke.org. I prototypen samles informationer om signal tranduktion fra en række forskellige tidsskrifter og kilder og gøres tilgængelige for en stor interdiciplinær gruppe af forskere.

Kilder:

  1. J.L. Heibron & W.F. Bynum. "Millenial highlights". Nature 2000;403:13-16.
  2. The Editors. "Looking back on the millenium in medicine". New England Journal of Medicine 2000;342:42-49.
  3. "Millenium Reviews". Cell 2000;100:1-183.
  4. "Millenium issue". Trends in Cell Biology 1999;9:M1-M75/Trends in Biochemical Sciences 1999;24:M1-M75/Trends in Genetics 1999;15:M1-M75.
  5. Alison Abbott. "Alliance of US labs plans to build map of cell signalling pathways". Nature 1999;402:219-220.