Směrovací číslo v bílkovině

V úterý 12. října ráno na mne v počítači čekal e-mail: „Asi už to víte. Ale přesto, šéf dostane Nobelovu cenu! Fantastické!“ Günter Blobel patří mezi špičkové vědce v molekulární buněčné biologii, navíc se v posledních letech věnuje problematice buněčného jádra. Patří k průkopníkům, kteří přeměnili buněčnou biologii v molekulární buněčnou biologii. Nobelova cena mu byla udělena za předpovězení a průkaz toho, že bílkoviny v sobě nesou strukturní signální informaci, která je obsažena v sekvenci několika aminokyselin a předurčuje, že bílkovina je buď dopravena na správné místo uvnitř buňky, nebo je sekretována. V analogii se mluví o signálu v podobě poštovního směrovacího čísla, který zaručí, že „zásilka“ (bílkovina) je doručena do Rybitví a ne do Dejvic.

Vznik Rockefellerovy univerzity v New Yorku, kde G. Blobel působí, se datuje 1901. Tehdy byl založen „Rockefellerův ústav lékařských studií“, první americké výzkumné biomedicínské centrum. S univerzitou je spjato již 20 nobelistů, z nichž 5 zde nyní pracuje. Uprostřed velkoměsta je tato univerzita oázou klidu pro soustředěnou vědeckou práci. Vše je uděláno pro to, aby vědečtí pracovníci nebyli zatěžováni administrativním ani jiným balastem. Každý měsíc zde proběhne více kvalitních biomedicínských seminářů než u nás za celý rok.

G. Blobel přišel do Paladeovy laboratoře Rockefellerovy univerzity ještě před sklonkem zlatého věku elektronové mikroskopie, kdy se tímto způsobem podařilo stanovit funkci buněčných organel. Mimochodem, ribozomy se původně nazývaly Paladeho granula. Palade (zavedl vhodné fixace pro buňky a tkáně) spolu s Porterem (jehož ultramikrotomy umožnily nakrájet dostatečně tenké řezy pro elektronovou mikroskopii) mohli konstatovat velmi důležitý fakt. Buněčná architektura byla všude stejná, ať již v hepatocytu nebo v neuronu, nicméně elektronmikroskopický popis byl značně statický. Pro dynamický popis se právě na Rockefellerově univerzitě začaly používat biochemické přístupy. Z té doby pocházejí důležité práce o sekreci proteinů, které v sobě již obsahují dynamické prvky. Tyto objevné práce popsaly principy transportu nově syntetizovaných proteinů od endoplazmatického retikula až po extrabuněčný prostor.

Do tohoto stimulujícího prostředí Rockefellerovy univerzity přišel G. Blobel se zásadními a zcela originálními myšlenkami o důležitosti membrán. Dnes je sice každý z nás generálem, ale jak a proč vznikly membrány před miliardami let? Buňka obsahuje oddělení ohraničená membránou (kompartmenty) či organely, jako je jádro, mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát apod. Každý takový kompartment plní specifické úkoly. Buněčné jádro je rezervoárem genetické informace uložené v molekule DNA, určité segmenty DNA, geny, jsou přepisovány do mRNA, jež je transportována do cytoplazmy a na cytoplazmatických ribozomech (tj. továrnách na bílkoviny) je genetická informace uložená v mRNA v podobě sekvence nukleotidů přeložena do bílkoviny s odpovídající sekvencí aminokyselin. Mitochondrie jsou buněčné elektrárny, které buňku zásobují energeticky bohatými metabolity. Specifické úkoly jsou v buňce zprostředkovány specifickými bílkovinami. Některé bílkoviny (strukturní) jsou stavebními kameny buňky, jiné provádějí specifické enzymatické reakce. Různých bílkovin jsou však v buňce desetitisíce. Jsou ale také mechanizmy, které umožní, že se enzymy produkující energeticky bohaté metabolity nacházejí v mitochondriích a enzymy provádějící přepis DNA do mRNA jsou v jádře?

Blobelova geniální myšlenka spočívala v tom, že nahlížel na směrovací signál proteinů jako geneticky zakódovaný. Navázal na práce laboratoře o sekreci proteinů. Na rozdíl od bílkovin potřebných pro buňku samotnou, které jsou zpravidla syntetizovány na volných ribozomech v cytozolu, jsou proteiny určené k sekreci syntetizovány na ribozomech vázaných na endoplazmatické retikulum, přičemž syntetizovaný polypeptid je translokován skrze membránu retikula do jeho lumen. V r. 1971 Blobel spolu se Sabatinim vyslovil předoklad, že pro přemísťování úseku musí proteiny obsahovat strukturní informaci v NH₂-terminální sekvenci polypeptidu (tj. části proteinu, která je syntetizována jako první), viz obrázek.

Blobel vyvinul přístup in vitro, používající izolovanou mikrozomální membránovou frakci, v němž mohl standardně provádět translokaci a detailní biochemickou analýzu. Jeho přístupy se staly standardem i pro jiné vědecké týmy. Na podobných principech se mohly později studovat translokace proteinů u mitochondrií, chloroplastů či peroxizomů, ale také bakterií. Spolu s dr. Dobbersteinem r. 1975 původní hypotézu rozšířil – částečně stanovil pořadí aminokyselin v signální sekvenci u několika nezralých (prekurzorických) proteinů určených pro sekreci. Tato signální hypotéza počítala s existencí kanálu v endoplazmatickém retikulu, skrze který je syntetizující se polypeptid translokován. Během následujícíh 20 let Blobel se svými spolupracovníky plně potvrdili signální hypotézu a v molekulárních termínech charakterizovali jednotlivé kroky příslušných procesů. Hypotéza se ukázala být univerzální, neboť zúčastněné mechanizmy byly stejné v buňkách kvasinek, rostlin i živočichů.

V r. 1977 G. Blobel prokázal, že stromální protein chloroplastu, jehož kódující gen je umístěn v jádře, je syntetizován jako prekurzorický polypeptid obsahující dočasně signální směrovací sekvenci pro chloroplast. O rok později poprvé prokázal, že integrální protein membrány obsahuje v NH₂-konci polypeptidického řetězce sekvenci, která je strukturním i funkčním ekvivalentem signální sekvence u proteinů určených pro sekreci. Rovněž in vitro vyvinul translokační systém u bakterií. Prokázal v něm, že membránový protein je součástí membrány a identifikoval bakteriální peptidázu štěpící signální sekvenci. Na sklonku 70. let prokázal, že mRNA kódované jadernými geny pro proteiny mitochondriální matrix jsou v cytozolu přeloženy do prekurzorických proteinů a vyvinul první systém in vitro pro sledování importu proteinů do mitochondrií. V tomto systému zdokumentoval syntézu prekurzorického lyzozomálního proteinu a jeho translokaci do mikrozomálních měchýřků. Určil celou primární strukturu signální sekvence stromálního proteinu chloroplastů.

V r. 1980 formuloval obecnou hypotézu vnitrobuněčného pohybu proteinů a biogeneze membrán a navrhl koncepci topogenických signálů (obr). Izoloval a charakterizoval protein rozpoznávající signální sekvenci v proteinech translokovaných přes endoplazmatické retikulum, který nazval signal recognition protein (SRP) a postuloval existenci receptoru pro tento protein v membráně. Určil primární strukturu signální sekvence u lyzozomálního proteinu.

V r. 1982 prokázal, že SRP je součástí komplexu skládajícího se ze 7S RNA a šesti různých proteinů. SRP je od té doby zkratkou pro signal recognition particle. Identifikoval receptor pro SRP z mikrozomálních membrán. Určil primární strukturu signální sekvence pro proteiny importované do mitochondrií pomocí cDNA klonování. V r. 1983 prokázal, že funkce SRP receptoru spočívá v uvolnění signální sekvence od SRP a uvolnění SRP z ribozomu.

V druhé polovině 80. let izoloval proteinový komplex navázaný na membránu endoplazmatického retikula a skládající se ze šesti polypeptidů, který vykazoval peptidázovou aktivitu vůči signální sekvenci. Identifikoval receptor pro signální sekvenci proteinů importovaných do chloroplastů a izoloval bakteriální protein vyvazující signální sekvenci u presekretorických proteinů v bakteriích.

V 90. letech vytvořil z membrán zbavených ribozomů měchýřky, které se ukázaly jako ideální pro in vitro identifikaci bílkovin účastnících se translokace, včetně receptoru SRP a proteinů vytvářejících translokační kanál. Identifikoval mitochondriální receptor pro signální sekvenci, klonoval a sekvencoval cDNA receptoru pro import bílkovin do chloroplastů a charakterizoval mechanizmus vedoucí k translokaci proteinů do chloroplastů. Elektrofyziologickými pokusy prokázal existenci proteinových kanálů v endoplazmatickém retikulu a poskytl důkaz, že signální sekvence dostačuje k otevření těchto kanálů. Pomocí nativní elektronové mikroskopie (kryoelektronové) tyto kanály zviditelnil.

Hlavní zájem Blobelovy laboratoře byl v 90. letech zaměřen především na buněčné jádro, na mechanizmy související jak s importem, tak s exportem makromolekul. Zde je nutné uvést průkaz důležitosti RAN-proteinů v jaderném transportu, určení způsobu importu ribozomálních bílkovin do jádra a určení krystalické struktury jaderných transportních faktorů.

Velký význam má Blobelovo dílo pro medicínu. Např. funkce celého imunitního systému spočívá na topogenických signálech. Několik dědičných nemocí – cystická fibróza, familiární hypercholesterolemie či primární hyperkalciurie – spočívá ve změnách nasměrování proteinů v buňce.

Desítky Blobelových spolupracovníků dnes pracují jako vedoucí laboratoří po celém světě. Atmosféra jeho laboratoře je nadmíru tvůrčí. I když je na jedné straně nesmlouvavý, nechává svým spolupracovníkům volnost a prostor a je vždy ochoten přijmout opačný názor, podpořený solidními výsledky.

Blobelova manželka Laura Maioglio je italského původu a vlastní v New Yorku restauraci Barbetta. A ještě osobní novinka vzhledem k laboratoři. V letošním roce doprovázejí Güntera do laboratoře ne dva, ale už tři angličtí setři.

Günter Blobel má obrovský cit pro „evropanství“. Je prezidentem správní rady nadace „Přátelé Drážďan“. Většinu finančních prostředků z Nobelovy ceny věnuje na rekonstrukci „Frauenkirche“ v Drážďanech.

V osobním styku působí Blobel velice příjemně, v podstatě máte dojem, že Nobelovu cenu jste dostali vy a ne on. A bez okolků přizná, že kdyby zůstal v NDR, asi by nebyl tam, kde je.

Congratulations, Günter! ¹⁾