Molekulārā šūnu bioloģija

Molekulārās šūnu bioloģijas priekšmets ir šūna kā funkcionējoša molekulu sistēma. Pētījuma vienība var būt viena olbaltumviela, bet jautājums vienmēr ir par tās lomu šūnas dzīvē: kur tā atrodas, ar ko saistās, kas to ieslēdz un izslēdz, kas notiek, ja tās nav.

Nozares jautājumi grupējas ap dažiem lieliem tematiem, kas atkārtojas visos audos un praktiski visos organismos.

Šī universālums ir arī iemesls, kāpēc cilvēka slimības pēta raugā, apaļtārpos, zebrzivīs un pelēs: pamatmehānismi ir evolucionāri seni un lielā mērā kopīgi.

• Kā ģenētiskā informācija tiek glabāta, kopēta un nolasīta.
• Kā šūna ražo, saloka, marķē un nogādā olbaltumvielas vajadzīgajā vietā.
• Kā šūna iegūst un tērē enerģiju un kā tā uztur iekšējo vidi.
• Kā šūna uztver ārējos signālus un pārvērš tos rīcībā.
• Kā tiek vadīta šūnas dalīšanās, specializēšanās un ieprogrammētā nāve.
• Kā šūnas savienojas cita ar citu un ar starpšūnu vielu, veidojot audus.

Katra organella ir vienlaikus ģeometrisks veidojums un ķīmiska darbnīca ar savu molekulu komplektu. Kodolu (nucleus) norobežo dubulta membrāna ar kodolporām, caur kurām iziet un ieiet molekulas pēc stingriem atpazīšanas signāliem. Endoplazmatiskais tīkls (reticulum endoplasmicum) ir vieta, kur jaunas olbaltumvielas nonāk membrānās un iegūst pirmās cukuru piedēvi.

Golgi komplekss (complexus golgiensis) darbojas kā šķirošanas stacija ar precīzu adresēšanas sistēmu, bet lizosomas (lysosomae) ir skābā gremošanas nodaļa. Mitohondriji (mitochondria) ir vienīgās organellas cilvēka šūnā, kurām līdzās kodola DNS ir arī pašām sava, mātes līnijā pārmantota DNS.

Šūnas formu un kustību nodrošina citoskelets: aktīna pavedieni, starpposma filamenti un mikrotubulas. Tieši šo struktūru molekulārā uzbūve izskaidro, kāpēc dažas pretaudzēju zāles darbojas, apturot mikrotubulu darbību šūnu dalīšanās laikā.

Nozares pamatass ir ģenētiskās informācijas ceļš, ko dēvē par molekulārās bioloģijas centrālo dogmu. Svarīgi saprast, ka tā apraksta nevis vienvirziena konveijeru, bet gan cieši regulētu virkni soļu, kur katrā posmā šūna var iejaukties.

Tieši regulācijas soļi, nevis paši gēni, nosaka šūnas identitāti. Aknu šūnā un ādas šūnā DNS ir viena un tā pati, bet nolasīto gēnu kopums ir pavisam atšķirīgs.

1. Hromatīna atvēršana: histonu ķīmiskas izmaiņas nosaka, kurš DNS gabals vispār ir pieejams nolasīšanai.
2. Transkripcija: RNS polimerāze pēc DNS matricas sintezē pirmatnējo RNS.
3. RNS apstrāde: tiek izgriezti introni, pievienota aizsargājoša cepurīte un poliadenilētā aste.
4. Transports: gatavā informācijas RNS caur kodolporu nonāk citoplazmā.
5. Translācija: ribosoma pēc trīs nukleotīdu kodoniem savieno aminoskābes polipeptīda ķēdē.
6. Pēctranslācijas apstrāde: olbaltumviela salokās, tiek apgriezta, apcukurota vai fosforilēta un nogādāta galamērķī.
7. Noārdīšana: nevajadzīgās vai bojātās olbaltumvielas tiek marķētas ar ubikvitīnu un sašķeltas proteasomā.

Šūna nepārtraukti klausās. Membrānā iestrādātie receptori uztver hormonus, augšanas faktorus, kaimiņu šūnu virsmas molekulas un starpšūnu vielas signālus, un katrs no tiem iedarbina fermentu kaskādi, kas signālu pastiprina un novada līdz kodolam. Viena molekula uz šūnas virsmas šādā ceļā var mainīt simtu gēnu darbību.

Šūnas dalīšanos vada cikla kontrolpunkti, kuros tiek pārbaudīts, vai DNS ir pilnībā un pareizi pavairota un vai hromosomas ir pareizi piestiprinātas dalīšanās vārpstai. Ja pārbaude neizdodas, cikls tiek apturēts, līdz bojājums ir salabots.

Ja labot vairs nav iespējams, ieslēdzas apoptoze, sakārtota šūnas pašiznīcināšanās, kurā šūna sadalās mazos, ar membrānu apvilktos gabaliņos un tiek klusi aizvākta bez iekaisuma. Daudzu audzēju būtība ir tieši šo divu sistēmu, kontrolpunktu un apoptozes, vienlaicīga atteice.

Metodika ir tas, kas nozari praktiski definē. Lielākā daļa mūsdienu klīnisko molekulāro izmeklējumu ir tiešs turpinājums metodēm, kas sākotnēji radās pētniecības laboratorijā.

Metožu izvēle vienmēr ir kompromiss starp jutību, telpisko izšķirtspēju un to, vai šūna pētījuma laikā paliek dzīva.

• Polimerāzes ķēdes reakcija: izvēlēta DNS posma miljonkārtīga pavairošana, arī reālā laika variantā ar skaita mērījumu.
• Sekvencēšana: nukleotīdu secības nolasīšana; jaunās paaudzes metodes ļauj vienlaikus nolasīt tūkstošiem gēnu.
• Olbaltumvielu noteikšana ar elektroforēzi un antivielām, ieskaitot imūnblotēšanu un imūnhistoķīmiju.
• Fluorescences un konfokālā mikroskopija ar zaļo fluorescējošo olbaltumvielu un citiem marķieriem dzīvās šūnās.
• Plūsmas citometrija: desmitiem tūkstošu atsevišķu šūnu šķirošana pēc virsmas marķieriem.
• Šūnu kultūras, cilmes šūnu kultūras un organoīdi kā dzīvi modeļi.
• Gēnu rediģēšana ar CRISPR sistēmu, lai izslēgtu vai izlabotu konkrētu gēnu un redzētu sekas.
• Krioelektronu mikroskopija, kas atklāj lielu molekulu kompleksu telpisko uzbūvi gandrīz atomu līmenī.

Molekulārā patoloģija šodien ir onkoloģijas neatņemama daļa. Audzēja paraugā nosaka konkrētas mutācijas un olbaltumvielu ekspresiju, un tieši šis rezultāts izšķir, vai pacientam derēs mērķterapija vai imūnterapija. Tāpat molekulārie marķieri palīdz spriest par prognozi un par atlikušās slimības daudzumu pēc ārstēšanas.

Medicīniskā ģenētika izmanto tās pašas metodes iedzimtu slimību diagnostikā, pirmsdzemdību izmeklēšanā un jaundzimušo skrīningā. Infektoloģijā nukleīnskābju noteikšana ļauj atpazīt izraisītāju agri un precīzi, arī tad, ja to neizdodas izaudzēt barotnē.

Ar šiem izmeklējumiem strādā laboratorijas ārsts un klīniskais laboratorijas speciālists, bet rezultātu skaidro un ārstēšanu izvēlas ārstējošais ārsts: onkologs, hematologs, ģenētiķis vai infektologs. Pats izmeklējuma rezultāts bez klīniskā konteksta nav diagnoze.

Pamats tika likts 20. gadsimta vidū, kad tika noskaidrota DNS dubultspirāles uzbūve un pierādīts, ka tieši nukleīnskābe, nevis olbaltumviela, nes iedzimtības informāciju. Tālāk sekoja ģenētiskā koda atšifrēšana un pirmie eksperimenti ar rekombinanto DNS, kas ļāva vienas sugas gēnu ievietot citā organismā un likt tam ražot vajadzīgo olbaltumvielu.

Nākamais pagrieziens bija cilvēka genoma nolasīšana un tam sekojošā sekvencēšanas izmaksu strauja samazināšanās, kas pētījumu no atsevišķa gēna pārcēla uz veselu genomu mērogu. Paralēli attīstījās fluorescējošie marķieri, kas ļāva molekulas vērot dzīvā šūnā reālā laikā.

Jaunākais posms ir atsevišķu šūnu analīze un precīza gēnu rediģēšana. Abas pieejas kopā ļauj ne tikai aprakstīt, kas šūnā notiek, bet arī pārbaudīt cēloņsakarību, mērķtiecīgi mainot vienu vienīgu gēnu.

Robežas starp radniecīgajām nozarēm ir neasas, un praksē viena cilvēka darbs bieži pieder vairākām vienlaikus. Tomēr uzsvara atšķirības ir reālas un palīdz saprast, ko sagaidīt no konkrēta speciālista vai studiju programmas.

Latvijas augstskolās šo saturu māca gan dabaszinātņu, gan medicīnas programmās, un abos gadījumos tas veido pamatu tālākai specializācijai.

Pirmais: liela daļa zināšanu par cilvēka šūnu iegūta nevis cilvēka, bet raugā, apaļtārpā, augļu mušā un pelē. Tas ir spēcīgi, jo pamatmehānismi ir kopīgi, bet arī bīstami, jo atšķirības parādās tieši tur, kur tās vismazāk gaida, piemēram, imūnsistēmas un vielmaiņas regulācijā.

Otrais: šūnu līnijas, uz kurām balstās daudzi eksperimenti, ir mākslīgi audzētas desmitiem gadu un pa šo laiku ir ievērojami izmainījušās. Rezultāts, kas iegūts plastmasas trauka plakanā slānī, ne vienmēr atkārtojas organoīdā vai dzīvā audā, un šī iemesla dēļ pēdējos gados daudz uzmanības pievērsts eksperimentu atkārtojamībai.

Trešais: vairums olbaltumvielu nestrādā vienatnē. Tās darbojas lielos, mainīgos kompleksos, un tā pati molekula dažādos kompleksos var pildīt pilnīgi atšķirīgas funkcijas. Tāpēc jautājums „kāda ir šā gēna funkcija" bieži ir slikti uzdots jautājums, uz kuru pareizā atbilde sākas ar „tas atkarīgs no šūnas veida un apstākļiem".