Vývoj je balancování mezi růstem a smrtí buňky

Studijní text Animace Galerie Video BIO Úkol Odkazy a literatura

V biologickém smyslu je růst výsledkem tvorby nových buněk z buněk již existujících procesem buněčného dělení (mitóza). Jakmile tkáň nebo orgán dosáhne přiměřené velikosti, mitóza se zpomaluje a buňky vstoupí do klidové fáze. Tento buněčný cyklus růstu a klidu je řízen „molekulami kontrolních bodů“, které byly poprvé charakterizovány v osmdesátých a devadesátých letech 20. století u kvasinek a později i u jiných eukaryot.

Pozoruhodné je, že normální vývoj vyžaduje, aby některé zdravé buňky byly odstraněny, zabity procesem zvaným „apoptóza“. První důkazy o podstatě apoptózy vycházejí z podrobných studií hlístice Caenorhabditis elegans, u které může být vývoj každé z 959 buněk dospělce sledován již od oplození vajíčka. Analýza „osudů“ buněk ukázala, že specifické buňky jsou naprogramovány tak, aby v konkrétních časech během embryonálního vývoje zemřely. Narušení programu vede k přebytku buněk – což je charakteristickým znakem rakoviny.

Věděli jste, že?

Zdá se to paradoxní, ale mnoho vědců dnes věří, že rakovina je problémem jak zvýšené proliferace a buněčného růstu, tak stejně i důsledkem nedostatečné smrti buněk.

Hmmm…

Proč je nutné mít programovanou buněčnou smrt? Proč nemůže organismus nadbytečné buňky jednoduše uchovat?

Galerie

Věděli jste, že?

Jeden z prvních mutantů buněčného cyklu izolovaných v laboratoři Lee Hartwella byl málem vyhozen. Mutanti rostli pomalu a byli menší než obvykle, což zrovna nevypadalo jako „jedinečný“ fenotyp.

Hmm…

Proč se organismy nevyvíjejí tak, že si vytvoří pouze tolik buněk, kolik potřebují?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

Michael Hengartner Mike Hengartner je děkanem Přírodovědecké fakulty Univerzity v Curychu a je vedoucím Oddělení molekulární biologie. Pracuje na programované buněčné smrti u C. elegans.

Scott Lowe Scott Lowe je pomocným profesorem na Watson School of Biological Sciences v Cold Spring Harbor Laboratory. Na Memorial Sloan-Kettering Cancer Center pracuje na přirozených obranných systémech proti rakovině.

Film o buněčné smrti Film o buněčné smrti s laskavým svolením poskytli Dr. D. Hoeppner (NIH) a Dr. R. Schnabel (Institut für Genetick, TU Braunschweig). Video je určeno jen pro nekomerční využití, pouze ke vzdělávacím účelům.

Lee Hartwell byl jedním z prvních, který použil jako modelový systém kvasinky a identifikoval mnoho genů zapojených do buněčného cyklu. Bob Horvitz a Mike Hengartner využili C. elegans k odhalení mechanizmu programované buněčné smrti. Scott Lowe ve svém výzkumu ukázal, jaký má regulace buněčného cyklu vliv na rakovinu.

Leland Hartwell (1939-)

Lee Hartwell se narodil v Los Angeles, USA. Jeho otec byl výrobcem značek a Hartwell mu měl po škole v jeho obchodě pomáhat. Hartwell se zajímal o to, jak věci fungují, a to zejména elektrická zařízení. Tato přirozená zvědavost však neznamenala, že byl dobrý student. Vedl si sice dobře, ale s vědou přišel do styku až po střední škole.

Byl přijat na Kalifornský technologický institut (Caltech) a původně si myslel, že bude studovat fyziku. Nicméně se začal zajímat o DNA a vysokou školu dokončil v oboru biologie. V doktorském studiu poté pokračoval na Technologickém ústavu v Massachusetts.

Po zisku titulu Ph.D. odešel na Salk Institute, protože chtěl pracovat s Renato Dulbeccem. Hartwell již věděl, že chce pracovat na buněčném dělení, což byl jeden z výzkumných zájmů Dulbecca. I přes stísněné podmínky – Salk Institute se teprve začal rozvíjet – si Hartwell svá postdoktorská léta užil a od svých učitelů se hodně naučil.

Pak přijal místo odborného asistenta na Kalifornské univerzitě v Irvinu. Udělal poněkud riskantní rozhodnutí a začal jako modelový systém používat kvasinky. V té době mnoho lidí kvasinky nepoužívalo, ale Hartwell chtěl a potřeboval jednodušší experimentální systém pro studium základních otázek buněčného růstu. V oblasti genetiky kvasinek je Hartwell průkopníkem a použil je k identifikaci mnoha genů podílejících se na syntéze proteinů i buněčném cyklu.

V roce 1968 přešel na Oddělení výzkumu genomu (Department of Genome Sciences) na Washingtonské univerzitě a zde provedl většinu práce na genech buněčného cyklu. Zůstal zde až do roku 1996, kdy přešel do Výzkumného centra rakoviny Freda Hutchinsona (Fred Hutchinson Cancer Research Center). Ve své laboratoři pracuje na molekulárních mechanizmech, které udržují a podporují genovou rozmanitost, které by nakonec mohly vést až k vývoji nových druhů.

V roce 1997 byl jmenován prezidentem a ředitelem tohoto centra a většinu svého času tráví propojováním základního, aplikovaného a klinického výzkumu rakoviny. V roce 1998 vyhrál cenu Alberta Laskera za základní lékařský výzkum (Albert Lasker Basic Medical Research Prize) za inovativní a průkopnickou práci. V roce 2001 získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za svou práci na definování buněčného cyklu. V roce 2003 ho washingtonský guvernér Gary Locke vyznamenal medailí za zásluhy, nejvyšším Státním vyznamenáním.

V roce 2009 byl jmenován předsedou personalizované medicíny na Arizonské státní univerzitě a jedním z ředitelů nového Center for Sustainable Health na Bidesign Institute.

Howard Robert Horvitz (1947-)

Bob Horvitz se narodil v Chicagu ve státě Illinois, USA. Jeho matka byla učitelka a jeho otec účetní. Oba rodiče mu vštěpovali respekt a vášeň pro vzdělání. Jako dítě se staral o sbírku motýlů a myslel si, že biologie znamená sběr a třídění mrtvých věcí. Byl dobrý student a zajímal se o mnoho předmětů včetně angličtiny a žurnalistiky. Získal dva bakalářské tituly na Technologickém ústavu v Massachusetts, jeden z matematiky a jeden z ekonomie. Zvažoval studium práv, medicíny, obchodu a dokonce i počítačových věd. Ale protože ho fascinovala molekulární biologie, o které nic nevěděl (do posledního roku na univerzitě neměl žádné hodiny biologie), nastoupil na postgraduální studium biologie na Harvardskou univerzitu.

Zajímal se o neurobiologii, ale protože měl v biologii jen velmi omezené zkušenosti, začal pracovat s fágy, aby se naučil alespoň základy. Své zkušenosti z laboratoří Jamese Watsona a Waltera Gilberta považoval za „zajímavé“. Po dokončení doktorátu v roce 1974 odešel na Medical Research Council v Cambridgi, aby zde pracoval se Sydney Brennerem.

Brenner obhajoval nový modelový systém pro studium vývoje. Caenorhabditis elegans je neparazitická hlístice, která je vhodná pro genetickou analýzu, snadno se pěstuje a je nenáročná. Horvitz rozpoznal výhody C. elegans a použil ji pro studium řady vývojových systémů včetně nervového vývoje, dráhy ras a genetiky buněčných linií. Programovaná buněčná smrt je jen jedním z mnoha projektů, na kterých se pracuje v jeho laboratoři.

V roce 1978 přijal místo na oddělení biologie Technologického ústavu v Massachusetts. Nyní je profesorem biologie. Od roku 1988 je výzkumníkem na Howard Hughes Medical Institute a za svoji práci získal řadu ocenění, včetně ceny Gairdner Foundation Award v roce 1999. Od roku 1991 je členem Národní akademie věd, několika redakčních rad a poradních výborů, a to jak vládních, tak i obchodních.

Ve volném čase rád čte, a to zejména současné britské romány.

S kolegy Johnem Sulstonem a Sydney Brennerem získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu v roce 2002. Všichni tři významnou měrou přispěli v oblasti vývojové biologie využitím modelového organismu Caenorhabditis elegans.

Michael Otmar Hengartner (1966-)

Mike Hengartner se narodil ve městě St. Gallin ve Švýcarsku. Jeho otec byl profesorem matematiky a s rodinou se hodně stěhoval, nejdříve ze Švýcarska do Paříže ve Francii, poté do Bloomingtonu ve státě Indiana a nakonec se usadili v kanadském Montrealu. Díky tomuto cestování získal mladý Hengartner zkušenost s různými jazyky. Hovoří anglicky, francouzsky a německy.

Nikdy nepochyboval o tom, že by nebyl vědcem. Jeho hlavním problémem však bylo, na jaký vědní obor se zaměří. Matematika byla vyloučená, protože na matematiku šel jeho starší bratr. Zvažoval fyziku, ale poté co si přečetl knihu s názvem „Co je život?“ Erwina Schrödingera, uvědomil si, že většina fyziků mění obor a stanou se nakonec biology. Proto se rozhodl, že nebude ztrácet čas fyzikou. V roce 1988 ukončil s titulem bakalář studium biochemie na University of Laval v Quebecu.

Na postgraduální studium byl přijat na oddělení biologie na Technologický institut v Massachusetts. Nemohl se dočkat, až bude s laureátem Nobelovy ceny Davidem Baltimorem pracovat na virových proteinech. Nicméně před konečným rozhodnutím byl přítelem přesvědčen, aby se zúčastnil setkání laboratoře, kde se potkal s Bobem Horvitzem, který řídil laboratoř, která pracovala na Caenorhabditis elegans. V té době byla práce s C. elegans stále ještě poměrně nová a Hengartnerovy se moc nelíbila myšlenka práce s červy. Přesto, když se ho Horvitz zeptal, jestli by nechtěl pracovat v jeho laboratoři, byl Hengartner „příliš zbabělý“ na to, aby řekl ne. Nakonec udělal dobře, protože v následné diskuzi o možných projektech, začal být Hengartner fascinován myšlenkou programované buněčné smrti a možností rozkrýt tento mechanizmus právě použitím C. elegans.

V roce 1994 dokončil v Horvitzově laboratoři doktorát prací o klonování a charakterizací genu ced-9, který je u C. elegans nezbytný pro programovanou buněčnou smrt.

Práce v Horvitzově laboratoři ho vedla k dalším genům zapojených v buněčné smrti jak u C. elegans, tak u jiných organismů. Po doktorském studiu se stal výzkumníkem v Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), kde byl docentem na Watson School of Biological Sciences. Ve svém výzkumu pokračoval v laboratoři Barbary McClintockové. V roce 2001 přešel na Univerzitu v Curychu, kde je děkanem Přírodovědecké fakulty a působí na Oddělení molekulární biologie.

Je výkonným ředitelem Cell Death Society a spoluzakladatelem dvou biotechnologických společností: Devgen v Belgii a ForScience v New Yorku. Je také členem redakčních rad řady vědeckých časopisů včetně Current Biology a Annals of Improbable Research. Je také držitelem řady patentů vycházejících z jeho práce.

Většinu svého volného času tráví se svou rodinou. Hraje volejbal a v roce 2000 vyhrál soutěž CSHL Blackford Coffee Poetry Contest (Blackfoard je kavárna CSHL) v haiku s tímto trojverším:

Black oozy syrup
Brew'd daily by the gallons
Free but at what price?

Scott William Lowe (1963-)

Scott Lowe se narodil ve městě Racine ve státě Wisconsin, USA. Přestože měl předpoklady být dobrým vědcem a na střední škole navštěvoval většinu vědecky zaměřených předmětů, nikdy se o vědu příliš nezajímal. Vlastně si myslel, že se stane právníkem.

V roce 1982 začal se studiem chemického inženýrství na University of Wisconsin-Madison. Myslel si, že chemické inženýrství má něco společného s chemickými látkami a strojírenstvím (a matematikou). Rychle ale zjistil, že to není obor pro něj a začal navštěvovat některé obecné kurzy, aby zjistil, co chce vlastně dělat. O biologii a molekulární genetiku se začal opravdu zajímat až během vysokoškolských kurzů biochemie a matematiky. V rámci vysokoškolského projektu začal pracovat ve výzkumné laboratoři a po absolutoriu zde zůstal jako technik další dva roky.

V roce 1988 odešel na oddělení biologie Technologického institutu v Massachusetts (MIT). Shodou okolností začal ve stejný den na stejném oddělení svá postgraduální studia také Michael Hengartner. Lowe to v té době ještě netušil, ale jeho zájem o onkogeny se jednoho dne protne s Hengartnerovým zájmem o geny buněčné smrti.

Po doktorském studiu zůstal na MIT na postdoktorském postu a začal studovat účinky známého nádorového supresoru p53 na růst buněk. Zjistil, že buňky poškozené radiací potřebují p53 pro programovanou buněčnou smrt. Spojení mezi programovanou buněčnou smrtí a růstem nádorových buněk poskytlo nový pohled na to, jak rakovinné buňky proliferují.

V roce 1994 se připojil ke Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), kde se stal pomocným profesorem na Watsonově škole biologických věd. Jeho laboratoř pokračovala v práci na dráze p53 a účinku genů buněčné smrti na růst, proliferaci a opravu v nádorových buňkách. V roce 2011 se přemístil na Memorial Sloan-Kettering Cancer Center.

Většinu volného času tráví se svojí rodinou, zejména se svými dvěma dětmi. Má rád pěší turistiku, kempování a jeho oblíbeným sportem je také lyžování.

Věděli jste, že?

Buňky, které nejsou u C. elegans podrobeny programované buněčné smrti, často sdílí stejný osud jako buňky sesterské. Zdá se, že nadbytečné buňky nemají žádné negativní dopady.

Hmmm…

Nadbytečné buňky mutantů C. elegans, které nejsou podrobeny programované buněčné smrti, jsou často buňky nervové. Jsou tito červy chytřejší?

Odkazy a literatura

Nobelova cena
Sydney Brenner, H. Robert Horvitz and John E. Sulston získali Nobelovu cenu za svůj objev genetické regulace vývoje orgánů a programované buněčné smrti. WormClassroom
Je vzdělávací portál o výzkumném modelovém organismu Caenorhabditis elegans. WormBase
První verze webové stránky, která obsahuje sekvence genomu hlístice. Bude v ní možno vyhledávat mutace a známé expresní vzory s příslušnými odkazy.

• BioWeb, 1999, A Conversation/Lab Tour with H. Robert Horvitz, Harcourt College Publishers.
• Clarke, A.R., et al., 1993, Thymocyte apoptosis induced by p53-dependent and independent pathways, Nature, 362: 849-852.
• Elledge, S.J., 1996, Cell Cycle Checkpoints: Preventing an Identity Crisis, Science, 274: 1664-1672.
• Hartwell, L.H. and Kastan, M.B., 1994, Cell Cycle Control and Cancer, Science, 266: 1821-1828.
• Hartwell, L.H. and Weinert, T.A., 1989, Checkpoints: Controls That Ensure the Order of Cell Cycle Events, Science, 246: 629-634.
• Hengartner, M.O. and Horvitz, H.R., 1994, C. elegans Cell Survival Gene ced-9 Encodes a Functional Homolog of the Mammalian Proto-Oncogene bcl-2, Cell, 76: 665-676.
• Hengartner, M.O. and Horvitz, H.R., 1994, Programmed Cell Death in Caenorhabditis elegans, Current Opinion in Genetics and Development, 4: 581-586.
• Lowe, S.W., Jacks, T., Housman, D.E., Ruley, H.E., 1994, Abrogation of oncogene-associated apoptosis allows transformation of p53-deficient cells, Proc. Natl. Acad. Sci., 91: 2026-2030.
• Lowe, S.W., Schmitt, E.M., Smith, S.W., Osborne, B.A. and Jacks, T., 1993, p53 is required for radiation-induced apoptosis in mouse thymocytes, Nature, 362: 847-849.
• Murray, A., 1994, Cell Cycle Checkpoints, Current Opinion in Cell Biology, 6: 872-876.
• Spector, M.S., Desnoyers, S., Hoeppner, D.J., Hengartner, M.O., 1997, Interaction between the C. elegans cell-death regulators CED-9 and CED-4, Nature, 385: 653-656.
• Xue, D. and Horvitz, H.R., 1997, Caenorhabditis elegans CED-9 protein is a bifunctional cell-death inhibitor, Nature, 390: 305-308.

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D., Mgr. Zuzana Hanzelková a kolektiv |
ÚEB, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Mendelovo muzeum, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |

| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041

Nahoru