Elérkezett az idő, amikor végre széles betekintést
nyerhetünk a lipidek élettani és patofiziológiai szerepébe. Ma már
tudjuk, hogy több ezer féle lipid található egyetlen egy sejtben, és a
lipidek kulcsfontosságú résztvevői az életfolyamatok irányításának,
szervezésének.
A lipidomika, az „omika” korszak e fiatal, gyorsan
fejlődő tudományterülete igyekszik teljes minőségi és mennyiségi
információt adni a lipidek összességéről, képződésükről és
lebomlásukról, valamint metabolikus és transzportfehérjéik működéséről
a sejtorganellumok, sejtek, szervek, illetőleg a teljes szervezet
szintjén. Ezen túlmenően számba veszi, hogy milyen kölcsönhatásban
állnak a lipidek a génekkel vagy fehérjékkel, és ezen keresztül hogyan
szabályozzák a sejtek működését. A lipidomika az új,
rendszerszemléletű kutatási trend része, és amint Falus András írta a
sorozat bevezető cikkében „megkísérli az egyes (amúgy rendkívül
komplex) biológiai jelenségeket kontextusban, környezetükkel egységes
rendszerben szemlélni és kapcsolódási összefüggéseikben, hálózatában
megérteni”. A következőkben rövid áttekintést adunk arról, hogy miért
olyan fontos és izgalmas feladat a lipidvilág felderítése, hogyan
alkalmazható ez a tudás a baktériumok fertőzőképességének
vizsgálatától a növények hőmérséklet- és stressztűrésének megértésén
keresztül bizonyos betegségek patomechanizmusának feltárásáig, vagy új
diagnosztikai, illetőleg terápiás eszközök kifejlesztéséig a biológia
és orvostudomány széles területeire.
A lipidek világa
A lipidek legismertebb képviselői a trigliceridek, közönséges nevükön
zsírok, melyek energiaraktárként funkcionálnak a szervezetben. A
sejtmembrán lipid-kettősrétegének alkotóelemei ún. amfipatikus
molekulák, vízkedvelő (hidrofil) és víztaszító (hidrofób)
molekularészeket egyaránt tartalmaznak. E lipidek alapvető
tulajdonsága, hogy „önszervező” módon, kovalens kötések nélkül képesek
kettősréteget alkotni, és fehérjéket akár e rétegen átnyúlóan magukba
ágyazni. Mind a hidrofil fejcsoportból, mind a lipid lábakat alkotó
zsírsavakból sokfélét találhatunk a természetben. A fő alkotóelemek, a
fejcsoportok, illetve a lábak hatalmas kombinációs tárházat
biztosítanak, és a természet ki is használja e lehetőségeket. A
különféle körülmények között élő organizmusok az evolúció során az
eltérő környezeti feltételekhez való alkalmazkodás érdekében különféle
lipidkombinációkat hoztak létre. De egy élőlényen belül a különféle
szerveknek, a szerveken belül a specializált sejteknek, illetőleg
ezeken belül a sejtorganellumoknak más és más a lipidösszetételük.
A lipidek szerepe az életfolyamatokban
Vajon miért van szükség ennyiféle lipidre? A sejtekben az alapvető
életfolyamatok membránokkal határolt terekben vagy magukhoz a
membránokhoz kötötten folynak. A membránok azonban csak egy adott
lipid- és fehérjeösszetételnél képesek biztosítani a jelképzés és
jelátvitel egészséges szervezetre jellemző, optimális működését. A
membránlipidek összetétele, a fejek és főleg a lábak minősége, egészen
pontosan a zsírsavláncok hossza és telítetlenségi szintje egyazon nem
állandó testhőmérsékletű faj esetében is lényegesen eltérhet, jól
tükrözve az élőhely hőmérsékleti viszonyait – hidegben a
telítetlenebb, míg melegben a telítettebb zsírsavak biztosítják a
membránok megfelelő fizikai állapotát. E hártyák alakjának mindenkori
formálásában, például a sejtosztódás során vagy a vezikuláris
anyagáramlás biztosítása érdekében, nélkülözhetetlenek azok az
átlagostól eltérő térkitöltéssel rendelkező lipidmolekulák, amelyek a
membránok görbületeit okozzák. A membránok alakjának újraformálását, a
transzport vezikulák lefűződését, illetőleg fúzióját a lipidek
átszabására szakosodott enzimek, a lipázok végzik. Bizonyos lipázok
olyan molekulákat hasítanak le a membránokat alkotó foszfolipidekről,
melyek jelképző, illetve jeltovábbító tulajdonsággal rendelkeznek. E
hírvivő molekulák kulcsszerepet játszanak a véralvadás, a gyulladás
vagy a sejtszintű stresszelhárítás szabályozásában (Balogh et al.,
2010). Az elmúlt tíz évben vált nyilvánvalóvá, hogy
a különféle lipidek eltérő tulajdonságaik révén laterálisan
szegregálódva, úszósziget-szerű képződményeket hozhatnak létre a
membránban. Ezek a koleszterinben, szfingolipidekben és telített
lipidekben gazdag képződmények a lipidtutajok, vagy más néven „raftok”
(1. ábra) olyan dinamikus platformokat
képeznek, melyek a jelképzésben és a transzportfolyamatokban játszanak
szerepet. Számos baktérium a lipidtutajokon keresztül jut be a
megfertőzendő sejtbe, sőt bizonyos vírusok, mint a HIV, influenza vagy
az Ebola vírus raft-lipidekkel fedik be magukat.
Hosszasan lehetne sorolni azokat a betegségeket,
amelyekben a lipidek „elromlása” szoros kapcsolatban áll patológiás
állapot kifejlődésével (Van Meer et al., 2008). Ilyenek például a
neurodegeneratív betegségek (különösen az Alzheimer-kór), vagy azok az
örökletes kórképek, amelyeket a lipid-metabolizmus egyes enzimeinek
vagy transzportereinek defektusa okoz. Talán a legnagyobb
jelentőségűek azok a betegségek, amelyek a metabolikus túlterheléssel
hozhatók összefüggésbe. Az iparilag fejlett világban a felesleges
kalóriabevitel szoros összefüggést mutat az érelmeszesedéssel és a
magas vérnyomással, valamint ezen keresztül a szívinfarktussal,
illetőleg az agyvérzéssel, továbbá a metabolikus szindrómával. A
fejlett országokban a lakosság egyharmada elhízottnak tekinthető, és
ezzel ott áll a 2. típusú cukorbetegség kapujában. Az elhízás
pandémiáját hamarosan a cukorbetegség epidémiája követi. A 2. típusú
diabétesz kialakulásában jelentős szerepe van a lipotoxicitásnak, mert
a túltelített zsírraktárakból a sejtekre mérgező mennyiségben
szabadulnak fel zsírsavak, illetőleg egyéb káros anyagok.
Állatkísérletek alapján úgy tűnik, hogy egy cukortartalmú lipid révén
a lipidtutajok szerkezete is elromlik, amely végül az
inzulin-jelátvitel széteséséhez vezet. A közelmúltban vizsgáltuk
|
|
például a lipidom változásait
cukorbeteg patkányokból származó mintákon. Az adatelemzés során olyan
marker lipideket azonosítottunk, amelyek csak a beteg vagy éppen a
gyógyszerekkel kezelt populációkra jellemző lipidmintázatot alkottak
(2. ábra).
Lipiddiagnosztika – lipidterápia
Itt jutottunk el a modern lipidomika másik fontos aspektusához, a
diagnosztikához. A lipidomika ma még számtalan kiaknázatlan
lehetőséggel rendelkezik a betegségek felismerése terén. Hogy csak egy
további példát említsünk, az emlőrák kezelésében alkalmazott
citosztatikumok hatásossága korrelációt mutatott bizonyos
politelítetlen lipidek mennyiségével. Ha a citosztatikumra rezisztens
betegeknek ω3 zsírsavakat (főként dokozahexaénsavat) adtak, a tumorok
újra érzékennyé váltak a kemoterápiára. Az utóbbi példában bemutatott
lipidterápia alapját maguknak a lipideknek a tervszerűen végrehajtott
membránokba építése jelentheti, azért, hogy kijavítsunk vagy
helyrehozzunk membránfüggő elváltozásokat (Vígh et al., 2007a).
Természetesen számos laboratóriumban folynak ezirányú kutatások.
Kifejlesztették például az olajsav hidroxi származékát, amely
ígéretesnek bizonyult a rákterápiában vagy a magas vérnyomás
kezelésében (Vígh et al. 2005). Ide tartozik még az az új
gyógyszerfejlesztési irányvonal, amely nem a hagyományos célpontokat;
bizonyos fehérjéket, pl. a receptorokat célozza meg, hanem a
gyógyszerjelöltek lipidekkel való kölcsönhatását, a membránfehérjék
lipid mikrokörnyezetének módosítását. Részt vettünk egy ilyen típusú
gyógyszerjelölt fejlesztésében, és igazoltuk, hogy a szercsalád
bizonyos specifikus lipidekkel hat kölcsön, és átrajzolja,
helyreállítja a sejtszintű stresszvédelmi mechanizmust, így végső
soron a diabétesz vagy egyes neurodegeneratív betegségek esetén lehet
hatásos (Vígh et al. 1997).
A modern lipidomika
Végül az a kérdés merül fel, miért csak most került a kutatás
frontvonalába a lipidom feltérképezése? Erre a választ részben a
biokémia fókuszpontjainak változásában, részben technikai lehetőségek
fejlődésében kell keresnünk. A tömegspektrometria, a biomolekulák
elemzésének e csodálatos, nagyhatékonyságú eszköze robbanásszerű
fejlődésen esett át az utóbbi időben. Olyan anyagbeviteli technikákat
fejlesztettek ki, melyek révén ezek a molekulák oldatból közvetlenül
elemezhetőek, valamint a már laborasztalon elhelyezhető méretű
készülékek egy csepp mintából eddig elképzelhetetlenül csekély
mennyiségben jelen lévő anyagokat is képesek azonosítani, illetőleg a
mennyiségüket meghatározni. Erre szükség is van, hiszen a fő
membránalkotó vagy energiatároló egyes lipidek (lipid specieszek)
viszonylag nagy mennyiségben, míg például a takarításra – sejten
belüli emésztésre szakosodott lizoszómákban jelen lévő specifikus
lipidek nagyságrendekkel kisebb mennyiségben vannak jelen. A hírvivő
lipidek még ezeknél is sokkal csekélyebb mennyiségben termelődnek,
mivel nagy hatékonysággal képesek receptoraikhoz való kötődésre, s
ezáltal a jeltovábbításra. A másik fontos technikai előrelépés a
lipidek mikroszkópiája terén történt. A digitális kamerákban
megtalálható érzékelő lapkák már néhány fotont is képesek detektálni,
ezredmásodperces időfelbontásban képet alkotni. Ma már egyetlen
fluoreszcens molekuláris zászlócskával megjelölt lipid mozgását is
követni tudjuk az élő sejt membránjában 20–40 nm térfelbontásban, és
így felderíthetjük a lipidek egymással vagy a
fehérjékkel létrehozott kapcsolatának dinamikáját (Vígh et al. 2007b).
A jövőben a lipidomika másik fő célja a kutatás
transzlációja a klinikai lipidomika irányába, beleértve a lipid
biomarkerek és patomechanizmusok kutatását (Van Meer et al., 2008;
Vígh et al., 2007b). A 3. ábrán
összefoglaltuk azt a rendszerbiológiai keretet, amely a lipidomikát a
diagnosztika és a gyógyszerkutatás eszköztárába integrálja. Ebben új
stratégia lehet a többezer lipid species mennyiségi viszonyainak,
valamint a génexpressziós, továbbá pedig a proteomikai adatok
összefüggéseinek feltárása. A bioinformatika párhuzamos fejlődése
révén válnak összekapcsolhatóvá az „omikai” irányvonalak, jelentősen
átstrukturálva szemléletünket. Még az úgynevezett „klasszikus”
biokémiai kutatásokban is új kérdésfelvetési és kísérlettervezési
elveket iniciál majd a kvantitatív, nagy áteresztőképességű
lipidomikai módszerek elterjedése.
Kulcsszavak: lipidomika, membránlipid, lipid molekulaspeciesz,
lipidtutaj, lipiddiagnosztika, marker lipid, lipidterápia,
tömegspektrometria, gyógyszerkutatás, bioinformatika
IRODALOM
Balogh Gábor – Péter M. – Liebisch, G. et
al. (2010): Lipidomics Reveals Membrane Lipid Remodelling and Release
of Potential Lipid Mediators During Early Stress Responses in a Murine
Melanoma Cell Line. BBA – Molecular and Cell Biology of Lipids.
(submitted)
Van Meer, Gerrit – Spencer, F. – Bas, R.
L. et al. (2008): Structural Medicine II: The Importance of Lipidomics
for Health and Disease. ESF Science Policy Briefling. 31, 1–8.
WEBCÍM >
Vígh László – Literáti, P. N. – Horváth I.
et al. (1997): Bimoclomol: A Nontoxic, Hydroxylamine Derivative with
Stress Protein-Inducing Activity and Cytoprotective Effects. Nature
Medicine. 3, 10, 1150–54.
Vígh László – Escribá, P. V. –
Sonnleitner, A. et al. (2005): The Significance of Lipid Composition
for Membrane Activity: New Concepts and Ways of Assessing Function.
Progress in Lipid Research. 44, 5, 303–344.
Vígh László – Horváth I. – Maresca, B. –
Harwood, J. L. (2007a): Can the Stress Protein Response Be Controlled
by ‘Membrane-Lipid Therapy’? Trends in Biochemical Science. 32, 8,
357–363.
Vígh László – Török Z. – Balogh G. et al.
(2007b): Membrane-Regulated Stress Response: A Theoretical and
Practical Approach. In: Csermely Péter – Vígh L. (eds.): Molecular
Aspects of the Stress Response Chaperones, Membranes and Networks.
Landes, New York
|
|