211service.com
Celldetektiven
Dina celler är små chatterboxar som inte kan hålla något för sig själva. De berättar om sina dagliga aktiviteter för alla att höra – varje värk och smärta eller kommer och går. Med celler är allt på ytan.
Hidde Ploegh är professor i biologi vid MIT och medlem av Whitehead Institute for Biomedical Research. (Foto av Sam Ogden).
Och det är också bra, eftersom immunsystemet, som en överbeskyddande förälder, behöver höra exakt vad som händer för att se till att vi är säkra. Cellernas föredragna kommunikationsmetod är att visa molekylära flaggor på sina membran. Sådana flaggor låter immunsystemet veta om en cell har infekterats av ett virus eller har blivit cancer. Men vissa virus kan gaga celler så att immunsystemet inte har någon aning om vad som händer.
Hidde Ploegh, biologiprofessor vid MIT och medlem av Whitehead Institute for Biomedical Research, vill veta hur de gör det. I hans labb nollar forskare på taktiken som virus och bakterier använder för att tysta celler. Vi tror att genom att noggrant inspektera dessa virus [och bakterier] kan vi få en inblick inte bara av deras undvikande funktioner utan också på hur det friska immunsystemet fungerar, säger Ploegh.
Immunsystemets celler inkluderar många typer av mördar-, minnes- och chatterbox-celler anslutna via komplexa kommunikationsnätverk. De dödligaste mänskliga sjukdomarna – inklusive tuberkulos, HIV och cancer – är mycket bra på att dölja sin närvaro från immunsystemet. Exakt hur de gör detta är inte väl förstått: det finns många platser i nätverken där en sjukdom kan störa eller förstöra en signal.
Ploegh är särskilt intresserad av herpesvirus – en stor, uråldrig familj av virus, varav åtta infekterar människor – eftersom många av dem kan stoppa kommunikationsprocessen innan den börjar genom att förhindra chattiga cellers flaggor från att gå upp. Den här familjen har utvecklat en påse med tricks som de frustrerar hela processen med, säger han.
Vad Ploegh tycker är särskilt fascinerande med herpesvirus är att till skillnad från de flesta andra sjukdomsframkallande mikrober försvinner de aldrig när de infekterar dig. Vad dessa virus har lärt sig, säger han, är inte bara hur man infekterar värden och gömmer sig inom den utan också hur man återaktiverar från sitt latenta tillstånd, vilket orsakar feber, sår och andra symtom ibland år och år senare. Viruset gömmer sig inför ett immunsystem som redan vet om dess närvaro, och det kan fortfarande komma ut på toppen och överföras till nästa värd. Det är en ganska anmärkningsvärd uppsättning strategier.
I synnerhet har Ploegh fokuserat på ett herpesvirus som kallas humant cytomegalovirus (HCMV), som är så utbrett att 50 till 80 procent av amerikanerna hyser det vid 40 års ålder. Infekterade människor har vanligtvis inga symtom, men viruset kan orsaka ögoninflammation, leversvikt och dödsfall hos personer med nedsatt immunförsvar, såsom AIDS-patienter.
Ploeghs forskning har visat att HCMV är bland de herpesvirus som kan dölja sig själva genom att förhindra att cellerna de infekterar visar sina molekylära flaggor för immunsystemet. Alla mänskliga celler, oavsett om de är infekterade eller inte, visar vanligtvis på sina ytor ständigt roterande prover av proteinerna som görs inuti. Immunsystemets celler kända som mördar-T-lymfocyter cirkulerar genom blodet och lymfsystemet för att läsa dessa prover. Om en cell visar en bit av ett protein som normalt inte tillverkas av friska celler – som ett cancerprotein eller ett viralt protein – kommer de mördande T-lymfocyterna som vandrar förbi att upptäcka det och döda cellen. Du kan betrakta detta som det tidiga varningssystemet genom vilket T-lymfocyten vet vad som händer djupt inne i en cell, säger Ploegh. Om viruset kunde avväpna det tidigvarningssystemet skulle det vara tillfälligt osynligt för mördande T-celler.
Ploeghs grupp upptäckte att det är precis så HCMV fungerar: det riktar sig mot proteinet som bär bitar av andra proteiner upp till cellytan för visning. Bärarproteinet, kallat MHC klass I, fungerar som cellens flaggbärare. Den hänger runt platsen i cellen där proteiner tillverkas och förstörs, griper tag i de bitar den hittar och lyfter dem till cellytan. Forskare i Ploeghs labb har isolerat ett kluster av HCMV-gener som förstör eller kvarhåller MHC.
Detta arbete ger immunologer en titt in i herpesvirusets påse med tricks - och belyser de normala mänskliga cellernas aktivitet. Viruset har kapat vad vi nu tror är en viktig väg för kontroll av proteinkvalitet, säger Ploegh. Celler är mycket försiktiga när de kopierar sitt DNA, eftersom eventuella misstag kommer att föras vidare till framtida generationer. Men proteinproduktionen är slarvig, med en felprocent på cirka 10 procent. Det skräpet måste städas ut ur cellen, säger Ploegh; En del av syntesprocessen är faktiskt också nedbrytningen av misspassningar. Biologer är inte säkra på hur felaktigt anpassade proteiner känns igen, men när de väl är det, får de ett pass som släpper in dem i en proteasom, som Ploegh jämför med en köttkvarn. Efter att ha lämnat en proteasom passerar malda proteiner, vare sig de är virala eller cellens egna, in i facket där MHC ligger och väntar, varpå det rusar upp dem till ytan för inspektion av T-celler.
Ploegh och hans elever studerade två HCMV-gener i mänskliga celler och visade att båda kan störa flaggbärande process. Istället för att arbeta med infekterade celler kan du helt enkelt installera denna enda gen i din cell och se hela vägen utvecklas, säger han.
Joana Loureiro, en doktorand från universitetet i Lissabon i Portugal som bedriver sin doktorandforskning i Ploeghs labb, studerar en av dessa gener, som kallas US2 (den andra, kallad US11 , har liknande effekter). Med en teknik som kallas pulsjakt kan Loureiro spåra MHC, US2 sitt offer. För det första översvämmer hon, eller pulserar, mänskliga celler med radioaktivt märkta proteinbyggstenar – så många att MHC som tillverkas under pulsperioden övervägande kommer att vara radioaktiva och spårbara. Sedan jagar hon den första uppsättningen byggstenar med en andra uppsättning som är omärkt. Loureiro kan alltså spåra en grupp av proteiner som endast tillverkats under en viss period. Detta låter henne se tidpunkten för händelserna: i närvaro av viralen US2 protein, petar MHC ut ur sitt vanliga fack och tuggas sedan upp av cellens köttkvarn.
HCMV har andra sätt att inaktivera MHC – till exempel proteiner som helt enkelt drar ner det som ett ankare så att det inte kan nå cellytan. Men Ploegh säger att det mest spektakulära exemplet på virusets uppfinningsrikedom är det som Loureiro studerar, där viruset vänder cellens egna kvalitetskontrollmaskineri mot sig själv. Ploegh-labbet har visat att HCMV kan inaktivera MHC på bokstavligen minuter; den infekterade cellen har helt enkelt inte tid att skicka ut en varning till immunförsvaret.
HCMV kan härma en normal proteinbearbetningsmekanism i organismer från jäst till människor. Jästsvampar, de enklaste svamparna vars genetiska funktion har visat sig vara väldigt lik vår egen, innehåller gener som definierar vägar som liknar de som används av US2 och US11 i mänskliga celler. Denna likhet, säger Ploegh, antyder en koppling som kan göras mellan flykt från immunsystemets upptäckt av virus och mycket grundläggande, normala vägar. Han tillägger, Vi tror att de vägar som används av US2 och US11 är emblematiska för hur din typiska däggdjurscell hanterar proteinskräp. Genom att studera hur inhemska mänskliga proteiner hjälper det virala proteinet att förstöra MHC, hoppas Loureiro kunna avslöja hur den normala vägen fungerar.
Lisa Kattenhorn, en doktorand vid Harvard Medical School i Ploeghs labb, upptäckte en annan cloaking-mekanism. För att kunna visas på cellytan av MHC måste virala proteiner först gå igenom en proteasoms kvarnar. Men för att komma in i en proteasom behöver proteinerna ett speciellt pass som kallas ubiquitin; utan denna kontroll skulle vilket protein som helst kunna gå in i kvarnen, och cellen skulle så småningom dö. Kattenhorn fann att ett av de första proteinerna som kommer in i en cell under infektion av ett herpesvirus är ett enzym som kan ta bort ubiquitin från virala proteiner. Inget ubiquitin betyder inga virala proteinfragment för MHC att visa, så infektionen är sannolikt osynlig för mördar-T-celler. Alla herpesvirus har detta enzym, så Kattenhorn hoppas att hennes arbete kan leda till en brett användbar behandling.
Även om Kattenhorn är virolog, bygger hennes arbete på sonder gjorda av kemister i Ploeghs labb. Howard Hang, en postdoc i kemi som arbetar med Ploegh, beskriver dessa sonder som bete för att dra ut proteiner så att de kan undersökas i detalj. Varje sond har motsvarigheten till en fiskefluga som lockar proteiner att bita, samt en lina som kan användas för att hämta dem. Kattenhorns sonder, till exempel, använder ubiquitin som bete för att locka till sig enzymerna som tar bort det.
Dessa kemiska sonder fungerar bra i studier av de delar av cellen som undermineras av herpesvirus, men de kan inte användas i levande celler, säger Hang. Sonderna är för stora för att komma in i och ut ur intakta celler, så cellerna måste pulveriseras innan de undersöks. Hang designar en mindre, mer flexibel sond att göra live-avbildningsstudier av Salmonella bakterier i aktion. I cellerna det infekterar, Salmonella på något sätt avvärjer proteaser, enzymer som, precis som proteasomer, bryter ner proteiner. Det förhindrar alltså att dess kontrollanta proteiner når cellytan och kan ses av T-celler. Men Salmonella måste vara intakt och levande för att klara av denna bedrift.
Ploegh använder andra typer av avbildningstekniker för levande celler för att studera kopplingarna mellan immunsystemets olika grenar. Han undersöker också immunsystemceller som verkar på en mer generell nivå än mördar-T-celler gör. Istället för att svara på en viss stam av E coli eller för herpes simplex virus typ 1, dessa celler känner igen hot i mycket allmänna kategorier – bakterier, virus eller svamp – och agerar snabbt. Läroböcker gör skarpa skillnader mellan dessa två grenar av immunsystemet, men i verkligheten är de intimt förbundna, säger Ploegh. De fungerar på ett kontinuerligt spektrum.
Under en infektion försöker en mikrob föröka sig, och dess värd försöker förstöra den. Där har du början på en utdragen strid, säger Ploegh. När han studerar krigsplanerna för herpesvirus och andra mikrober, säger Ploegh, han letar inte efter ett sätt att bota en specifik sjukdom, utan efter en bättre förståelse för hur immunsystemet fungerar. Och den förståelsen kommer bättre att förbereda oss för att bekämpa alla sjukdomar.