Biolodzy z UC San Diego odkryli związek chemiczny umożliwiający rozwój zupełnie nowej, obiecującej metody leczenia chorób metabolicznych, takich jak cukrzyca typu II.

Szczegóły dotyczące odkrycia opublikowano 13.07.2012 na łamach pisma “Science”. Początkowo stanowiło nie lada niespodziankę – okazało się, że izolowana substancja nie jest bezpośrednio związana z kontrolą produkcji glukozy w wątrobie, ale ma znaczący wpływ na kluczowe białko regulatorowe zaangażowane w modulowanie naszej aktywności w ciągu dnia i nocy – tzw. cykl okołodobowy.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że cukrzyca i otyłość mogą być powiązane z zaburzeniami rytmu okołodobowego. Myszy laboratoryjne prezentujące zmienioną aktywność w ciąg dnia często w krótkim czasie stają się otyłe i rozwijają powikłania cukrzycowe. Dwa lata temu zespół badawczy prowadzony przez Steve’a Kay’a – dziekana Oddziału Nauk Biologicznych UC San Diego, odkrył pierwszą biochemiczną zależność między rytmem okołodobowym a cukrzycą. Białko krytpochromowe, odpowiedzialne za regulację cyklu dobowego u roślin, insektów i ssaków, ma także zdolność regulacji intensywności produkcji glukozy w wątrobie, co może zostać wykorzystane w terapii chorób metabolicznych.

Kay wraz z zespołem odkryli niewielkich rozmiarów molekułę, która mogłaby zostać łatwo rozwinięta do formy leku. Cząsteczka kontroluje mechanizmy czasowe kryptochromu w sposób umożliwiający represję produkcji glukozy przez wątrobę. Ludzie, podobnie jak myszy i inne zwierzęta, rozwinęli mechanizmy biochemiczne, by zapewnić stabilne zaopatrzenie mózgu w glukozę zarówno podczas snu, kiedy organizm nie przyjmuje pokarmu i ma wyraźnie obniżoną aktywność, jak i w ciągu dnia – proporcjonalnie do potrzeb.

Cukrzyca jest spowodowana nadmiernym gromadzeniem glukozy we krwi, co może prowadzić do chorób serca, udarów, niewydolności nerek, a nawet ślepoty. W przypadku cukrzycy typu I, zniszczenie komórek trzustki produkujących insulinę prowadzi do podwyższonego stężenia glukozy we krwi. Cukrzyca typu II jest znacznie popularniejszą formą (90 % przypadków zachorowań na cukrzycę), u podstaw której leży stopniowo zwiększająca się oporność na insulinę, będąca bezpośrednim skutkiem otyłości.

W 2010 Kay i wsp. odkryli, że kryptochrom odgrywa bardzo istotną rolę w procesie regulacji cyklicznych wzorców przyjmowania pokarmów (okresu głodzenia podczas snu i jedzenia w ciągu dnia), pośrednicząc w utrzymaniu odpowiedniego stężenia glukozy we krwi. Inne doniesienia wskazują na potencjalną zdolność białek kryptochromowych do redukcji wysokiego stężenia cukrów we krwi powstałego wskutek przyjmowania leków łagodzących objawy astmy, przy odpowiednim dostosowaniu pory dnia przyjmowania leku. Uważa się, że genetyczne zwiększenie poziomu kryptochromów w wątrobie może zahamować produkcję glukozy przez ten organ.

Znacznie młodsze odkrycie zespołu Steve’a Kay’a dotyczy jeszcze mniejszej cząsteczki – KL001 (KL – Kay Lab), która również ma zdolność regulacji metabolicznych procesów związanych z cyklem dobowym. KL001 spowalnia cykl dobowy stabilizując białko kryptochromowe, tym samym wydłużając jego aktywność.

Odkrycie białka KL001 było całkowicie przypadkowe. Towarzyszyło badaniom poświęconym identyfikacji molekuł wydłużających cykl dobowy. Dwa lata temu, Tsuyoshi Hirota, współpracownik laboratorium Kay’a, odkrył związek chemiczny mający największy dotąd poznany wpływ na rytm dobowy – longdaysin – zdolny do wydłużenia cyklu dobowego ludzkich komórek o ponad 10 godzin. Kontynuacja badań pozwoliło na identyfikację większej liczby cząsteczek mających zdolność zarówno wydłużania, jak i skracania rytmiki dobowej. Pracownicy laboratorium Kay’a przeprowadzili screening tysięcy związków z bibliotek chemicznych na ludzkich komórkach hodowanych na płytkach mikrotitracyjnych. Gen lucyferazy połączony z mechanizmem cyklu dobowego pozwolił na wykrycie jego aktywacji na podstawie emisji światła w badanej próbie. Odkryto w ten sposób wiele związków regulujących cykl dobowy, w tym KL001.

Zespół laboratorium Kay’a zwrócił się do biochemików w laboratorium Pietera Schultza w Scripps Research Institute w celu scharakteryzowania białka KL001 pod względem chemicznym i lepszego zrozumienia mechanizmu jego interakcji z krytpochromem. Wykazano, że KL001 chroni białka krytpochromowe przed degradacją przez proteasom, co było kolejnym zaskoczeniem dla zespołu badawczego.

Rozpoczęcie współpracy z zespołem Franka Doyla z UC Santa Barbara pozwoliło na lepsze zbadanie mechanizmu aktywności białka KL001. Skonstruowano bardzo dokładny i zrozumiały model matematyczny przedstawiający rolę kryptochromu w cyklu dobowym. Model pozwolił przewidzieć, że wprowadzenie białka KL001 do mysich komórek wątroby wpłynie stabilizująco na białka kryptochromowe, co jednocześnie powstrzyma produkcję enzymów wątrobowych stymulujących proces uwalniania glukozy do krwi w okresie głodzenia (glukoneogenezę). Eksperymenty przeprowadzone wspólnie z laboratorium Davida Brennera, dziekana UC San Diego School of Medicine, potwierdziły powyższe przypuszczenia.

W mysich komórkach wątrobowych potwierdzono, że wprowadzone białko KL001 inhibuje ekspresję genów związanych z glukonegenezą, którą uruchamia ekspozycja na glukagon – hormon stymulujący produkcję glukozy przez wątrobę. KL001, w zależności od stężenia, powstrzymuje gluconeogenezę z różną intensywnością.

Kolejnym etapem badań zespołu Steve’a Kay’a ma być próba zrozumienia, w jaki sposób KL001 i podobne cząsteczki wpływają na kryptochromy in vivo. Badaniu ma podlegać również modulacja innych procesów metabolicznych przez odkryte białka. W przyszłości zdobyta wiedza pozwoli na opracowanie zupełnie nowych, skutecznych leków i metod terapii różnych chorób.

Pozostali naukowcy zaangażowani w prace badawcze: Mariko Sawa, Pagkapol Y. Pongsawakul, Tim Sonntag (UC San Diego's Division of Biological Sciences), Jae Wook Lee (TSRI), Peter St. John (UC Santa Barbara), Keiko Iwaisako, Takako Noguchi, David Welsh (UC San Diego's School of Medicine).

Opr. Anna Drzazga

Źródła :Tsuyoshi Hirota, Jae Wook Lee, Peter C. St. John, Mariko Sawa, Keiko Iwaisako, Takako Noguchi, Pagkapol Y. Pongsawakul, Tim Sonntag, David K. Welsh, David A. Brenner, Francis J. Doyle III, Peter G. Schultz, and Steve A. Kay. Identification of Small Molecule Activators of Cryptochrome. Science, July 12, 2012; http://www.sciencedaily.com