A gazda-parazita kapcsolatok és az újonnan felbukkanó betegségek evolúciós ökológiája
Garamszegi László Zsolt, az MTA doktora (Ökológiai Kutatóközpont) előadása
Elhangzott a 2021. június 8-i osztályülésen

A koronavírus járvány egyértelműen rámutat arra, hogy az újonnan felbukkanó betegségek krízise komoly fenyegetést jelent a modern kor embere számára. A megjelenő járványok elleni hatékony védekezés kulcsa a megbízható előrejelzéseken alapuló megelőzés, amihez támpontot nyújt, ha tudományos eszközökkel feltárjuk a kórokozók azon biológiai sajátságait, amelyek meghatározzák elterjedésüket, túlélésüket és betegítő képességüket az évszázad gyorsan változó környezeti feltételei között. Ezek a feladatok elsősorban a gazda-parazita kapcsolatok ökológiai és evolúcióbiológiai aspektusait érintik, így a kórokozók virulenciáját, prevalenciáját és gazdák közötti transzmisszióját szabályzó filogenetikai kényszerek és környezeti tényezők megértése nem csak tudományos, de gyakorlati szempontból is fontos küldetés. Előadásomban e koncepció mentén szeretnék néhány esettanulmányt bemutatni, és rávilágítani arra, hogy a malária, ill. madárinfluenza evolúciós ökológiai vizsgálata milyen tanulságokkal szolgálhat az újonnan felbukkanó betegségek elleni küzdelemben.

Mikrofluidikai és mikroelektronikai chip-eszközök a biológiai gátrendszerek kutatásának szolgálatában
Deli Mária, az MTA doktora (Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Biofizikai Intézet) előadása
Elhangzott a 2021. június 8-i osztályülésen

A mindennapi gyógyítás egyik alappillére a farmakoterápia, ugyanakkor a biológiai gátrendszerek jelentősen korlátozzák a hatóanyagok eljutását a célpontot képező sejtekig. Ez különösen nagy probléma az új típusú biofarmakonok alkalmazása, illetve a legtöbb idegrendszeri betegség gyógyszeres kezelése esetében. Ráadásul a széles körben alkalmazott állat- és állati sejteken alapuló modellek nem képezik le megfelelően az emberi szervezet összetettségét és működését, ami újabb lökést adott a humán sejtes modellek fejlesztésének. Az utóbbi évtizedben két új technika ugrásszerű fejlődése határozta meg a szakterület előrehaladását: az egyik a kétdimenziós sejttenyészetes modelleket felváltó humán őssejt alapú háromdimenziós organoidok kifejlesztése, a másik pedig a mikrofluidikai és mikroelektronikai chip-eszközök forradalma, amely a teljes emberi szervezet leképzését tűzte ki célul egymáshoz kapcsolt miniatűr szervek integrálásával. Az SZBK Biofizikai Intézetében az elmúlt tíz évben sikerült olyan, a jelenleg legkorszerűbb kutatási technikát jelentő integrált chip-eszközöket kifejlesztenünk, amelyekkel az epitél- és endotélsejtes gátrendszerek számos biológiai és fizikai paramétere, köztük a sejtrétegek hatóanyag átjutást befolyásoló felszíni töltése, jól vizsgálható. Az előadásban bemutatom a szöveti gátrendszerek – elsősorban légúti- és bélhám, valamint agyi mikroerek – chip-eszközökben létrehozott több sejttípusból álló humán tenyészetes modelljeit, amelyek lehetővé tették a gyógyszertranszporttal összefüggő élettani folyamatok eddig nem ismert részleteinek megismerését, a folyadékáramlásból származó nyíróerő, a sejtfelszíni töltést adó glikokálix és plazmamembrán szerepének feltárását.

Egy neuropeptid védő hatásainak vizsgálata: gerinctelenektől az emberig
Reglődi Dóra, az MTA doktora (Pécsi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar, Anatómiai Intézet) előadása
Elhangzott a 2021. április 13-i osztályülésen

A PACAP (hipofízis adenilát cikláz aktiváló polipeptid) egy 27 és 38 aminosavas formában előforduló peptid, melyet először a nevét adó adenilát cikláz aktiváló hatása révén izoltáltak hypothalamusból. A felfedezése óta eltelt több, mint 3 évtizedben azonban széles körű előfordulását és számos hatását igazolták gerinctelen és gerinces szervezetekben egyaránt. Kutatásaink is a peptid széleskörű hatásait vizsgálják gerinctelenektől az emberig. Fókuszban a sejtvédő hatások állnak, melyekért elsősorban a specifikus PAC1 receptoron át közvetített anti-apoptotikus, anti-inflammatorikus és anti-oxidáns hatások felelősek, melyek filogenetikailag is megőrzött funkciói a PACAP-nak. A neuro- és általános citoprotektív hatásokat számos idegrendszeri és perifériás szerveket érintő betegség in vitro és in vivo modelljében igazoltuk más kutatókkal együtt. Az endogén PACAP hatásait génhiányos egereken tanulmányozzuk. Eddigi megfigyeléseink igazolják, hogy a PACAP általános sejtvédő hatásai endogénen is jelen vannak, hiányában a mortalitás jelentősen megnő, az állatok sokkal érzékenyebben, nagyobb mértékű károsodással reagálnak egy toxicus, ischemiás vagy más káros behatásra. Ez a fokozott érzékenység összefügg a korai öregedéssel is. Az idősödő állatokban egy felgyorsult, szisztémás degeneráció lép fel, korai öregedési folyamatokat figyeltünk meg ízületekben, a hallórendszerben, a szaruhártyán és a szem ideghártyáján is. Munkánk transzlációs relevanciáját igazolják azok az adatok, miszerint korral csökkenő PACAP expresszió figyelhető meg, és több adat utal arra, hogy a pathologiás csökkenés fokozott szöveti sérülékenységhez és korai ödegedéshez vezet az emberi szervezetben is. További klinikai vizsgálataink pedig a PACAP biomarker szerepének tanulmányozására irányulnak, számos betegségben klinikákkal együttműködve vizsgáljuk a PACAP szintek változásait különféle kóros állapotokban szérumban, likvorban, amnionfolyadékban és szövetekben.

Együtt erősek vagyunk: Genomanyagcsere-komplexek membrán nélküli kompartmentalizációja
Kovács Mihály, az MTA doktora (ELTE TTK Biológiai Intézet, Biokémiai Tanszék) előadása
Elhangzott a 2021. március 9-i osztályülésen

Az egyszálú DNS-kötő (single-stranded DNA binding, SSB) fehérjék minden élő sejt nélkülözhetetlen alkotórészei. Az SSB-k a genomanyagcsere (replikáció, rekombináció, DNS-hibajavítás) folyamataiban megjelenő egyszálú DNS-szakaszok védelme mellett sokrétű kölcsönhatásaikkal DNS-átalakító fehérjepartnerek sokaságát toborozzák bevetési helyükre. A hálózat-központi szerepük és konzervált kölcsönhatásaik miatt eleve érdekfeszítő SSB-k tudományos és technológiai jelentőségét közelmúltbeli felfedezéseink új perspektívába helyezik. Azt találtuk, hogy a bakteriális (E. coli) SSB fehérje élettani körülmények között folyadék-folyadék fázisszeparált kondenzátumokat képez, amelyek létrejöttét az SSB DNS-sel való kölcsönhatása reverzibilisen szabályozza. E sajátság a sejtbeli kondenzátumokban tárolt SSB-készletnek a DNS károsodásakor a javítandó genomhelyekre történő, másodpercnél gyorsabb mobilizációját teszi lehetővé. Az előadásban bemutatom, hogy a kondenzátumképződés szerkezeti meghatározóinak és az SSB kölcsönhatásainak feltérképezése révén hogyan haladhatunk a genomanyagcsere alapvetően új szervezési elvének feltárása és az ebben rejlő fejlesztési lehetőségek kiaknázása felé.

Lizoszómális lebontó utak vizsgálata
Juhász Gábor, az MTA doktora (SZBK Genetikai Intézet, ELTE Anatómiai, Sejt- és Fejlődésbiológiai Tanszék) előadása
Elhangzott a 2021. február 9-i osztályülésen

Az eukarióta sejtek lebontó és újrahasznosító központja a lizoszóma. A lebontandó anyagok különféle utakon kerülhetnek ide: a citoplazmából autofágia, a plazmamembrán irányából és a külvilágból endocitózis és fagocitózis, a szekréciós granulumok felől pedig krinofágia révén.

Kutatásainkban ezen lebontó utak jelentőségét és molekuláris mechanizmusait vizsgáljuk, elsősorban Drosophila-ban. Előadásomban kitérek az evolúciósan konzervált Atg gének szerepére, amelyek nemcsak az autofágia fő útvonalához szükségesek, hanem egyéb folyamatokban is részt vesznek (pl. aktin citoszkeleton szabályozása), valamint bemutatom a többek közt általunk feltérképezett, részben útvonal-specifikus vezikulafúziós komponenseket (pányvázó faktorok, SNARE fehérjék és kis GTPázok), melyek hiányában a szállítmány nem jut el a lizoszómába.

Agresszió és erőszak: neurobiológiák és alkalmazhatóságok
Haller József, az MTA doktora (Nemzeti Közszolgálati Egyetem; Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet) előadása
Elhangzott a 2020. december 8-i osztályülésen

Elöljáróban elnézést szeretnék kérni a címért; azért, hogy nyelvi furcsasággal szerettem volna felhívni a figyelmet az agressziókutatás egy új irányzatára és új alkalmazási lehetőségeire. Walter Rudolph Hess 1928-ban fedezte fel a hypothalamusban található agresszió-szabályozó központot, és ezzel útjára indította az agresszió neurobiológiájának feltárását. Az azóta eltelt csaknem egy évszázad első nyolcvan évében a kutatás az agresszió idegrendszeri áramköreinek megismerését tűzte ki célul, abból a feltevésből kiindulva, hogy ez kezünkbe adja azokat az eszközöket, amelyek lehetővé teszik a nemkívánt agresszió – az erőszak – kontroll alá vonását. Bár az agresszió hormonális és idegélettani mechanizmusait sikerült meglehetősen részletesen feltárni, farmakológiai kontrolljával kapcsolatos próbálkozások nem bizonyultak igazán sikeresnek, mert amint az elmúlt húsz évben kiderült, a természetes (adaptív) agresszió, és a nemkívánt agresszió idegrendszeri háttere távolról sem azonos. Sőt, az agresszió különböző maladaptív („abnormális”) megnyilvánulásainak idegrendszeri háttere sem egységes. Előadásomnak első felében ezzel a kérdéssel foglalkozom, a felfedezések történetiségét, és ebben kutatócsoportom szerepét is figyelemmel követve. Ma már tudjuk, hogy az erőszak, mint nemkívánt agresszió, nem az „agresszió áramköreinek” túlműködésére vezethető vissza, hanem arra, hogy ez az „áramkör” átalakult. Sőt, különböző jellegű átalakulások különböző típusú erőszakos megnyilvánulásokkal járnak együtt. Itt nyer értelmet a „neurobiológiák” többesszáma: a különböző agresszióformáknak minőségileg különböző neurobiológiai háttere van.

Az agresszió neurobiológiájának megismerését hosszú időn keresztül – másokhoz hasonlóan – mi is orvosbiológiai és pszichiátriai perspektívából szemléltük. Az utóbbi két évtizedben azonban kiderült, hogy az agresszió neurobiológiája ugyanolyan fontos részévé válhat a rendészet-, mint az orvostudománynak, így az eredmények alkalmazhatósági köre bővült. Ennek szentelem az előadás második felét, amelyben beszámolok egy rendőrökön, és rendészeti hallgatókon végzett kutatásunkról is, amelynek kulcs-szavai extrém stressz, nemkívánatos agresszió és rendőri intézkedés.

Genomszerkesztés nem középiskolás fokon: a CRISPR-Cas felfedezés
Vértessy G. Beáta, az MTA doktora (BME Alkalmazott Biotechnológiai Tanszék és ELKH TTK Enzimológiai Intézet) előadása
Elhangzott a 2020. november 10-i osztályülésen

Minden év októberében a tudományos közösség izgatottan figyeli a Stockholmból érkező híreket a Nobel díjak odaítélése kapcsán. Idén a kémiai Nobel díjat Emmanuelle Charpentier és Jennifer Doudna nyerték el, „egy genomszerkesztési módszer kifejlesztéséért”. A szöveg stílusa a szokott módon visszafogott, épp szenzációhajhászástól mentes módja okán sokatmondó. Mit is takar ez a szerény megfogalmazás?

Már korábban is többféle módszert ismertünk a genomiális DNS adott szekvenciális helyen történő módosítására. Ezek közül a restrikciós endonukleázok (a DNS-n belül egy adott palindrom szekvencia meghatározott helyén hasító enzimek) rendkívüli módon megkönnyítették a molekuláris klónozást – 1978-ban ezért a felfedezésért adták az orvosi Nobel díjat (Werner Arber, Dan Nathans és Hamilton Smith voltak a díjazottak). Érdekes analógia figyelhető meg itt a CRISPR-Cas rendszerrel való összehasonlításban: mindkét esetben a biológiai háttér a prokarióták immunrendszere, a biokémiai hasonlóság pedig a palindrom szekvenciák lényegi szerepében és a DNS-en történő endonukleotikus hasításban érhető tetten. A restrikciós endonukleázok egy emlős méretű genomot számtalan helyen hasítani képesek, ami nem tette lehetővé megfelelően irányított alkalmazásukat genomok helyspecifikus vágására. Ezért két olyan rendszert dolgoztak ki, ahol az egyik restrikciós endonukleáz (FokI) DNS-hasító fehérjerészét összekötötték az adott DNS szekvenciára tervezett fehérje felismerő doménekkel (cink-ujj ill TALEN technológiák). Jóllehet ezek révén aktív kutatások indultak genomok szerkesztésére, de az áttörés elmaradt, mert egyik módszer sem biztosította a kellő specificitást, továbbá magas költség és hosszú tervezési folyamat kíséri az alkalmazást, ahol az eredmény sem garantálható.

Ebbe a közegbe érkezett meg a forradalmi felismerés, hogy a prokariótákban korábban azonosított különös genomi egység, ami a CRISPR nevet kapta, a hozzátartozó fehérjékkel (Cas) együtt a korábbiaktól radikálisan különböző DNS felismerő és DNS-hasító aktivitással bír. Charpentier felfedezte, hogy a a CRISPR-Cas komplexben a DNS-hasítást egy szokatlan, de jól karakterizálható RNS molekula kapcsolja be. A mikrobiológus Charpentier a folyamat mechanizmusának tisztázása érdekében kezdett együttműködést a biokémikus Doudnával. Közös munkájuk rendkívül gyorsan sikert hozott. Kiderítették, hogy a kapcsoló RNS molekula DNS-felismerő képessége szabható-varrható módon tetszőleges DNS szekvenciához igazítható. A korábbi esetekben a DNS szekvencia felismerését fehérjék biztosították, és biokémikusok hadseregeinek sok évtizedes kísérletei igazolják, hogy egy fehérje esetében az evolúció során meghatározott felismerő specificitást „kémcsőben” módosítani óriási kihívást jelent és sok kudarccal jár. A CRISPR-Cas technológia forradalmi újítást jelent, ugyanis az RNS-DNS komplexekben a felismerés alapja rendkívül egyszerűen csupán a bázispárosodás szigorú szabályait követi. Ráadásul ez az eljárás nagyon sokoldalú, olcsó és nem igényel speciális műszerezettséget.

A lényegi publikációk 2011-ben és 2012-ben jelentek meg, és ezeket robbanás szerűen követték az alkalmazások, melyek révén mára a molekuláris élettudományokban mindenhol ezzel az eszközzel dolgoznak gének tetszőleges kiütése, cseréje vagy pontmutációval történő módosítása céljából. Az orvostudományban klinikai alkalmazások sora vált lehetővé, melyekkel egyes gének hibái kijavíthatók – de itt az etikai meggondolások figyelembevétele elengedhetetlen. A biotechnológiai iparokban, élelmiszeriparban, mezőgazdaságban, állattenyésztésben kiemelt szerepe van ennek a módszernek.

Az előadásban szó lesz a felfedezések soráról, melyek a spanyol sós mocsarak kutatóitól a bioinformatikai felismeréseken át a jelen technológiához vezettek, továbbá a jelen alkalmazásokról és a jövő lehetőségeiről.

A DNS szupertekercselődésének következményei
Szabó Gábor, az MTA doktora (Debreceni Egyetem, Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet) előadása
Elhangzott a 2020. október 13-i osztályülésen

A kromatinszerkezet feltárásában az utóbbi évtizedekben ugrásszerű fejlődés zajlott, részben a 3D szerkezet megállapítására alkalmas genomikai eszközök fejlődése révén, részben a nukleoszóma szerkezetéről és sokféleségéről halmozózó tudás által. A hurokképződés több molekuláris szereplőjének megismerése nyomán a magasabbrendű szerveződésről szemléletes képünk van, azon belül az inkább architekturális, nagyobb léptékű és konzerváltabb domén szerkezet és a dinamikusan változó promoter-enhanszer kapcsolódások létrejöttének módjáról. A hiszton variánsok, a hiszton farkak poszttranszlációs modifikációi és a hozzájuk kapcsolódó reader fehérjék a nukleoszómák szerkezetét és kapcsolódási lehetőségeit érintő, markáns, cis és trans szabályozási mechanizmusokba illeszthetők. A linker hisztonok sokfélesége, a linker DNS hossz-variációi a specifikus és PTM-függő internukleoszómális kapcsolatok, valamint a rendezetlen fehérjeláncok kapcsolódásai által megvalósuló aggregációs jelenségek a magasabbrendű kromatinszerveződés további, egyre nagyobb figyelmet vonzó szereplői.

Az eukarióta génszabályozás alapvető stratégiája a derepresszió - a nukleoszómák a promoterről eviktálódnak, lehetővé téve transzkripciós iniciációs komplex összeszerelődését. Az elongáció folyamatát kísérő nukleoszóma dinamika valószínűleg a dimerek ideiglenes leválását és a tovahaladó polimeráz mögött a tetraszómával való reasszociációját foglalja magába. Mindezen folyamatok hátterében a nukleoszóma stabilitás szabályozott változásai állhatnak. A nukleoszómák sokfélesége dacára az eddigi krisztallográfiás és biokémiai vizsgálatok a nukleoszóma stabilitási paraméterekben nem mutattak ki olyan konzekvens változásokat, amik jól korrelálnának a promoter-közeli vagy éppen a heterokromatikus régiókra jellemző nukleoszómáktól várható tulajdonságokkal.

Munkatársaimmal és kollaborációs partnereimmel kialakítottunk egy mérési rendszert, melyben egy adott modifikációval, hiszton variáns jelenlétével jellemzett nukleoszóma kategória stabilitása natív körülmények között vizsgálható sejtmagonként. Ezen vizsgálatok tükrében a tetraszóma stabilitás két, jól elkülönült állapota érzékelhető: az aktív modifikációkat (H3K4me3, H3K27ac) hordozó nukleoszómák tetraszómái instabilak, az összes többi relatíve stabil. Igen izgalmas, hogy utóbbiak destabilizálhatóak a szuperhelikális kromatinhurkok topológiai relaxációja által, míg az előbbiek stabilitására ugyanezen kezelések nincsenek hatással. Arra következtettünk, hogy ezek már eleve destabilizált állapotúak. Valóban, az aktív promoterek területén DNS száltörések mutathatók ki genomszerte, S. cerevisiae és G0 állapotú, emberi periferiás vérsejtek esetén egyaránt. Mindkét kísérletes rendszerben a lánctörések az iniciáló RNS polimeráz II-vel erősen ko-lokalizálnak, szuperrezoluciós ill. co-chip feloldásban. A lánctöréseket, a genomi DNS fedőlemezre történő kifésülését magában foglaló (molecular combing) kísérletek nyomán – kontraintuitív módon - topoizomeráz II-generálta egyszáltöréseknek gondoljuk és a +1 nukleoszóma destabilizáció révén megvalósuló pause-release eszközeként értelmezzük. A száltöréseknek jelentőséget tulajdonítunk a magasabbrendű kromatinszerveződés szempontjából is. Kimutattuk ti., hogy elég kromatin hurkonként egyetlen DNS száltörés a nukleoszómák zömének destabilizációjához, vagyis egy-egy száltörésnek jelentős távolhatása van. Így magyarázatra szorul, hogy a promoter-menti száltörések miért csak a promoter-közeli nukleoszóma stabilitására vannak hatással. A sejtmagok detergenses-sós kezelésével előállított magi „halo” preparátumokon világosan látszik, hogy a 3’-végjelöléssel láthatóvá tett száltörések a nukleáris laminán belül foglnak helyet, míg a laminán át kitüremkedő hurkok interkalálódó festék használatával „tekerhetőek”, vagyis intakt, szuperhelikális DNS-t tartalmaznak. Ez a topológiai szeparáció a magasabbrendű kromatin szerveződés alapvető, a funkcióval szoros kölcsönhatásban álló vonásának tartható. A nukleoszómák által rögzített és az internukleoszómálisan is szabályozott DNS topológia és konformáció (szuperhelicitás, a kis és a nagy árok szélessége, stb.) a DNS molekuláris felismerhetőségét is nagymértékben korlátozza, mint azt interkalálódó festékek kötődésének tanulmányozásával megállapítottuk. Ezáltal a DNS hozzáférhetőségét elsősorban nem diffúzió-limitáltnak véljük, hanem azt gondoljuk, hogy az a – távolból is szabályozható – DNS topológia által meghatározott. Mindezen jelenségek és meggondolások a DNS szupertekercseltségét a kromatinszerkezet és funkció teljes vertikumát érintő, központi jelentőségű jellemzőnek tartjuk.

Biztonságos gyógyítás univerzális sejtekkel
Nagy András, az MTA külső tagja (Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, Sinai Health System, Toronto, Kanada) előadása
Elhangzott a 2020. február 11-i osztályülésen

Ebben az előadásban azokról a tudományos eredményekről számolok be, amelyeket a laboratóriumomban az elmúlt négy évben elértünk.

A sejtterápiák széleskörű alkalmazásához két fontos problémát sikerült megoldanunk: 1. A sejtek biztonságossá tételét és 2. hogy a beteg immunszupresszió alkalmazása nélkül se lökje ki az idegen genetikai anyagot tartalmazó terápiás sejteket. Ezen két probléma megoldása lehetővé teszi, hogy egyetlen őssejt vonalat használhassunk az összes ember gyógyításához.

Jelenleg állatmodelleken, degenerációs betegségekre dolgozunk ki sejtterápiás gyógymódokat. Többek között a makula degenerációt, a reumát, a cukorbetegséget és a szklerózis multiplexet célozzuk. A legtöbb esetben a terápia nem csak a hiányzó sejteket pótolja, hanem a sejtek transzgénekről olyan fehérje alapú faktorokat is termelnek, amelyek tovább segítik a regenerációs folyamatokat.

A Magyar Tudományos Akadémiához való kapcsolódásom elősegítette azt is, hogy mindkét fél számára gyümölcsöző kapcsolatokat építsünk ki magyar kutatócsoportokkal.