MAPA POLSKIEJ BIOCHEMII Zakład Biologii Molekularnej Instytutu

MAPA POLSKIEJ BIOCHEMII Zakład Biologii Molekularnej Instytutu

MAPA POLSKIEJ BIOCHEMII
Zakład Biologii Molekularnej Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN
w 100-lecie urodzin Profesora Davida Shugara
Jarosław T. Kuśmierek*
Instytut Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk,
ul. Pawińskiego 5A, 02-106 Warszawa
*
[email protected]
tel. (48) 22 59 23 507
Pierwszym zalążkiem merytorycznym i organizacyjnym
Zakładu Biologii Molekularnej była utworzona w 1954 roku
i kierowana przez Prof. Davida Shugara Pracownia Fizykochemii Biologicznej w Zakładzie Biochemii PAN. Pracownia ta przekształciła się w Zakład Biofizyki w 1957 roku, kiedy został powołany Instytut Biochemii i Biofizyki PAN. W
1973 roku nastąpił podział Zakładu na Zakład Biologii Molekularnej, kierowany przez Prof. Davida Shugara, i Zakład
Biofizyki, kierowany przez Prof. Kazimierza Lecha Wierzchowskiego. W 1998 roku z Zakładu wyodrębniła się Pracownia Antymetabolitów kierowana przez Prof. Tadeusza
Kulikowskiego. Po przejściu Prof. Shugara na emeryturę w
1985 roku Zakład był kierowany przez Prof. Celinę Janion,
od 1998 roku kierownikiem Zakładu jest Prof. Jarosław Kuśmierek. W bieżącym roku mija 50 lat od powołania w 1965
roku Zakładu Biofizyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej,
na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, którego
Prof. Shugar był organizatorem i przez ponad 30 lat kierował jego pracami. Oba Zakłady, UW i PAN, realizowały
wspólną w dużej mierze tematykę naukową Szkoły Profesora Shugara.
Zakładu od samego początku, i obecnie, skupia się wokół
kwasów nukleinowych oraz enzymów zaangażowanych w
ich metabolizm.
Pomimo formalnego przejścia na emeryturę, Prof. Shugar
żywo uczestniczył i nadal uczestniczy w życiu naukowym
Instytutu. Nie jest związany On instytucjonalnie z żadną
grupą w Zakładzie ani w Instytucie, aktywnie współpracuje
z wieloma laboratoriami w kraju i zagranicą. W ostatnich
latach jego zainteresowania koncentrują się na tematyce
inhibitorów kinaz białkowych. Jest jednym z głównych organizatorów międzynarodowych konferencji naukowych
„Inhibitors of protein kinases” współorganizowanych przez
IBB PAN, które odbywają się od 1998 roku co 2–3 lata w
Warszawie. Problematyki tej dotyczą Jego liczne publikacje
z ostatnich lat, w tym ostatnia z 2015 roku [2].
Obecnie w Zakładzie działają cztery zespoły badawcze,
trzy zajmują się mutagenezą i naprawą uszkodzeń DNA
(Prof. Barbara Tudek, Prof. Elżbieta Grzesiuk i Prof. Jarosław Kuśmierek), czwarty zespół zajmuje się badaniami
mechanizmów wierności replikacji DNA (Dr hab. Anna Bębenek). Zespoły realizują swoje badania w oparciu o zasoby własne, a także poprzez szeroką współpracę z różnymi
ośrodkami krajowymi i zagranicznymi. W minionym 10-leciu wyniki badań pracowników Zakładu były przedmiotem
około 70 publikacji, poniżej przytaczam wybrane cytowania
przykładowo ilustrujące omawiane zagadnienie.
Rozwój badań naukowych w Zakładzie Biologii Molekularnej, a także w historycznie z nim związanymi Zakładem
Biofizyki i Pracownią Antymetabolitów, w latach 1954-2004
został dosyć obszernie opisany w wydawnictwie poświęconym jubileuszowi 50-lecia IBB PAN [1]. Zagadnienia te
są także przedmiotem kilku opracowań zamieszczonych w
tym zeszycie Postępów Biochemii. Problematyka naukowa
Zespół Prof. Barbary Tudek zajmuje się tematyką mutagenezy i naprawy DNA, zarówno w zakresie charakterystyki funkcjonalnej enzymów naprawczych, jak i znaczenia
nieprawidłowości w ich działaniu w procesie nowotworowym i w starzeniu organizmów. Badania przebiegają
w następujących kierunkach: (i) naprawa oksydacyjnych
uszkodzeń DNA w patofizjologii chorób nowotworowych
[3,4], (ii) nowe aktywności białek naprawy DNA [5,6], (iii)
Fot. 1. Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN z lotu ptaka.
Fot. 2. Siedziba Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN przy ulicy Pawińskiego 5A
w Warszawie.
236www.postepybiochemii.pl
czynniki modyfikujące naprawę DNA [7,8], (iv) hamowanie
aktywności enzymów naprawy DNA [9].
Zespół Prof. Jarosława Kuśmierka zajmuje się badaniami
uszkodzeń DNA powstających w wyniku stresu oksydacyjnego, ich rolą w procesach mutagenezy i kancerogenezy
oraz ich naprawą. Część badań dotyczyła eliminacji z komórkowej puli prekursorów DNA uszkodzonych oksydacyjnie nukleotydów i znaczenia tego procesu w patofizjologii nowotworów [10]. W ostatnich latach zespół zajmuje się
udziałem różnych enzymów w naprawie egzocyklicznych
adduktów zasad DNA w E. coli [11,12] oraz molekularnym
mechanizmem ich naprawy przez enzym, dioksygenazę
AlkB [13].
Główną tematyką realizowaną w zespole Prof. Elżbiety
Grzesiuk są badania nad rolą dioksygenazy AlkB w ochronie komórek przed cytotoksycznym i mutagennym działaniem czynników alkilujących. Badania prowadzone są w
następujących kierunkach: (i) współdziałanie alkB z innymi systemami naprawy DNA w komórkach E. coli [14,15],
(ii) analiza bioinformatyczna homologów alkB w świecie
ożywionym [16], (iii) analiza funkcjonalna homologów
AlkB Cyanobacteria, Arabidopsis thaliana i Pseudomonas putida
[16,17]. Dr hab. Anna Sikora, niezależnie od uczestnictwa
w badaniach kierowanych przez Prof. Grzesiuk, utworzyła grupę, która zajmuje się badaniami nad fermentacjami
wodorowymi i metanowymi oraz analizą metagenomiczną
wyselekcjonowanych zespołów bakterii tych fermentacji
[18,19].
Grupa Dr hab. Anny Bębenek zajmuje się badaniami
mechanizmów wierności replikacji DNA. Celem badań
jest poznanie mechanizmów leżących u podstaw wysokiej
wierności replikacji nieuszkodzonego DNA. Badania koncentrują się nad rolą zachowanych oraz nie-zachowanych
ewolucyjnie reszt aminokwasowych w tym procesie. Prace
te prowadzone są we współpracy z dr Johnem Drake z National Institute of Environmental Heath Sciences z Research
Triangle Park, USA [20,21].
Opisując nawet w skrótowy sposób ludzi i aktualne badania w Zakładzie Biologii Molekularnej, nie sposób pominąć nasze Koleżanki i Kolegów, którzy odeszli od nas na zawsze w ostatnich latach. Byli naszymi mentorami, patronowali naszemu rozwojowi naukowemu, pomnażali dorobek
naukowy Zakładu, często byli po prostu naszymi przyjaciółmi. Chcemy Ich zachować w naszej serdecznej pamięci.
Profesor Włodzimierz Szer zapoczątkował w latach 60.
ubiegłego wieku „nurt syntezy chemicznej”, który w mniejszym lub większym stopniu występuje w całej późniejszej
historii Zakładu. Syntezy analogów i chemiczne modyfikacje zasad DNA, nukleozydów i nukleotydów dostarczały
związków do najróżniejszych badań. Opis części dokonań
naukowych Prof. Szera znajduje się w artykule Kuśmierka
i Stolarskiego w tym zeszycie Postępów Biochemii. W 1967
roku Prof. Szer wyemigrował do Stanów Zjednoczonych.
Tam przez wiele lat był profesorem biochemii na New York
University School of Medicine. Zmarł w 2013 roku w San
Diego w Kalifornii.
Postępy Biochemii 61 (3) 2015
Profesor Celina Janion do ostatnich dni swego życia
(zmarła w 2013 roku) aktywnie współpracowała z grupami Prof. Grzesiuk i Prof. Tudek. Jej dawne badania nad
mutagenem hydroksyloaminą, zarówno badania dotyczące reakcji tego mutagenu z zasadami DNA, tautomerii
hydroksylaminowych pochodnych zasad, jak i badania
biologiczne w fagach i bakteriach doprowadziły do wyjaśnienia molekularnych podstaw mutagennego działania
hydroksyloaminy [22]. Późniejsze zainteresowania Prof.
Janion dotyczyły bakteryjnych systemów mutagenezy/
naprawy DNA, czemu dawała wyraz w licznych pracach
doświadczalnych oraz w pracach przeglądowych (np. jedne
z ostatnich [23,24]).
Profesor Tadeusz Kulikowski (zmarł w 2013 roku) przez
wiele lat kierował Pracownią Antymetabolitów. Pod Jego
kierunkiem prowadzono kompleksowe badania dotyczące syntez, struktury, właściwości substrat/inhibitor wobec
wybranych enzymów, a także potencjalnych właściwości
przeciwwirusowych i przeciwnowotworowych najróżniejszych typów analogów nukleozydów. Przedmiotem badań
były, między innymi, inhibitory syntazy tymidylanowej,
odwrotnej transkryptazy wirusa HIV, ATPazy/helikazy
wirusa zapalenia wątroby typu C (HCV), a także inhibitory
kinaz białkowych. W 2013 roku zmarła także bliska współpracowniczka Prof. Kulikowskiego Dr hab. Alicja Drabikowska, specjalistka w dziedzinie badań biochemicznych.
Opis części badań prowadzonych przez Prof. Kulikowskiego i Jego zespół zawarty jest w artykułach Marii Bretner i
Wojciecha Rode w tym zeszycie Postępów Biochemii.
Dr hab. Zofia Zarębska (dawniej Tramer, zmarła w 2013
roku) i Jej współpracowniczka Dr Daniela Barszcz (zmarła
w 2014 roku) zajmowały się początkowo radiochemią i fotochemią kwasów nukleinowych (zob. artykuł Kazimierza
L. Wierzchowskiego). W 1972 r. Zofia Zarębska nawiązała
współpracę z Kliniką Dermatologiczną Akademii Medycznej w Warszawie, z zespołem kierowanym przez Prof. Stefanię Jabłońską, gdzie badano działanie promieniowania UV
i psoralenu w terapii łuszczycy. W trakcie badań opracowano metodę detekcji fotoadduktów DNA-psoralen w skórze
ssaków [25]. Ponadto ustalono, że jedną z przyczyn ostrych
stanów zapalnych w łuszczycy jest niedobór α-1-proteinaz
w osoczu oraz wykryto izoformy inhibitora charakteryzujące się obniżoną termostabilnością [26]. W ostatnich latach
Doc. Zarębska zajmowała się m. in. immunologicznymi
aspektami fototerapii [27]. Jej badania wniosły wiele dla
zrozumienia procesów biochemicznych związanych z patogenezą oraz leczeniem łuszczycy.
PIŚMIENNICTWO
1. Instytut Biochemii i Biofizyki PAN 1954-2004. Z dziejów biologii molekularnej w Polsce. (2004) Instytut Biochemii i Biofizyki PAN, Warszawa
2. Winiewska M, Kucińska K, Makowska M, Poznański J, Shugar D
(2015) Thermodynamics parameters for binding of halogenated benzotriazole inhibitors of human protein kinase CK2α. Biochim Biophys
Acta 2015 Apr 17. pii: S1570-9639(15)00100-4. doi: 10.1016/j.bbapap.2015.04.004. [Epub ahead of print].
3. Dziaman T, Ludwiczak H, Ciesla JM, Banaszkiewicz Z, Winczura A,
Chmielarczyk M, Wisniewska E, Marszalek A, Tudek B, Olinski R
237
(2014) PARP-1 Expression is Increased in Colon Adenoma and Carcinoma and Correlates with OGG1. PLoS One 9 :e115558
4. Dziaman T, Banaszkiewicz Z, Roszkowski K, Gackowski D, Wisniewska E, Rozalski R, Foksinski M, Siomek A, Speina E, Winczura A,
Marszalek A, Tudek B, Olinski R (2014) 8-Oxo-7,8-dihydroguanine
and uric acid as efficient predictors of survival in colon cancer patients.
Int J Cancer 134: 376-383
5. Prorok P, Alili D, Saint-Pierre C, Gasparutto D, Zharkov DO, Ishchenko AA, Tudek B, Saparbaev MK (2013) Uracil in duplex DNA is a substrate for the nucleotide incision repair pathway in human cells. Proc
Natl Acad Sci USA 110: E3695-3703
6. Prorok P, Saint-Pierre C, Gasparutto D, Fedorova OS, Ishchenko AA,
Leh H, Buckle M, Tudek B, Saparbaev M (2012) Highly mutagenic exocyclic DNA adducts are substrates for the human nucleotide incision
repair pathway. PLoS One 7: e51776
7. Czerwińska J, Poznański J, Dębski J, Bukowy Z, Bohr VA, Tudek B,
Speina E (2014) Catalytic activities of Werner protein are affected by
adduction with 4-hydroxy-2-nonenal. Nucleic Acids Res 42: 1111911135
8. Winczura A, Zdżalik D, Tudek B (2012) Damage of DNA and proteins
by major lipid peroxidation products in genome stability. Free Radic
Res 46 :442-459
9. Biela A, Coste F, Culard F, Guerin M, Goffinont S, Gasteiger K, Cieśla J, Winczura A, Kazimierczuk Z, Gasparutto D, Carell T, Tudek B,
Castaing B (2014) Zinc finger oxidation of Fpg/Nei DNA glycosylases
by 2-thioxanthine: biochemical and X-ray structural characterization.
Nucleic Acids Res 42: 10748-10761
10.Speina E, Arczewska KD, Gackowski D, Zielinska M, Siomek A, Kowalewski J, Olinski R, Tudek B, Kusmierek JT (2005) Contribution of
hMTH1 to the maintenance of 8-oxoguanine levels in lung DNA of
non-small-cell lung cancer patients. J Natl Cancer Inst 97:384-95
11.Maciejewska AM, Ruszel KP, Nieminuszczy J, Lewicka J, Sokołowska B, Grzesiuk E, Kuśmierek JT (2010) Chloroacetaldehyde-induced
mutagenesis in Escherichia coli: the role of AlkB protein in repair of
3,N(4)-ethenocytosine and 3,N(4)-alpha-hydroxyethanocytosine. Mutat Res 684: 24-34
12.Maciejewska AM, Sokolowska B, Nowicki A, Kusmierek JT (2011) The
role of AlkB protein in repair of 1,N-6-ethenoadenine in Escherichia coli
cells. Mutagenesis 26: 401-406
13.Maciejewska AM, Poznanski J, Kaczmarska Z, Krowisz B, Nieminuszczy J, Polkowska-Nowakowska A, Grzesiuk E, Kusmierek JT
(2013) AlkB dioxygenase preferentially repairs protonated substrates:
specificity against exocyclic adducts and molecular mechanism of action. J Biol Chem 288: 432-441
14.Sikora A, Mielecki D, Chojnacka A, Nieminuszczy J, Wrzesinski M,
Grzesiuk E (2010) Lethal and mutagenic properties of MMS-generated
DNA lesions in Escherichia coli cells deficient in BER and AlkB-directed
DNA repair. Mutagenesis 25:139-147
15.Maciejewska AM, Poznański J, Pilżys T, Marcinkowski M, Dylewska
M, Piwowarski J, Jakubczak W, Pawlak K, Grzesiuk E (2015) Effects of
changes in intracellular iron pool on AlkB-dependent and AlkB-independent mechanisms protecting E. coli cells against mutagenic action
of alkylating agent. Sikora A, Mutat Res 2015 Jun 23;778:52-60. doi:
10.1016/j.mrfmmm.2015.05.009. [Epub ahead of print]
16.Mielecki D, Zugaj DŁ, Muszewska A, Piwowarski J, Chojnacka A,
Mielecki M, Nieminuszczy J, Grynberg M, Grzesiuk E (2012) Novel
AlkB dioxygenases — alternative models for in silico and in vivo studies. PLoS One 7: e30588
17.Mielecki D, Saumaa S, Wrzesiński M, Maciejewska AM, Żuchniewicz
K, Sikora A, Piwowarski J, Nieminuszczy J, Kivisaar M, Grzesiuk E
(2013) Pseudomonas putida AlkA and AlkB proteins comprise different
defense systems for the repair of alkylation damage to DNA — in vivo,
in vitro, and in silico studies. PLoS One 8: e76198
18.Piela P, Michałowski T, Miltko R, Szewczyk K, Sikora R, Grzesiuk E,
Sikora A (2010) Can a fermentation gas mainly produced by rumen
Isotrichidae ciliates be a potential source of biohydrogen and a fuel for
a chemical fuel cell? J Microbiol Biotechnol 20: 1092-1100
19.Chojnacka A, Szczęsny P, Błaszczyk MK, Zielenkiewicz U, Detman A,
Salamon A, Sikora A (2015) Noteworthy facts about a methane-producing microbial community processing acidic effluent from sugar
beet molasses fermentation. PLoS One 10: e0128008
20.Trzemecka A, Jacewicz A, Carver GT, Drake JW, Bebenek A (2010)
Reversal of a mutator activity by a nearby fidelity-neutral substitution
in the RB69 DNA polymerase binding pocket. J Mol Biol 404: 778-793
21.Jacewicz A, Trzemecka A, Guja KE, Plochocka D, Yakubovskaya E,
Bebenek A, Garcia-Diaz M (2013) A remote palm domain residue of
RB69 DNA polymerase is critical for enzyme activity and influences
the conformation of the active site. PLoS One 8: e76700
22.Janion C (1984) Some problems of mutagenesis induced by base analogues. Acta Biochim Polon 31 :183-192
23.Janion C (2006) Chemically methylated DNA repair in Escherichia coli
- the role of alkB protein. Postepy Biochem 52: 239-246
24.Janion C (2008) Inducible SOS response system of DNA repair and
mutagenesis in Escherichia coli. Int J Biol Sci 4 :338-344
25.Pathak MA, Zarebska Z, Mihm MC, Jarzabek-Chorzelska M, Chorzelski T, Jablonska S (1986) Detection of DNA-psoralen photoadducts in
mammalian skin. J Invest Dermatol 86: 308-315
26.Barszcz D, Zarebska Z, Glinska-Ferenz M, Jabkonska S, Tigalonowa
M, Glinski W (1988) Alpha1-proteinase inhibitor in psoriasis: reduced
activity in sympton-free patients and during flare. Arch Dermatol Res
28O: 198-206
27.Zarebska Z (2002) Immunologic aspects of phototherapy. Postepy Hig
Med Dosw 56: 139-153
238www.postepybiochemii.pl