Proteoliza in njena regulacija

Proteolitsko procesiranje je ena najpomembnejših ireverzibilnih posttranslacijskih modifikacij proteinov. Preko procesiranja in/ali razgradnje proteinov proteaze regulirajo številne esencialne fiziološke procese kot imunski odziv, celični cikel, celično smrt, prebavo hrane in recikliranje proteinov in organelov. Aktivnost proteaz je strogo regulirana, neravnovesja v njihovi regulaciji pa vodijo v razvoj številnih bolezni, kot npr. vnetij, raka in nevrodegenerativnih obolenj, zaradi česar so proteaze pomembne tarče za zdravila. Proteaze so ključne pri vnetju, ki ima zelo pomembno vlogo pri razvoju številnih bolezni, kot so npr. različne vrste raka in artritisa. Med temi vnetnimi proteazami so predvsem cisteinski katepsini in metaloproteaze, pa tudi nekatere kaspaze in aspartatni katepsini. Ker pri večini omenjenih bolezni ni učinkovitih terapij in dobre diagnostike, se bomo osredotočili na cisteinske katepsine, za katere je bilo z uporabo izbitja genov kot s farmakološko inhibicijo v živalskih modelih nedvoumno pokazano, da imajo pomembno vlogo pri boleznih kot so rak, ateroskleroza in artritis. Poleg katepsinov se bomo osredotočili še na kaspaze, legumain, različne metaloproteaze, avtofagine in aspartatne katepsine. Ker je dobro razumevanje vloge posamezne proteaze še vedno eden od glavnih izzivov za uspešne terpevtske aplikacije, je eden od glavnih ciljev našega programa nadaljnje razumevanje signalnih poti, preko katerih izbrane proteaze uravnavajo fiziološke procese v normalnih in patoloških pogojih in razumevanje s tem povezanih interkacij na molekularnem nivoju, vključno z regulacijo njihove aktivnostih pri boleznih povezanih z vnetji. Del aktivnosti bomo usmerili tudi v razvoj metod in orodij, ki bi jih lahko izkoristili za diagnozo in zdravljenje bolezni. To vključuje spremljanje aktivnosti proteaz, regulacijo njihove aktivnosti pri boleznih teridentifikacijo njihovih signalnih poti preko identifikacije fizioloških substratov. Velik potencial imajo vsekakor nove sonde za spremljanje aktivnosti proteaz za diagnostične namene ter novi ciljani dostavni sistemi za zdravila s teranostičnim potencialom. Poleg tega imajo velik potencial kot biomarkerji tudi novo identificirani substrati proteaz, ki jih bomo ovrednotili v kliničnih vzorcih. Zato verjamemo, da bodo te raziskave pomembno doprinesle k razumevanju proteaznih signalnih poti in njihove regulacije tako v normalnih pogojih kot pri boleznih na molekularnem nivoju, možnostim za uspešno in zgodnjo diagnozo bolezni in spremljanje njenega poteka ter za izboljšanje obstoječih terapevtskih pristopov. Vse to pa bo pripeljalo personalizirano (osebnostno) medicino na višji nivo.

Znotraj in zunajcelična razgradnja beljakovin, pri kateri imajo ključno vlogo proteolizni encimi, je eden najpomembnejših življenjskih procesov. V normalnih pogojih je proteoliza strogo regulirana predvsem z aktivacijo neaktivnih prekurzorjev proteaz ter endogenimi inhibitorji. Kadar pa regulacija odpove, so proteaze lahko izjemno škodljive za organizem, kar lahko vodi do številnih bolezni. V preteklosti je naša raziskovalna skupina pomembno doprinesla k razvoju področja z odkritji več katepsinov in njihovih endogenih inhibitorjev cistatina C, stefinov A in B, kininogenov, tiropinov, lizosomske poti apoptoze, razumevanju vloge avtofagije pri parazitu T. cruzi, kot tudi s pionirskimi študijami na področju razvoja novih ciljanih dostavnih sistemov za zdravila na osnovi kovinskih nanodelcev in ligandov proteaz, alosteričnih proteaznih inhibitorjev in novih sond za spremljanje ktivnosti proteaz, kar uvršča te raziskave med raziskave na špici znanosti. To se odraža tudi v velikem številu citatov naših del na enem najbolj kompetitivnih področij raziskav, kar je nedvomno velik uspeh. Predlagani raziskovalni program ponuja nove možnosti za boljše razumevanje regulacije proteolize, vključno z njeno vlogo pri z vnetjih povezanimi boleznimi (rak, artritis, vnetne bolezni prebavil, …), načrtovanje zdravil, identifikacijo biomarkerjev ter druge diagnostične in terapevtske pristope, vključno z razvojem novih teranostičnih sistemov, karvse  vodi do personalizirane medicine. Zato ocenjujemo, da imamo dobre argumente, da bo tudi novi program uspešno zaključen v naslednjih šetih letih. Velik interes farmacevtske industrije za proteaze vključno s katepsini (prvo zdravilo, ki cilja katepsine za zdravljenje osteoporoze, odanacatib, je v zaključnih postopkih testiranja in se v bližnji prihodnosti pričakuje vloga za registracijo na FDA) potrjuje idejo, da je ta problematika zelo pomembna. Dodatno težo temu argumentu daje tudi dejstvo, da je predlagana problematika tudi med temami raziskovalnega programa Horizont2020. Tako lahko sklepamo, da raziskave v programu spadajo med najbolj atraktivna področja biomedicine, agronomije in farmacevtike, če naštejemo le nekatera. Da spadajo dosedanji dosežki med vrhunske v svetovnem merilu dokazujejo številne objave v najpomembenjših mednarodnih revijah, med katerimi je tudi več člankov z IF ) 9,0 v zadnjem programskem obodbju (2009-2014) in posledična visoka citiranost del vodje programa (skupno več kot 6600 citatov, h-index 42) in ostalih sodelavcev. To je razvidno tudi iz številnih nagrad, ki so jih prejeli sodelavci skupine, ter iz mednarodnih sodelovanj z vrsto odličnih raziskovalcev v svetu.

Čeprav predlagane raziskave spadajo med bazične raziskave, vsebujejo tudi razvojno-aplikativno komponentno, zaradi česar jih lahko upravičeno štejemo med strateške bazične raziskave. Člani skupine so intenzivno sodelovali s slovensko (Lek, Krka, Medis, Acies Bio, …) in tujo (Sanofi) industrijo, kar se je odrazilo v večjem številu naročniških raziskav in sodelavi v FP7 projektih kot tudi v dobrih sodelavah znotraj Centra odličnosti CIPKEBIP in Kompetenčnega centra Brin, ki sta oba finansirana preko Evropskih Strukturnih Skladov. V to katergorijo spadajo tudi podeljeni mednarodni patenti in mednarodne patentne prijave v zadnjem obdobju.  Razisave ponujajo veliko priložnost tudi za študente, ki se lahko izobražujejo na področju najnaprednejših metod in področij, kamor spadajo proteomika (v okviru skupine imamo edini proteomski laboratorij v Sloveniji), kemogenomika, ciljana dostava zdravil in in vivo vizualizacija (v okviru skupine imamo edini sistem za in vivo vizualizacijo v Sloveniji). Vsa omenjena področja imajo namreč zelo visoko prioriteto ker so izjemnega pomena pri modernem razvoju zdravil in zgodnji diagnostiki. Njihova kombinacijae pa nam bo omogočila prenesti spoznanja v klinično prakso in tako dvigniti personalizirano medicino na nov nivo. Tako ni presentetljivo, da je bilo v okviru program od njegovega začetka opravljeno več kot 250 diplomskih del, več kot 40 magisterijev in več kot 40 doktoratov, vklučno z 12 doktorati iz zadnjega šetletnega obdobja od leta 2009. Po zaključku študija so številni raziskovalci zapustili skupino in odšli na druge institute ali univerze. Tako ti raziskovalci tvorijo jedro Katedre za biokemijo na FKKT na Univerzi v Ljubljani. Poleg tega so številni raziskovalci odšli tudi v farmacevtsko industrijo (več kot 10 v zadnjih 7-8 letih). Takšne raziskave, ki vključujejo biokemijo, kemogenomiko, proteomiko in molekularno ter celično biologijo so ključnega pomena za razvoj moderne biotehnologije in biomedicine.  Odlična ter aktualna znanost ter njen prenos v moderno tehnologijo pa so ključnega pomena za trajen družbeno-ekonomski razvoj in konkurenčnost Slovenije ter njeno umestitev med razvite članice Evropske skupnosti. Poleg tega so člani programske skupine dosegli veliko mednarodno prepoznavnost, kar je zelo pomembno za mednarodno promocijo Slovenije in kot takšno tudi za ohranjanje nacionalne identitete Slovenije. Skupina je tao organizirala številna mednarodna srečanja, ki so se jih udeležili tudi številni ugledni tuji raziskovalci iz akademske sfere in iz industrije, vključno z več nNobelovimi nagrajenci.  Vzpostavljene so bile številne mednarodne povezave, kar prav tako prispeva k mednarodnemu ugledu Slovenije. Člani programske skupine pa so poleg tega sodelovali v vodstveniha organih mednarodnih organizacij. Dr. Boris Turk je trenutno  generalni skeretar Evropske Organizacije za Celično Smrt (ECDO), bil pa je tudi član sveta International Proteolysis Society (IPS, 2001-2005; 2009-2013) in njen sekretar (2009-2011) ter predsednik (2011-2013). Poleg tega je tudi član EMBO in Academia Europea (London) ter prejemnik Zoisove nagrade za vrhunske dosežke v znanosti na področju prenosa signalov s proteazami.  Dr. Vito Turk pa je bil na vodilnih položajih v Federation of European Biochemical Societies (FEBS) (generalni sekretar) in v IUBMB. Poleg tega je redni član Slovenske Akademije Znanosti in Umetnosti (SAZU), EMBO, Academia Europea (London), itd. Poleg tega so tudi drugi člani skupine dobili različne nagrade ali priznanja.  Več članov programske skupine pa je tudi urednikov ali članov uredniških odborov različnih mednarodnih revij, kar dodatno prispeva k mednarodni prepoznavnosti Slovenije. S temi dosežki tako doprinašamo tudi h kulturnemu dvigu Slovenije, saj sta tako znanost kot umetnost pri tem nepogrešljivi.