Νευροεπιστήμονας από το Columbia κερδίζει τη στήριξη Κορυφαίου Επιστημονικού Ινστιτούτου
Ο Σταύρος Λομβαρδάς, ειδικός στην όσφρηση, κερδίζει χρηματοδότηση και αναγνώριση από το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes.
Νέα Υόρκη, 22 Σεπτεμβρίου 2016 – Όταν ο Διδάκτωρ Σταύρος Λομβαρδάς έκανε το μεταπτυχιακό του, δεν στόχευε στη μελέτη του εγκεφάλου. Ήταν γοητευμένος από μια ακόμα πιο θεμελιώδη πλευρά της βιολογίας: τί κάνει ένα κύτταρο διαφορετικό από το άλλο.
Αυτή η γοητεία τον οδήγησε στη μελέτη της κατηγορίας των εγκεφαλικών κυττάρων που μας δίνουν την αίσθηση της όσφρησης, τους οσφρητικούς νευρώνες. Ερευνά τα γονίδια που παράγουν διαφορετικά είδη οσφρητικών νευρώνων, και μας δίνουν τη δυνατότητα να αναλύσουμε δισεκατομμύρια διαφορετικές μυρωδιές.
Σε λίγα μόνο χρόνια, η έρευνα του Dr. Λομβαρδά παρείχε νέες πληροφορίες για την οργάνωση και τη δομή του οσφρητικού μας συστήματος. Το έργο του προσέλκυσε επίσης το ενδιαφέρον του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes (HHMI), που ανακοίνωσε σήμερα πως ο Dr. Λομβαρδάς είναι μεταξύ των καινούργιων μελών του Προγράμματος Σχολικών Υποτροφιών.
Το Πρόγραμμα αυτό αναγνωρίζει επιτυχημένους ερευνητές στην αρχή της καριέρας τους, με ισχυρές προοπτικές να κάνουν πρωτοποριακές συμβολές στην επιστήμη και την ιατρική. Μέσα στα επόμενα 5 χρόνια θα λάβει 900.000 δολάρια. Μιλήσαμε με τον Dr. Λομβαρδά, κύριο ερευνητή στο Ινστιτούτο Συμπεριφοράς Νου και Εγκεφάλου Mortimer B. Zuckerman στο Columbia, και καθηγητή βιοχημείας και μοριακής βιοφυσικής στο Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου του Columbia (CUMC), για το έργο του και πως θα στηρίξει την έρευνά του για την επιστήμη της όσφρησης η αναγνώρισή του από το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes.
Το πρώιμο έργο σας ήταν εστιασμένο στη μελέτη της γενετικής. Πώς σας οδήγησε αυτό στο ενδιαφέρον για την επιστήμη της όσφρησης;
Αρχικά, ήθελα να κατανοήσω τα βιολογικά στάδια που δημιουργούν το ευρύ φάσμα των κυτταρικών ειδών στο σώμα. Ο καλύτερος τρόπος να γίνει αυτό είναι να κοιτάξουμε το γενετικό υλικό στο εσωτερικό κάθε κύτταρου. Σχεδόν κάθε κύτταρο στο σώμα μας έχει το ίδιο σύνολο γενετικού υλικού, γνωστό από κοινού ως γονιδίωμα μας. Το μοτίβο σύμφωνα με το οποίο κάποια γονίδια ενεργοποιούνται και κάποια παραμένουν αδρανή κάνει κάθε κύτταρο διαφορετικό από το άλλο.
Υπό τη συμβουλευτική καθοδήγηση του Dr. Richard Axel, συνδιευθυντή του Ινστιτούτου Zuckerman, ο οποίος κέρδισε το 2004 βραβείο Νόμπελ για τις μελέτες του πάνω στην όσφρηση, γεννήθηκε το ενδιαφέρον μου σχετικά με το πώς λειτουργεί η γονιδιακή ρύθμιση στο οσφρητικό σύστημα. Όσο περισσότερο το έψαχνα, τόσο πιο περίπλοκο και εντυπωσιακό άρχισε να μου φαίνεται.
Τί σας εντυπωσίασε περισσότερο στο οσφρητικό σύστημα;
Υπάρχουν περίπου 1000 γονίδια που εμπλέκονται στην όσφρηση. Σε κάθε περίπτωση, εξειδικευμένες πρωτεϊνες που ονομάζονται παράγοντες μεταγραφής ενεργοποιούν το σωστό γονίδιο τη σωστή στιγμή με απευθείας δέσμευση τους σε αυτό. Τα γονίδια στους οσφρητικούς νευρώνες όμως είναι τοποθετημένα σε μια ασυνήθιστα πυκνή και συμπαγή δέσμη. Δυσκολευτήκαμε πολύ να κατανοήσουμε πώς κάθε παράγοντας μεταγραφής κατάφερνε να αποσπάσει ένα μεμονωμένο γονίδιο από τη δέσμη αυτή για να το ενεργοποιήσει.
Αρχικά, ο Dr. Axel και εγώ υποθέσαμε ότι μια μεμονωμένη, εξειδικευμένη δομή καθοδηγούσε τη διαδικασία αυτή, αλλά τότε δεν είχαμε τη δυνατότητα να το γνωρίζουμε αυτό με βεβαιότητα. Μερικά χρόνια αργότερα όμως, όταν ήμουν κύριος ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, εγώ και οι συνεργάτες μου βρήκαμε στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτή την ιδέα.
Σε μια έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Cell το 2014, εντοπίσαμε αυτή την πολύπλοκη, τρισδιάστατη δομή. Η δομή αυτή με κάποιο τρόπο επιτρέπει σε ένα μεμονωμένο γονίδιο να βγει από τη σφιχτή δέσμη και να ενεργοποιηθεί. Τώρα προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό.
Ποιές είναι οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις αυτής της έρευνας;
Οι μελέτες μας πάνω στις ρυθμίσεις των γονιδίων της όσφρησης θα μπορούσαν να έχουν πολύ σημαντικές επιπτώσεις και για άλλα μέρη του νευρικού συστήματος. Υπάρχουν πολλές οικογένειες γονιδίων που εμπλέκονται στο νευρικό σύστημα και παραμένουν σε μεγάλο βαθμό μη χαρακτηρισμένες. Αν μπορούμε να αποκαλύψουμε περισσότερα γύρω από την οργάνωση των γονιδίων σε διαφορετικά συστήματα-πως συσωματώνονται, πως ενεργοποιούνται-θα έχουμε μια πιο ξεκάθαρη ιδέα για τις βασικές αρχές του εγκεφάλου.
Είναι επίσης σημαντικό το γεγονός ότι το έργο μας ρίχνει φως σε ότι συμβαίνει όταν αυτή η οργανωτική δομή πάει στραβά, όπως για παράδειγμα οι διάφορες διαταραχές όπου οι νευρώνες δεν αναπτύσσονται σωστά. Επιπλέον, μερικές από τις ρυθμιστικές αρχές που αποκαλύπτουμε μπορούν να βοηθήσουν περιπτώσεις που επιφανειακά μοιάζουν τελείως άσχετες με την έρευνά μας, όπως για παράδειγμα η νόσος Αλτσχάιμερ.
Τί έχετε ανακαλύψει που να σχετίζεται με το Αλτσχάιμερ μέχρι στιγμής;
Εδώ και πολύ καιρό υπάρχουν ανεπίσημα στοιχεία που αποδεικνύουν ότι η μειωμένη ικανότητα όσφρησης είναι μια πρώιμη ένδειξη της νόσου του Αλτσχάιμερ. Η σύνδεση αυτή αγνοείτο σε μεγάλο βαθμό, αλλά κάποιες πρόσφατες έρευνες που έγιναν από τον Dr. Devangere Devanand και τους συνάδελφους στο Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου του Κολούμπια μας παρέχουν ισχυρούς συσχετισμούς στους ανθρώπους μεταξύ των ελλείψεων στην όσφρηση και στο Αλτσχάιμερ.
Κατά περίεργο τρόπο το έργο μας υπαινίσσεται ότι οι οσφρητικοί νευρώνες έχουν κάποια μοναδικά χαρακτηριστικά που μπορούν να υποστηρίξουν τη σύνδεση αυτή. Σχεδόν κάθε είδος κυττάρου, συμπεριλαμβανομένου και της συντριπτικής πλειοψηφίας των νευρώνων, περιέχουν πρωτεΐνες που λειτουργούν ως ένα σύστημα ποιοτικού ελέγχου, ένα είδος “συνεργείου καθαρισμού”, που εντοπίζει κατεστραμμένες ή ανακριβώς πτυχωμένες πρωτεΐνες και τις απομακρύνει. Αυτό είναι ενδιαφέρον, καθώς οι οσφρητικοί νευρώνες δεν έχουν κανένα σύστημα ποιοτικού ελέγχου, οπότε οι ανακριβώς πτυχωμένες πρωτεΐνες τείνουν να συσσωρεύονται εκεί σε μεγαλύτερο βαθμό από οποιοδήποτε άλλο τύπο νευρώνων.
Η νόσος Αλτσχάιμερ, σε τελική ανάλυση, προκαλείται από μια ανώμαλη συσσώρευση πρωτεϊνών στους νευρώνες, που οδηγεί με τη σειρά της στην αποδόμηση και το θάνατο αυτών των κυττάρων. Η τρέχουσα υπόθεσή μας είναι πως επειδή οι οσφρητικοί νευρώνες στερούνται αυτό το κυτταρικό “συνεργείο καθαρισμού”, είναι κομμάτι του νευρικού συστήματος που επηρεάζεται πρώτο από το Αλτσχάιμερ, και εν δυνάμει εξηγεί γιατί η ανοσμία (η απώλεια της όσφρησης) μπορεί να είναι ένας προγνωστικός παράγοντας της νόσου αυτής.
Πώς θα επηρεαστούν τα ερευνητικά σας προγράμματα τώρα που γίνατε μέλος των Σχολικών Υποτροφιών του HHMI;
Μια από τις βασικές αρχές του ΗΗΜΙ είναι η στήριξη ανθρώπων, όχι προγραμμάτων. Η υποστήριξή τους θα μου δώσει την ελευθερία να ακολουθήσω ιδέες, να ακολουθήσω την επιστήμη, όπου και αν με οδηγήσει. Έχουμε πολλές ιδέες στο εργαστήριό μας που δεν μπορούμε ακόμα να εξερευνήσουμε γιατί δεν έχουμε χρηματοδότηση. Με τη στήριξη του HHMI, θα μπορέσουμε να πάρουμε ρίσκα και να δοκιμάσουμε αντισυμβατικές ιδέες που μπορεί να μας δώσουν εντυπωσιακά αποτελέσματα.
Columbia Neuroscientist Wins Support of Leading Science Institute
Stavros Lomvardas, an expert on olfaction, our sense of smell, earns funding and recognition from the Howard Hughes Medical Institute.
NEW YORK, September 22, 2016 — When Stavros Lomvardas, PhD, was a graduate student, he did not set out to study the brain. He was fascinated by an even more fundamental aspect of biology: what makes one cell different from the next.
This fascination led him to study the class of brain cells that give us our sense of smell, olfactory neurons. He investigates the genes that generate different types of olfactory neurons and give us the power to parse billions of different scents.
In just a few years, Dr. Lomvardas’ research has already provided new insights into the organization and structure of our olfactory system. His work has also caught the attention of the Howard Hughes Medical Institute (HHMI), which today announced that Dr. Lomvardas is among the newest members of their Faculty Scholars Program.
The HHMI Faculty Scholars program recognizes accomplished, early career researchers with strong potential to make groundbreaking contributions to science and medicine. He will receive $900,000 over a period of five years. We spoke with Dr. Lomvardas, a principal investigator at Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute and professor of biochemistry and molecular biophysics at Columbia University Medical Center (CUMC), about his work and how this recognition from the HHMI will support his research about the science of smell.
Your early work focused on the study of genetics. How did that lead to your interest in the science of olfaction?
Originally, I wanted to understand the biological steps that generate the vast array of cells types in the body. The best way to do this is to look at the genetic material inside each cell. Almost every cell in your body has the exact same set of genetic material, collectively known as our genome. But it is the pattern of which genes get switched on and which remain dormant that makes one cell different from the next.
Under the mentorship of Dr. Richard Axel, a Zuckerman Institute codirector who won the 2004 Nobel Prize for his studies on olfaction, I became interested in how gene regulation operates in the olfactory system. And the closer I looked, the more complex and mind-boggling it began to appear.
What was most mind-boggling about the olfactory system?
There are about 1000 genes involved in olfaction. In almost all cases, specialized proteins called transcription factors activate the right gene at the right time by binding directly to it. But genes in olfactory neurons are packed into an unusually dense, compact bundle. We had trouble figuring out how any transcription factor could wrest away a single gene from that bundle in order to activate it.
Early on, Dr. Axel and I hypothesized that a single, specialized structure was guiding this process, though at the time we had no way of knowing for sure. But then a few years ago, when I was a principal investigator at the University of California, San Francisco, my collaborators and I found evidence supporting this idea.
In research published in Cell in 2014, we identified that complex, three-dimensional structure. Somehow this structure allows for a single olfactory gene to pop out of the tightly packed cluster and become activated. Precisely how this occurs is something we’re now trying to figure out.
What are the long-term implications of this research?
Our studies on gene regulation of olfaction could have profound implications for other areas of the nervous system. There are many gene families involved in the nervous system that remain largely uncharacterized. If we can uncover more about how genes in different systems are physically organized — how they cluster together, how they become activated — we’ll get a much clearer window into the underlying principles of the brain.
Importantly, our work is also shedding light what happens when this organizational structure goes awry, for example in various disorders where neurons fail to develop properly. Moreover, some of the regulatory principles we are uncovering may shed light on conditions that on the surface appear completely unrelated to our research, for example in Alzheimer’s disease.
What discoveries related to Alzheimer’s have you made so far?
For a long time, there was anecdotal evidence that a decreased ability to smell was an early indicator of Alzheimer’s disease. That connection was largely ignored, but recent research performed by Dr. Devangere Devanand and colleagues at Columbia University Medical Center provides strong correlations in humans between deficits in olfaction and Alzheimer’s. Intriguingly our work suggests that olfactory neurons have some unique characteristics that may support this link.
Almost every type of cell, including the vast majority of neurons, contains proteins that act as a quality control system, a sort of clean-up crew, that finds damaged or misfolded proteins and flushes them away. Intriguingly, olfactory neurons have no such quality control system, so misfolded proteins tend to accumulate at higher levels than in other types of neurons.
Alzheimer’s disease is, ultimately, caused by an abnormal buildup of proteins in neurons, which leads to these cells’ degradation and death. Our current hypothesis is that because olfactory neurons lack this cellular clean-up crew, they are the part of the nervous system first affected by Alzheimer’s, potentially explaining why anosmia (a loss of the sense of smell) may be early predictors of this disease.
How will becoming an HHMI Faculty Scholar affect your research programs?
One of HHMI’s guiding principles is to support people, not projects. Their backing will give me the freedom to follow ideas, to follow the science, wherever it may lead. In our lab, we have many ideas that we cannot yet explore because we do not have funding. With HHMI’s support, we will be able to take risks and test unconventional ideas that may yield groundbreaking results.
