1987: SUSUMU TONEGAWA

Artigo científico escrito por: 
FACHINI, Fernando 
MÜLLER, Eduardo G. 
SCARSI, Ana L. 
Faculdade de Medicina - UPF

RESUMO:

Susumu Tonegawa - japonês, Ph.D. em Biologia Molecular pela Universidade da Califórnia e vencedor do Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina do ano de 1987 - realizou pesquisas importantes na área da Imunologia. Tonegawa nasceu e cresceu no Japão, veio para os Estados Unidos em 1963, mas foi no “Basel Institute for Immunology”, na Suíça, que se destacou mundialmente com suas pesquisas. Mesmo tendo poucos conhecimentos sobre Imunologia, logo teve o interesse despertado por uma questão que há anos intrigava os imunologistas: “como o corpo, com sua limitada quantidade de genes, consegue gerar um variado contingente de anticorpos capaz de atacar qualquer vírus, bactéria ou outro microorganismo?”. Ele tinha apenas 30 anos quando explicou esse mistério, demonstrando que a diversidade de anticorpos se dá pela combinação de fragmentos de genes que são usados para produzir anticorpos específicos. Somando-se às suas investigações sobre Imunologia, as últimas pesquisas de Tonegawa têm sido os aspectos moleculares e celulares da neurobiologia com ênfase na memória e aprendizado. Em 1994 tornou-se diretor do “MIT's Center for Learning and Memory”.
PALAVRAS-CHAVE:
Prêmio Nobel, Susumu Tonegawa, Imunologia, Diversidade de Anticorpos.

ABSTRACT:
 

Susumu Tonegawa – Japanese Ph.D degree in Molecular Biology by the University of California and 1987 Nobel Prize in Physiology or Medicine awarded – realized important researches in immunology. Tonegawa was born and grew up in Japan, came to the United States in 1963, and in the “Basel Institute for Immunology”, Switzerland, his researches became famous. Even knowing just a little of immunology, soon he became instigated by one question: how does the body, with a limited number of gens, could generate a huge variety of antibodies to attack virtually any virus, bacterium, and other microorganism, even before the body encounters an assault?. He was only in his 30s when he explained the mystery, demonstrating that the antibody diversity is achieved by the shuffling of genes that are used to produce specific antibodies. Tonegawa’s last researches are being about the molecular and cellular neurobiological aspects of learning and memory. In 1994 he became director of MIT's Center for Learning and Memory.
KEYWORDS:
Nobel Prize, Susumu Tonegawa, Immunology, Antibodies Diversity

INTRODUÇÃO
 

Certos questionamentos, ao longo da história, sempre instigaram a curiosidade de muitos cientistas. O século XX, em especial, se consagrou na história como um período de grandes descobertas, e a área das ciências médicas não ficou de lado. A exemplo de Susumu Tonegawa, Ph.D. em Biologia Molecular, que decifrou um dos maiores enigmas da Imunologia: “como o corpo, com sua limitada quantidade de genes, consegue gerar um variado contingente de anticorpos capaz de atacar qualquer vírus, bactéria ou outro microorganismo?”. Com essa descoberta Tonegawa, em 1987, é laureado com o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia, prêmio esse que vem sendo distribuído aos profissionais em destaque nas suas áreas, desde o ano de 1901.
O INÍCIO DA CARREIRA
Tonegawa nasceu em Nagoya, Japão, no dia 6 de setembro de 1939, foi o segundo filho entre três. Seu pai era um engenheiro que trabalhava para uma companhia têxtil que tinha várias fábricas espalhadas por cidades rurais da parte sul do Japão. A companhia exigia que seu pai, e conseqüentemente toda a família, mudassem de cidade a cada período de tempo. Susumu e seus irmãos passavam a maior parte de seus tempos nessas pequenas cidades, aproveitando os bons aspectos das regiões mais ruralizadas. Porém, quando Tonegawa e seu irmão mais velho atingiram a maioridade, seus pais optaram por mandá-los a Tóquio a fim de receberem uma melhor educação.
Tonegawa então se tornou aluno da prestigiada escola de ensino médio “Hibiya” enquanto morava na casa de seu tio. Durante seus anos de escola, ele desenvolveu um grande interesse em Química, então quando a escolha pela graduação estava próxima, resolveu entrar no Departamento de Química da Universidade de Kyoto, a antiga capital do Japão. Após ser reprovado em sua primeira tentativa, é admitido pela escola em 1959. Sua entrada na universidade coincidiu por ser um ano antes da expiração do termo de paz entre o Japão e os Estados Unidos. Os dois países estavam se preparando para um novo acordo de dez anos. 
A nação estava profundamente dividida entre dois grupos distintos: os conservadores pró-americanos e os esquerdistas idealísticos anti-militares. A Universidade de Kyoto era a casa de grande parte dos grupos de estudantes radicais esquerdistas, então muitas aulas eram geralmente canceladas devido à freqüentes discussões políticas. Tonegawa era apenas um participante passivo, omitindo-se de discussões, mas não conseguiu evitar o sentimento de derrota compartilhado com seus colegas quando o acordo foi finalmente estendido para os próximos dez anos. Susumu acredita que essa experiência pode ter sido o fator que mais influenciou a sua desistência do objetivo de se tornar engenheiro químico e depois professor.
Tonegawa ficou fascinado pela emergente ciência da biologia molecular quando no seu último ano de faculdade passou a ler textos de François Jacob e Jacques Monod. Então decidiu aperfeiçoar-se em biologia molecular e foi aceito pelo laboratório do Professor Itaru Watanabe no Instituto de Pesquisa com Vírus da Universidade de Kyoto, um dos poucos laboratórios japoneses com profissionais treinados nos Estados Unidos e engajados na pesquisa. Contudo, apenas dois meses depois que seu trabalho havia começado, Tonegawa é chamado pelo Professor Watanabe, que sugeriu que ele continuasse os seus estudos de graduação nos Estados Unidos. Watanabe explicou o quão inadequados eram os programas de treinamento nos laboratórios de biologia molecular do Japão, incluindo seu próprio laboratório, e ofereceu ajuda na admissão de Tonegawa em alguma grande Universidade dos Estados Unidos.
Nessa época, era normal que um biólogo molecular seguisse aos Estados Unidos para alguns anos de estudos de pós-doutorado após a obtenção do título de Ph.D. no Japão. Tonegawa já tinha um vago desejo de seguir esse caminho. O aviso do Professor Watanabe para que Tonegawa se matriculasse numa escola de graduação americana veio como uma surpresa, mas Tonegawa ficou excitado com a idéia e aceitou-a imediatamente. Pode-se dizer que o estímulo de Watanabe foi essencial para a futura carreira de Susumu.
Com a ajuda adicional do Dr. Takashi Yura, professor assistente no laboratório de Watanabe, Tonegawa é admitido à escola de graduação do Departamento de Biologia da Universidade da Califórnia em San Diego, departamento esse, recém criado pelo professor David Bonner em La Jolla, sul da Califórnia, próximo à fronteira com o México
Na UCDS, Tonegawa estudou no laboratório do Professor Masaki Hayashi, defendendo uma tese sobre controle transcritivo em um determinado tipo de vírus, a qual lhe garantiu o título de Ph. D. em biologia molecular em 1968. Tonegawa permaneceu no laboratório do Professor Hayashi até o início de 1969, então se mudou para o laboratório do Dr. Renato Dulbecco, no “Salk Institute”.
Assim como muitos outros, Tonegawa acreditava que a era de ouro da biologia molecular procarionte estava terminando e que o foco passaria a ser os grandes organismos. Contudo, a complexidade de grandes organismos era imensa e as ferramentas necessárias pareciam insuficientes. Mesmo assim, o laboratório de Dulbecco estava repleto de pesquisadores de primeira classe vindos de toda parte do globo, treinados para o estudo da biologia molecular procarionte e dispostos a expandir suas pesquisas para a biologia molecular eucarionte. 
Ser um membro do melhor laboratório da área estimulava a pesquisa. Infelizmente, o visto de permanência nos Estados Unidos de Susumu expirava no final de 1970 e ele deveria deixar os EUA por pelo menos dois anos para que pudesse ganhar novo visto.Tonegawa tinha três possibilidades de emprego fora dos Estados Unidos, mas nenhuma era particularmente interessante. No outono de 1970, alguns meses antes do seu visto expirar, Tonegawa recebeu uma carta vinda de Renato Dulbecco, que estava viajando pela Europa. Renato mencionou sobre o recém estabelecido “Basel Institute for Immunology” em Basel, Suíça, e sugeriu que seria interessante que um biólogo molecular investisse na pesquisa sobre sistema imunológico. Susumu tinha poucos conhecimentos sobre Imunologia, mas decidiu aceitar o aviso de Dulbecco: mandou uma carta de aplicação ao diretor do instituto, Professor Niels Kaj Jerne, que acabou oferecendo a Tonegawa um contrato de dois anos.
ALGUNS CONCEITOS DE IMUNOLOGIA:
A Molécula de Anticorpo e a Diversidade Imunológica
O anticorpo, ou imunoglobulina, é uma glicoproteína composta por quatro cadeias polipeptídicas: duas cadeias leves (L) idênticas e duas cadeias pesadas (H) também idênticas. Extensivas análises de cadeias polipeptídicas das moléculas de imunoglobulina revelaram que elas são compostas por uma região aminoterminal altamente variável (região variável) e uma região carboxiterminal (região constante) com poucos tipos distintos. A região variável, ou região-V, é responsável pelo reconhecimento antigênico. Estas subregiões são usualmente chamadas de regiões determinadas por complementaridade (CDR – complementarity-determining regions). A região constante, ou região-C, é responsável por uma variedade de funções efetoras, como fixação do complemento e ligação a outros receptores celulares do sistema imune. Portanto, a molécula de anticorpo é bifuncional, podendo ligar-se a um antígeno e exercer uma atividade biológica (efetora).
Uma característica importante da molécula de anticorpo é o fato de que no genoma de cada indivíduo existem múltiplos segmentos gênicos, com seqüências relativamente distintas, que codificam uma parte do receptor, ou seja, existem bibliotecas de fragmentos gênicos. Estes segmentos gênicos devem ser colocados juntos para formar uma molécula completa de imunoglobulina ativa nos linfócitos B. Além disso, mutações somáticas com taxas elevadas (hipermutação) podem ser introduzidas em um gene de imunoglobulina. Tanto a recombinação genética quanto a mutação somática contribuem para o crescimento da diversidade da informação genética codificada no genoma.
De forma simplificada, os rearranjos de DNA que reúnem o material genético que codifica as regiões V e C de uma molécula de imunoglobulina unem segmentos separados do DNA da região-V, um dos quais é adjacente ao DNA que codifica a região-C. Na cadeia leve, estes segmentos recebem a denominação de V (variável) e J (junção). A junção de um segmento V com um segmento J cria um segmento contínuo de DNA que codifica toda a região-V da cadeia leve. A região-V da cadeia pesada é codificada por 3 segmentos gênicos.  Além dos segmentos gênicos V e J, um terceiro segmento denominado D (diversidade) é encontrado entre os segmentos V e J da cadeia pesada.  A presença dos mecanismos de recombinação genética e mutação somática como formas de geração da diversidade populacional dos anticorpos é intrigante. Por que dois sistemas distintos teriam evoluído para exercer a mesma função? Os dois mecanismos estão sob um controle estrito durante o desenvolvimento das células B. A recombinação dos segmentos gênicos das imunoglobulinas ocorre primeiro, e está completa no momento em que as células são expostas pela primeira vez ao estímulo antigênico. Isto gera uma população celular com ampla variedade em sua especificidade, permitindo que algumas
delas sejam compatíveis com um dado estímulo antigênico. O mecanismo de mutação somática é, então, chamado para operar durante a proliferação (ou clonagem) das células selecionadas, onde um clone é uma célula ou conjunto de células descendentes de uma mesma célula mãe. 
Através da troca das bases nucleotídicas, a hipermutação somática permite refinar a resposta imunológica ao antígeno reconhecido, criando genes de moléculas de imunoglobulina cujos produtos são capazes de reconhecer com maior afinidade aquele antígeno. A atuação conjunta destes mecanismos de geração e diversificação dos anticorpos faz com que o sistema imunológico seja capaz de produzir uma quantidade quase infinita de receptores celulares distintos partindo de um genoma finito.
O Receptor de Célula T (TCR) e a Diversidade Imunológica
Existem quatro cadeias polipeptídicas que podem formar dois tipos de TCR, cada qual contendo duas destas quatro cadeias. Duas cadeias polipeptídicas estão ligadas por uma ponte dissulfídrica, numa estrutura semelhante a um fragmento Fab de imunoglobulina. A diversidade da região-V de um TCR é gerada de forma similar à diversidade das moléculas de  munoglobulina, porém com algumas características distintas.
As quatro cadeias polipeptídicas de um TCR estão codificadas por quatro bibliotecas distintas de genes (?,?,??e ?) que se assemelham aos segmentos gênicos que codificam as cadeias leve e pesada de uma molécula de imunoglobulina. Todas as quatro bibliotecas contêm segmentos gênicos V, J e C, e as bibliotecas ??e ??também contêm segmentos D. Outra diferença das bibliotecas gênicas das moléculas de imunoglobulina é que cada biblioteca gênica do TCR apresenta dois genes de região-C. Nas bibliotecas ?/??estes dois genes da região-C são funcionalmente e estruturalmente diferentes, de forma que um codifica a região constante ??(C?) e outro codifica a região constante ??(C?). Todas as células TH e TK rearranjam e expressam genes ??e ?, enquanto uma pequena subpopulação utiliza genes ??e ??.
Além de apresentarem formas distintas de reconhecimento antigênico, a molécula de imunoglobulina possui dois sítios idênticos de ligação ao antígeno e pode ser secretada, enquanto o TCR possui um único sítio e é sempre uma molécula de superfície celular. A ativação das células T necessita mais do que a ligação do TCR ao complexo MHC/peptídeo. São necessários sinais co-estimulatórios. A ausência ou presença dos sinais co-estimulatórios também é importante para determinar se a interação do TCR com o complexo MHC/peptídeo irá levar à ativação ou à indução de tolerância. 
A PESQUISA RUMO AO PRÊMIO NOBEL
No inverno de 1971, Tonegawa então encontrou-se cercado por imunologistas na pequena cidade de Basel, localizada na Suíça. Seu primeiro ano no instituto não foi fácil. Ele tinha muito interesse em continuar trabalhando em cima do SV40, projeto no qual havia trabalhado por um tempo, mas percebeu que não seria muita vantagem isolar-se para perseguir esse objetivo, levando em conta que o propósito desse laboratório era outro. Então decidiu estudar Imunologia na esperança de encontrar um projeto interessante
Um imunologista, Dr. Ita Askonas, e um geneticista, Charles Steinberg, ajudaram muito na entrada de Tonegawa nessa nova área. No final de 1971, Susumu foi introduzido ao grande debate da origem genética da diversidade dos anticorpos. Desde o princípio, Susumu sentiu que poderia contribuir com a resolução dessa questão aplicando os recém descobertos conhecimentos de biologia molecular: enzimas de restrição e DNA recombinante. Inicialmente Tonegawa trabalhou apenas com seus habilidosos ajudantes, Mônica Shöld e Rita Schüller, mas logo juntaram-se os Drs. Nobumichi Hozumi, Minoru Hirama e Christine Brack. Enquanto a pesquisa se expandia, Susumu passou a receber a ajuda de muitos parceiros de pós-doutorado e assistentes bastante devotados à pesquisa. Além desses, Charles Steinberg foi um colaborador e consultor muito importante, particularmente na fase inicial da pesquisa.
A pesquisa progrediu com uma incrível velocidade de 1974 até 1981, ano em que Susumu deixou Basel. Todos os pesquisadores trabalhavam bastante, mas também se divertiam. O trabalho solucionou o grande debate da origem genética da variedade de anticorpos. Descobriu-se que essa diversidade é gerada por uma recombinação somática dos segmentos  genéticos herdados e por mutação somática. Para a sorte dos pesquisadores, o diretor do instituto, Niels Jerne, logo entendeu a importância do trabalho de Tonegawa e se tornou um grande colaborador da pesquisa já na fase inicial.
No começo da década de 80, Tonegawa já começara a sentir que o grande mistério da diversidade dos anticorpos havia sido solucionado, pelo menos em seus esboços. Mas seu tempo de permanência na Suíça já havia se estendido demais, felizmente Susumu recebeu algumas ofertas vindas dos Estados Unidos e, em 1981, decidiu assumir o cargo de professor no Centro para Pesquisa de Câncer no MIT. Lá, Professor Salvador E. Luria, diretor do centro, foi extremamente útil, não só levando-o ao MIT, mas também lhe fornecendo um belo laboratório.
Tonegawa relata que em suas pesquisas havia dois grandes problemas. Um deles era investigar o papel do rearranjo somático na ativação do gene rearranjado do anticorpo, o segundo problema era estender a pesquisa, realizada em Basel, para os receptores de antígeno das células T. Felizmente, esses dois problemas foram resolvidos quando foi descoberto um realçador transcritivo específico para determinados tecidos da cadeia genética da imunoglobulina, e quando foram identificadas, clonadas, e geneticamente seqüenciadas as subunidades polipeptídicas dos receptores de células T. Um outro feito interessante, foi a identificação de um gene que levou a descoberta de outro receptor de célula T, o gama delta. Enquanto a função dessas células é desconhecida, os conhecimentos acumulados durante esses anos de pesquisa sugerem que devem estar envolvidas num aspecto totalmente novo da Imunologia.
O interesse científico de Tonegawa mudou para a neurobiologia no início da década de 90, quando começou a explorar os efeitos de genes ausentes ou alterados no aprendizado e memória dos camundongos de seu laboratório no MIT. Em seus estudos recentes sobre anticorpos, Tonegawa utilizara camundongos geneticamente modificados que não possuiam o gene para uma determinada proteína. Ele então foi o pioneiro na invenção de um método que desativa um gene numa área bastante restrita do cérebro e apenas nos animais adultos. Conhecimento esse que tem se provado essencial ao estudo do aprendizado e da memória.
PRÊMIOS E HOMENAGENS:
            Tonegawa recebeu muitas homenagens profissionais, as quais incluem: The Cloetta Prize of Foundation Professor Dr. Max Cloetta, Suíça (1978), Warren Triennial Prize of the Massachusetts General Hospital, EUA (1980), Genetics Grand Prize of Genetics Promotion Foundation, Japão (1981), Avery Landsteiner Prize of the Gesselshat für Immunologie, Alemanha Ocidental (1981), Asahi Prize of Asahi-Shimbun (Asahi Press), Tóquio, Japão (1982), Louisa Gross Horwitz Prize of Columbia University, Nova Iórque, EUA (1982), The V.D. Mattia Award of the Roch Institute of Molecular Biology, Nutley, EUA (1983), Gairdner Foundation International Awards of the Gairdner Foundation, Toronto, Canadá (1983), Person of Cultural Merit "Bunkakorosha" of the Japanese Government (1983), Order of Culture "Bunkakunsho" from the Emperor of Japan (1984), Bristol-Myers Award for Distinguished Achievement in Cancer Research (1986), Robert Koch Prize of the Robert Koch Foundation, Alemanha Ocidental (1986). Albert and Mary Lasker Award, New York City (1987) e Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina, Stocolmo, Suécia (1987).

CONCLUSÃO

É indiscutível a contribuição de Susumu Tonegawa ao meio científico. Suas pesquisas deram um novo rumo à Imunologia e à Medicina como um todo. É interessante notar que mesmo Tonegawa tendo nascido numa cidade distante dos grandes centros de pesquisa do Japão, com a sua perseverança e incentivo dos pais e colaboradores, tornou-se um dos maiores ícones do campo imunológico, demonstrando que a diversidade de anticorpos era causada pela combinação de fragmentos de genes, os quais combinam-se para a criação de imunoglobulinas específicas.

REFERÊNCIAS

HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE. Scientists & Research. Nobel Laureates. Disponível em  Acesso em 21 jun. 2006.
NOBEL PRIZE. Nobel Prize in Physiology or Medicine. Disponível emAcesso em 21 jun. 2006.
CASTRO, Leandro Nunes. Engenharia Imunológica: desenvolvimento e Aplicação de Ferramentas Computacionais Inspiradas em Sistemas Imunológicos Artificiais. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica). Disponível em Acesso em 21 jun 2006.
Orientadores:
Evania Araújo
Jorge Salton