В Стокгольме озвучены имена учёных, удостоившихся Нобелевской премии по физиологии и медицине 2019 года.
Ими стали Уильям Кэлин-младший (William Kaelin Jr.), Питер Рэтклифф (Peter Ratcliffe) и Грэг Семенца (Gregg Semenca) за открытие того, как клетки чувствуют и адаптируются к количеству поступающего кислорода.
Кислород необходим клеткам, чтобы получать энергию из питательных веществ, поступающих с пищей. Когда уровень кислорода меняется, у живых существ меняется частота сердцебиения и дыхания, на нехватку кислорода или его переизбыток откликаются кроветворные органы, иммунная система и так далее. Подобные механизмы адаптации существуют не только у организма в целом, но и в каждой конкретной клетке.
И если значение кислорода для жизни в целом изучалось веками, то только работы нынешних лауреатов показали, как именно клетки организмов приспосабливаются к изменению содержания этого важного вещества.
Онколог Кэлин-младший, молекулярный биолог сэр Рэтклифф и генетик Семенца выявили биохимический механизм, посредством которого количество кислорода в клетке влияет на активность её генов. Как сообщили учёные на пресс-конференции в Стокгольме, работы лауреатов могут проложить путь к лечению анемии, рака и многих других заболеваний.
Белки управляют генами
Грегг Семенца и Питер Рэтклифф изучали ген EPO, ответственный за выработку гормона эритропоэтина. Это вещество вырабатывается почками в ответ на нехватку кислорода и стимулирует производство эритроцитов, переносящих кислород к клеткам. С начала XX века было загадкой, как недостаток кислорода запускает процесс синтез нужного гормона.
Будущие лауреаты выделили гены, которые включаются в ответ на нехватку живительного газа и влияют на работу EPO. Они обнаружили, что открытый ими механизм восприятия уровня кислорода есть практически во всех клетках, а не только в продуцирующих эритропоэтин.
Семенца выделил белковый комплекс, который в условиях кислородного голодания (гипоксии) связывался с нужными участками ДНК. Он был назван фактором, индуцируемым гипоксией (Hif).
После нескольких лет исследований Семенца выяснил состав молекулы Hif и выявил кодирующие его гены. Оказалось, что комплекс Hif состоит из двух белков: HIF-1α и ARNT. Однако почему снижение уровня кислорода приводит к возникновению этого комплекса, действующего на ДНК? Это всё ещё оставалось тайной.
Кто подставил белок HIF-1α
Несколько научных групп позднее показали, что при нормальном уровне кислорода к белку HIF-1α, входящему в состав Hif, присоединяется короткий пептид убиквитин. Это вещество – своеобразная чёрная метка. Оно сигнализирует протеасоме (своего рода мусорщику наших клеток), что без молекулы этого белка мир станет лучше.
Таким образом, дело в том, что в обычных условиях убиквитин присоединяется к молекулам HIF-1α (из-за чего их тут же распознаёт и разрушает протеасома), а при гипоксии – не присоединяется. Но почему поведение убиквитина зависит от уровня кислорода? Это следующий вопрос, на который предстояло ответить учёным.
Ответ из раковой опухоли
Ответ пришёл с самой неожиданной стороны. Примерно в то же время онколог-исследователь Кэлин-младший изучал мутацию в гене VHL, приводящую к болезни Гиппеля–Линдау. На тот момент уже было известно, что этот наследственный недуг, помимо всех прочих неприятностей, значительно повышает у пациента вероятность развития некоторых видов рака.
Учёный показал, что белок, кодируемый геном VHL, предохраняет клетку от онкологического перерождения.
Попутно будущий нобелевский лауреат выяснил любопытный факт. Отсутствие в ДНК раковых клеток нормально работающего гена VHL приводило к тому, что гены, на которые действовала гипоксия, усиленно работают (экспрессируются). При этом введение в клетку нормальной копии гена возвращало уровень их экспрессии в норму. Таким образом, стало понятно, что VHL участвует в механизме клеточной реакции на уровень кислорода.
Несколько исследовательских групп заинтересовались этим вопросом. Их работы впоследствии показали, что белок, кодируемый VHL, участвует в нанесении на молекулы других белков предательской убиквитиной метки, по которой беспощадная протеасома его узнаёт и уничтожает.
Группа Рэтклиффа показала, что именно взаимодействие с VHL приводит белок HIF-1α (о котором читатель, надеемся, ещё не забыл) к маркировке убиквитином при нормальном уровне кислорода. Но всё-таки, как в этом процессе задействован кислород?
Терпение и труд
Таким образом исследователи вытаскивали на свет одно звено цепочки за другим. Реакция на уровень кислорода вызывается генами, которые регулируются белковым комплексом Hif, состоящим из белков VHL и HIF-1α, который разрушается протеасомой из-за убиквитиновой метки, нанесённой при участии гена VHL, в доме, который построил Джек. Причём последний процесс идёт только при нормальном уровне кислорода. Но почему только при нормальном уровне?
Можно предложить такую аналогию. Некто, ничего не знающий об устройстве автомобиля, обнаружил, что колёса вращаются, только когда в баке есть бензин. Покопавшись в устройстве машины, он убедился, что колёса приводятся в движение полуосями. Замечательно, но причём тут бензин?
На следующих этапах "исследователь" шаг за шагом выяснял для себя устройство всей сложной системы трансмиссии и восхищался конструкцией коробки передач… Прекрасно, да только зачем машине бензин? К моменту открытия кривошипно-шатунного механизма впору уже было прийти в отчаяние. Бензин!.. Где в этой растущей как снежный ком цепочке… бензин?
Гипотетический инженер мог бы впасть в депрессию и прекратить исследования, не зная, что до истины оставался всего один шаг: бензин сгорает в цилиндрах и толкает поршни, которые и приводят в движение всю открытую им сложную машинерию.
Последние кусочки паззла
К счастью для человечества, реальные, не воображаемые учёные – на редкость упорный народ. Исследователи выявили определённый участок молекулы HIF-1α, который, как показали эксперименты, был важен для нанесения убиквитиной метки в присутствии кислорода. И вот в 2001 году были одновременно опубликованы две статьи с решающим открытием.
Было показано, что к двум конкретным точкам молекулы HIF-1α при нормальном, и только при нормальном, уровне кислорода присоединяются гидроксильные группы (ОН-). По этим группам белок VHL распознаёт молекулу HIF-1α и связывается с ней.
Дальнейшие звенья цепи нам уже известны. VHL навешивает на HIF-1α убиквитиновый маркер. По этой метке его распознаёт и уничтожает протеасома. Поэтому в клетке, нормально обеспеченной кислородом, уровень HIF-1α всегда низкий.
А вот в при гипоксии к молекуле HIF-1α ОН-группы не цепляются, белок VHL не находит её и не цепляет на неё убиквитин. Белок без убиквитина совершенно не интересует добропорядочную протеасому и не уничтожается.
Не разлагаясь, белок скапливается в ядре клетки и связывается с белком ARNT в белковый комплекс Hif. Hif воздействует на молекулу ДНК и запускает работу генов для реакции на гипоксию. И всё от того, что в кузнице не было гвоздя, вернее, в клетке – достаточного количества кислорода.
Схема этого процесса показана на иллюстрации.
1. Когда уровень кислорода низкий (гипоксия), белок HIF-1α защищён от разложения и накапливается в ядре клетки. Там он связывается с белком ARNT и навешивается на чувствительные к нему участки ДНК (HRE). Это активизирует гены, запускающие ответ на гипоксию. 2. При нормальном уровне кислорода белок HIF-1α быстро расщепляется протеасомой. 3. Воздействие кислорода заключается в добавлении гидроксильных групп (OH-) к молекуле HIF-1α. 4. По этим группам белок VHL распознаёт молекулу HIF-1α и связывается с ней, в итоге навешивая убиквитиной маркер, по которому его и распознаёт протеасома.
Такая цепочка может показаться фантастически сложной. Но она далеко не самая длинная из тех, с которыми приходится сталкиваться учёным (что, разумеется, не умаляет невероятной важности открытий нынешних лауреатов). Биохимические каскады зачастую куда более запутаны и неоптимальны, чем устройство упомянутого выше автомобиля. Изучая сложнейшие регуляторные сети, которые на первый, второй и даже двадцать второй взгляд можно и нужно было бы сделать гораздо проще, биохимики-профессионалы встречают заявления креационистов о продуманном совершенстве живой клетки с горькой усмешкой.
Зачем нам это знать?
Знать истину – это замечательно, но есть ли от подобных открытий практическая польза? Разумеется. Все клетки человека нуждаются в кислороде и в случае необходимости приспосабливаются к его нехватке. Механизмы такого контроля могут стать терапевтической мишенью для новых методик лечения таких заболеваний, как анемия, рак, инфаркт миокарда. Достаточное количество кислорода важно и для внутриутробного развития человека, о котором наука всё ещё знает меньше, чем хотелось бы родителям родившихся больными малышей.
Но сегодня многие исследовательские группы используют открытия Кэлина-младшего, Рэтклиффа и Семенца и на благо спортсменов.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о лауреатах Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2018 и 2017 годы.
