Медицина

Метка для кислорода, кислород для метки

За что присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине

Oximetro/NIH/Flickr/The Nobel Prize Foundation

Может ли отдельная клетка пожаловаться в «высшие инстанции» на нехватку кислорода, как организм адаптируется к жизни в горах и почему эти процессы связаны с поиском лекарств от рака, регенерацией и иммунитетом — Indicator.Ru объясняет, за что дали первую Нобелевку 2019 года.

Сегодня Нобелевскую премию по физиологии или медицине получили сразу трое исследователей: Уильям Кейлин, сэр Питер Рэтклифф и Грегг Семендза. Они изучили молекулярный переключатель, который помогает клеткам изменить обмен веществ и приспособиться к изменению уровня кислорода в окружающей среде и организме — поднялись ли вы высоко в горы, где воздух разрежен, заперты ли в душном помещении или гуляете под пологом зеленого леса.

Нужен как воздух

С самого открытия кислорода Карлом Шееле, Джозефом Пристли и Антуаном Лавуазье в 1770-х годах этот газ завораживал ученых. Поначалу он казался «воздухом без флогистона» — гипотетической субстанции, которая высвобождается при горении. Но новые доказательства быстро вытеснили эту гипотезу и стало ясно, что этот газ не просто поддерживает горение, но и необходим для выживания животных (как выяснилось позднее, не только их). Сегодня (в том числе благодаря нобелиату 1931 года Отто Варбургу) мы знаем, что обмен веществ, или метаболизм, животной клетки полностью опирается на выработку молекулы АТФ, в фосфатных связях которой запасается большое количество энергии. Чтобы произвести эту молекулу, таким образом превратив пищу и воздух в энергию, нашим клеткам необходим кислород. Если первый этап энергетического обмена, гликолиз, в этом газе не нуждается, то второй, само дыхание, не зря с точки зрения биохимии называется кислородное окисление: без кислорода он не происходит.

В многоклеточном организме все обстоит немного сложнее: понятно, что в органах дыхания или на поверхностях тела клеткам легко получить кислород. Но вот в глубоких тканях все обстоит иначе: тут и дождаться нужного газа трудно и ненужный (углекислый) газ, который постоянно образуется в процессе описанных выше реакций, приходится удалять. Для решения этой проблемы эволюция породила транспортные системы — у насекомых это специальные ветвящиеся трубочки (их гемолимфа газы не переносит), у нас — кровеносные сосуды, по котором спешат красные кровяные клетки, эритроциты. У многих животных (в том числе и у нас) эти клетки в процессе созревания лишаются ядра, чтобы освободить побольше пространства для молекул гема — комплексного соединения с двухвалентным железом, которое захватывает кислород очень эффективно.

Во всем организме почувствовать нехватку кислорода помогают каротидные тельца. Они реагируют на понижение парциального давления в крови и через нервные окончания языкоглоточного нерва посылают импульс в центральную нервную систему (головной и спинной мозг), сигнализируя, что надо принять меры — в данном случае, участить дыхание. За исследование этого механизма тоже вручили Нобелевскую премию — ее получил Корней Хейманс в 1938 году.

Поэзия эритропоэза

Управлять дыханием можно не только через нервную систему, но и на клеточном уровне. Когда люди поднимаются высоко в горы, из-за разреженного воздуха кислорода к клеткам поступает недостаточно. Вкупе с непривычным давлением это порождает неприятные для здоровья эффекты, и путешественник с завистью и недоумением смотрит на местных жителей, которые не чувствуют никаких проблем. Но скоро нехватку кислорода ощущают специализированные клетки в почках, которые начинают вырабатывать гормон эритропоэтин. Этот гормон стимулирует эритропоэз — буквально создание новых красных кровяных клеток, благодаря которому через неделю-другую эритроцитов в крови приезжего становится больше, и он уже не так страдает.

Но представьте, что вы — клетка в глубине огромного организма. Как вы можете просигналить всей сложной скоординированной системе — эритроцитам и сосудам, нервной системе, клеткам в легких и мышцам диафрагмы, всем уровням управления и администрирования этими процессами, — что кислорода мало лично для вас? К кому обратиться с жалобой? Способность чувствовать локальную нехватку кислорода есть и у одиночных клеток в самых разных тканях. Сложные цепочки реакций в клетках (сигнальные пути), завязанные на кислороде, влияют как минимум на 300 генов из разных сетей взаимодействия. Они вовлечены в уйму физиологических процессов — от эмбрионального развития органов до иммунитета и регенерации. Распутать этот клубок взаимодействий было непросто. За проделанную работу и была вручена Нобелевская премия этого года.

Все началось с того, что эритропоэтин начал изучать профессор педиатрии, онкологии, биохимии и медицины Университета Джонса Хопкинса Грегг Семендза. В 1989 году с коллегами он впервые нашел регион внутри гена, воздействие на который заставляло клетки производить гормон в больших количествах. Этот же механизм, как выяснил ученый в 1991 году, запускался в клетках почек и печени в ответ на анемию, что подтверждали и опыты на трансгенных мышах. Вскоре той же темой занялся и практикующий медик госпиталя им. Джона Рэдклиффа в Оксфорде Питер Рэтклифф, который хотел понять, как кислород может включать эту реакцию.

Семендза открыл комплекс белков — транскрипционный фактор, который связывался с тем самым участком ДНК, когда клетке не хватало кислорода, и заставлял производить больше эритропоэтина. Этот комплекс получил название hypoxia-inducible factor, или HIF (что переводится как «фактор, индуцируемый гипоксией», то есть вызванный недостатком кислорода). В 1995 году, когда комплекс удалось очистить, оказалось, что в его состав кроме белка HIF-1a входит aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator, или ARNT (ядерный — речь о ядре клетки, где хранится ДНК — переносчик рецептора ароматических углеводородов).

Как кислород ловили с поличным

Сам HIF-1a всегда производится в клетках в изобилии, но обычно он разрушается при помощи протеолиза, за исследование которого Аарон Цихановер, Аврам Хершко и Ирвин Роуз тоже получили Нобелевскую премию, в 2004 году. Когда кислорода много, к HIF-1a присоединяют «черную метку» — убиквитин (хотя его название и происходит от ubiquitious — вездесущий, а не от убийств), который указывает специальным органоидам, протеасомам, что молекулу нужно уничтожать. Но какую роль играет в этом кислород, на что он воздействует? На этот вопрос Рэтклиффу и Семендзе ответить не удавалось.

Помощь здесь пришла откуда не ждали. Профессор Гарварда онколог Уильям Кейлин-младший изучал наследственную болезнь Гиппеля — Линдау (по английски VHL disease), которая резко повышает риск определенных типов рака в семье из-за мутаций гена VHL. Кейлин показал, что этот ген кодирует белок, предотвращающий запуск этих типов рака, и что в клетках со сломанным геном VHL в огромном количестве производятся белки с генов, активных при нехватке кислорода. Когда «правильный» ген VHL добавляли в раковые клетки искусственно, уровни белков гипоксии приходили в норму. Другие ученые вскоре подтвердили, что VHL помогает метить белки убиквитином, а значит, если он не работает, никто не командует отправлять лишние или неправильно собранные белки «на свалку», так что уровень HIF-1a может расти практически бесконечно.

Схема взаимодействий HIF, VHL и гена эритропоэтина при гипоксии, которая помогает клеткам реагировать на изменение уровня кислорода

The Nobel Prize

Это был ключ к ответу, но роль кислорода в процессе оставалась туманной. Кейлин и Рэтклифф сфокусировали свои поиски на области белка HIF-1a, важной для его разрушения, после того, как его пометил VHL. В 2001 году они одновременно опубликовали две работы о том, что при нормальных концентрациях кислорода к двум участкам HIF-1a добавлены гидроксильные группы, что и позволяет VHL распознать этот белок и уничтожить при помощи особых чувствительных к уровню кислорода ферментов, пролил-гидроксилаз, как они выяснили чуть позже. Так включение гена эритропоэтина при помощи транскрипционного фактора HIF-1a регулируется зависимыми от кислорода процессами.

«Дедлайны ждать не будут»: что же дальше?

Несмотря на важность открытия, решение Нобелевского комитета стало неожиданным для научного сообщества и самих лауреатов. Ставшего пять лет назад сэром Питера Рэтклиффа новость застала врасплох — в наши дни врачам премию дают исключительно редко. Поэтому, хотя три года назад он вместе с Семендзой и Кейлином за свои исследования получил престижную медицинскую премию Ласкера, Нобелевку они не ожидали, и во время заветного звонка из Стокгольма Рэтклифф как ни в чем не бывало заполнял очередную заявку на грант (в этот раз — EU Synergy Grant). А после ошеломляющей новости сразу продолжил, сказав: «Дедлайны никого ждать не будут!»

Рэтклифф за компьютером

Catherine King/The Nobel Prize/Twitter

«Когда я услышал анонс, я обрадовался, но не удивился. Механизм кислородной чувствительности, открытый лауреатами, поистине глобален, то есть почти все животные, кроме, может быть, губок, используют этот механизм во всех тканях. Практически нет биохимических или физиологических процессов, которые не регулировались бы, прямо или косвенно, белками HIF. Это неудивительно, поскольку кислород и его доступность является ключевым фактором, регулирующим жизнедеятельность аэробных организмов», — оценил работу коллег занимающийся смежной темой доктор биологических наук, профессор Университета Геттингена, профессор РАН, заведующий лабораториями в Институте биоорганической химии РАН и РНИМУ им. Пирогова Всеволод Белоусов.

По его словам, функционирование комплекса HIF-белков связано с длинным списком патологий, в том числе рака и воспалений. «Раковые опухоли часто гипоксичны внутри, и, запуская фактор HIF, они инициируют проращивание кровеносных сосудов в опухоль. Соответственно, для таких опухолей ингибирование HIF является перспективной терапевтической стратегией. Что касается воспалений, то в ряде случаев гиперактивация HIF вызывает патологические повреждения тканей, то есть механизм защиты обращается против самого организма», — пояснил ученый.

Сейчас изучение белков HIF продвигается вперед очень стремительно. Как она сможет изменить нашу жизнь? В первую очередь, HIF может стать мишенью для новых лекарств, и, поскольку с момента открытия до вручения Нобелевской премии обычно проходит немалый срок, сейчас их уже пытаются разработать. «Управление активностью этого пути — ключ к лечению многих заболеваний, прежде всего раковых. При этом механизм регуляции активности HIF не до конца изучен. Дело в том, что эти белки регулируются не только кислородом, и как именно это происходит, является предметом горячих дискуссий в научном сообществе. Кроме того, хороших ингибиторов HIF пока не существует, а они очень нужны, и их поиск продолжается», — резюмировал Белоусов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.