Медицина

Восхождение на Пайкс-Пик, Rolling Stones и потерянная статья: о чем в своей Нобелевской лекции рассказал Питер Рэтклифф

Как получали Нобелевскую премию по физиологии или медицине за 2019 год

Британский учeный-медик и молекулярный биолог Питер Рэтклифф

Nobel Prize Committee

Как узнать «место производства» эритропоэтина, почему будущим нобелиатам отказали в публикации в Nature и что «выключает» гипоксию — в рассказе Indicator.Ru о лекции лауреата Нобелевской премии 2019 года сэра Питера Рэтклиффа.

Без адаптации клеток организма к различным уровням кислорода наше существование было бы невозможным. Причем это процесс настолько базовый, что с молекулярной точки зрения он идентичен для всех типов тканей. За открытие его звеньев в 2019 году удостоились Нобелевской премии по физиологии или медицине Грегг Семенза из Университета Джонса Хопкинса, сэр Питер Рэтклифф из Оксфорда и Института Френсиса Крика, а также Уильям Кэлин-младший из Гарварда и Института исследований рака Дана — Фарбер. Наши корреспонденты побывали на Нобелевской неделе в Швеции, прослушали лекции всех трех обладателей «медицинского Нобеля» и делятся со своими читателями их краткими резюме.

Сэр Питер Рэтклифф, который открыл связь между белком — продуктом гена-супрессора опухолевого роста (VHL) и гипоксия-индуцированным фактором (HIF-1α), начал свое выступление с рассказа об экспедиции группы исследователей из Оксфорда и Йеля на Пайкс-Пик — гору высотой в четыре тысячи метров из цепи Скалистых гор, расположенную в штате Колорадо, США. В ходе экспедиции, состоявшейся более сотни лет назад, в 1911 году, ученые хотели исследовать то, как вследствие гипоксии происходит адаптация человека к высотам. Одной из ученых была Мейбл Фицджеральд, единственная женщина, вошедшая в состав участников поездки.

Ей предстояло собирать данные одной, без сопровождения мужчин, в шахтерских городах, расположенных на средних высотах. И справилась она со своей задачей отлично. Она показала, насколько сильно колебались уровни гемоглобина и углекислого газа в крови в зависимости от высотности, и доказала, что они различались у людей, живущих в низинах и на высоте, так же как и различались у мужчин и женщин. Это была не первая демонстрация того, как мы способны приспосабливаться под условия различной высотности, но очень яркая демонстрация чувствительности изменений показателей крови в ответ на увеличивающуюся гипоксию.

Чуть позже стало известно, что за увеличение количества гемглобина и, соответственно, эритроцитов (красных кровяных тел) в крови в ситуациях, когда кислорода становится меньше, отвечает гормон эритропоэтин (ЭПО), который вырабатывается в почках. Но оставался неясным промежуточный этап между ним и уровнем кислорода. Скорее всего, это был какой-то очень специфический сенсор, который реагировал на малейшие изменения концентрации кислорода и запускал активный синтез гормона, призванного увеличить количество переносчиков кислорода в крови. Выяснением этого механизма и занялась лаборатория Питера Рэтклиффа (параллельно с Грегом Семензой — Indicator.Ru).

Рэтклифф как раз был специалистом по почкам, которыми он занимался с молодости. По его словам, перед учеными встала проблема — выделить из органа клетки, которые вырабатывают эритропоэтин. Но как понять, какие клетки выделять? Для этого Рэтклифф воспользовался стратегией маркерных генов и выяснил, что производят ЭПО интерстициальные фибробласты (клетки соединительной ткани). Он отметил, что в этом успехе есть большая заслуга Франклина Бонда, который изучал в конце 1980-х годов регуляцию экспрессии эритропоэтина в двух линиях опухолей печени человека.

Исследователи пошли дальше и выделили ген, отвечающий за регуляцию эритропоэтина, а также впервые составили карту его «контрольных» последовательностей, которая стала отправной точкой для более глубокого погружения в регуляцию работы гена. Это позволило обнаружить энхансер гена ЭПО — тот участок ДНК, с которым должен связаться фактор транскрипции, чтобы стартовал процесс считывания информации с гена и производства РНК, на основе которой затем будет синтезирован белок.

По словам лектора, ученые пришли к тому, что в конечном итоге при правильных условиях любая клетка организма имеет подобное свойство. Причем они поняли, что на любое, даже самое незначительное изменение в содержании кислорода идет незамедлительный ответ. Рэтклифф говорит, что это открытие показалось ученым настолько удивительным и важным, что было решено отправить научную статью, в которой описывались результаты этой работы, в один из самых известных научных журналов — Nature.

Исследователь даже не сомневался, что редактор оценит по достоинству полученные данные, так же, как и он сам. Он считал, что статья должна быть непременно опубликована в кратчайшие сроки, может быть, через два дня, или неделю, ну или в крайнем случае после Пасхи. Но через четыре месяца он получил письмо редактора, в котором говорилось, что «у нас были огромные трудности с получением отчетов от рецензентов», поскольку статья оказалась слишком широкой.

«Это значило — попробуйте сузить область исследования и ваша жизнь станет намного легче. И в публикации отказали», — заметил Рэтклифф под многочисленные смешки из зала.

Позже на одной из конференций Питер Рэтклифф встретил Грегга Семензу, который провел потрясающую работу, продемонстрировав структуру HIF и две его субъединицы, одна из которых не реагирует на уровень кислорода, а другая как раз к нему очень чувствительна и запускает транскрипцию гена эритропоэтина и других генов гипоксии. Эти данные еще не были опубликованы, и он как раз показал их на конференции, так же, как и Рэтклифф презентовал свои неопубликованные данные. Вернувшись оттуда, исследователи договорились опубликовать совместную статью, посвященную регулируемым кислородом «контрольным» участкам ДНК (на модели гипоксии у мушки дрозофилы). Тем не менее и в этот раз статья сначала была потеряна, потом отклонена редактором журнала Biology chemistry и только потом принята в печать.

Очень скоро это научное поле буквально взорвалось, и открылись совершенно новые горизонты биологии гипоксии. Но Питер Рэтклифф и Грегг Семенза хотели пойти против течения и найти те гены, которые определяют, когда HIF нужно перестать действовать. В этом сильно помогло открытие гена-супрессора опухолевого роста (VHL), который удалось обнаружить благодаря изучению болезни фон Гиппеля — Линдау (Von Hippel–Lindau disease, VHL). Этой частью, кстати, занимался третий нобелевский лаурет — Уильям Кэлин-младший. Питер Рэтклифф со своими коллегами выяснил, что VHL может связываться с HIF-1α и в этом случае происходит распад субъединиц белкового комплекса и их дальнейшая деградация в клеточной «фабрике» по переработке ненужных белков — протеасоме.

«Это был тот самый момент эврики в моей лаборатории», — отметил ученый.

Выяснилось, что фактически VHL играет роль своеобразного маркера деградации белкового комплекса HIF. Исследователи установили все подробности этого соединения на молекулярном уровне и только потом смогли ответить на вопрос — что заставляет VHL присоединяться к HIF-1α и разрушаться только при нормальном уровне кислорода в клетке? Для этого должно произойти несколько биохимических реакций, во время которых к VHL присоединяются две гидроксильных группы, образующихся из кислорода.

Рэтклиффу было интересно, насколько биохимически различаются все эти процессы у животных и растений, поскольку во всех эукариотических царствах происходит окисление белка и протеолиз, которые сигнализируют об уровне кислорода. После открытия регуляции реоксигенации и публикации ряда знаковых статей по этому поводу его научная группа занялась растениями. Впрочем, кардинально ничего нового они не увидели, обнаружив практически те же самые механизмы сохранения и поддержания уровня кислорода.

«You can't always get what you want but if you try sometime you find you get what you need («Ты не можешь всегда получать то, что хочешь, но если ты однажды постараешься, то можешь обнаружить, что ты получаешь все, что тебе нужно» — Indicator.Ru)», — процитировал Рэтклифф в конце своей лекции Rolling Stones, после чего зал разразился длительными аплодисментами.

Материалы к лекции: https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/ratcliffe-lecture-slides.pdf

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.