Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Уильяму Кэлину младшему (США), Питеру Рэтклиффу (Великобритания) и Греггу Семензе (США) за открытие механизмов, посредством которых клетки адаптируются к изменениям концентрации кислорода.
КЛЕТОЧНОЕ ЧУВСТВО КИСЛОРОДА
Нынешняя Нобелевская премия по физиологии и медицине кажется на редкость понятной: ее дали исследователям, которые описали, как клетки реагируют на недостаток кислорода. Нам ли не знать, что такое нехватка кислорода: достаточно пробежать на скорость сотню метров, чтобы почувствовать это каждой клеточкой тела. Но, как обычно в природе бывает, давно знакомое и всем привычное оказывается довольно СЛОЖНЫМ, стоит только присмотреться к нему повнимательнее.
Кислород нужен человеку и животным для того, чтобы получать энергию. Энергия необходима клеткам, чтобы синтезировать белки, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы, чтобы строить внутриклеточные органеллы, чтобы размножаться и жить. Энергию мы получаем из пищи — из углеводов, жиров, белков. Клетки расщепляют их до более простых соединений, и в конце концов питательные вещества оказываются в митохондриях — клеточных органеллах, где окисляются кислородом. Эти окислительные реакции называются клеточным дыханием. (Немецкий биохимик Отто Варбург, который изучал ферменты клеточного дыхания, получил за свои исследования Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1931 году.) Энергия, высвобождаемая при окислении, запасается в химических связях макроэргических молекул, в первую очередь в связях аденозинтрифосфата (АТФ). Макроэргические химические связи легко разорвать, направив высвободившуюся энергию на нужный процесс. То есть кислород нужен для того, чтобы обеспечить клетки энергией в доступной форме. Конечно, есть и другие биохимические процессы, которые не могли бы идти без кислорода, но энергетические реакции в митохондриях среди них самые главные — по крайней мере в клетках животных. И раз кислород настолько важен, должны быть механизмы, которые позволяли бы следить за его концентрацией и помогали бы организму как-то приспосабливаться, если кислорода вдруг начинает не хватать.
Дефицит кислорода обычно ассоциируется с экстремальными условиями, например, с подъёмом высоко в горы. Но на самом деле содержание кислорода меняется постоянно в разных тканях в зависимости от того, как работают их клетки. Если клетка усердно трудится, то и кислорода она будет потреблять много. Самый простой пример — тяжёлая физическая работа, ведь при мышечных усилиях тоже тратится энергия. При физических нагрузках требуется, с одной стороны, быстро отрегулировать метаболизм, чтобы не дать клетке умереть от недостатка энергии (то есть нужно «прикрутить» энергоёмкие процессы), а с другой стороны, по возможности усилить приток кислорода. И мы все хорошо знаем, каким способом тело усиливает приток кислорода к тканям: учащённым дыханием. За исследования этого механизма, кстати, тоже дали Нобелевскую премию: в 1938 году, бельгийскому физиологу Корнею Хеймансу. Он вместе с коллегами показал, как недостаток кислорода в крови действует на рецепторы в сонных артериях и как сигнал от рецепторов, названных каротидными тельцами, идет по нервам в мозг, а мозг уже стимулирует дыхание.
Но одним учащением дыхания не обойтись. Чтобы донести кислород из лёгких в ткани, требуются гемоглобин и эритроциты. О том, что уровень эритроцитов в крови зависит от некоего гормона, физиологи говорили ещё в начале ХХ века. Гормон получил название «эритропоэтин». Удалось выяснить, что он синтезируется специальными клетками почек (позднее установили, что это происходит также в печени и мозге) и стимулирует формирование эритроцитов в костном мозге. К середине 80-х годов ХХ века удалось экспериментально показать, что гипоксия стимулирует ген эритропоэтина в клетках почек.
Эритропоэтин, как и всякий белок, закодирован в ДНК. Как известно, генетическая информация сначала считывается с ДНК в молекулу РНК (это называется транскрипцией), а РНК уже служит матрицей для сборки белковых молекул (трансляция). Когда говорят, что ген становится более активным, то в первую очередь имеют в виду, что на нём активнее работают молекулярные машины, штампующие РНК-копии гена. Но как ген и работающие на нём молекулярные машины могут почувствовать недостаток кислорода? Этой проблемой занялся Грегг Семенза (Gregg L. Semenza) из Университета Джонса Хопкинса (США). Генетическую информацию с ДНК считывают транскрипционные ферменты. Им можно помогать работать, а можно мешать. Тем и другим занимаются белки под названием «факторы транскрипции». Рядом с геном всегда есть специальные регуляторные участки ДНК, которые служат посадочными площадками для факторов транскрипции: сев на ДНК, они либо привлекают к гену больше транскрипционных ферментов (ген становится всё активнее), либо, наоборот, не дают им работать с этим геном, и ген «засыпает». Семенза и его коллеги предположили, что регуляторные области рядом с геном эритропоэтина могут связывать некий белок, который как-то чувствует низкий уровень кислорода и, садясь рядом с геном, активирует его.
В конце 1980-х — начале 1990-х годов Семенза опубликовал несколько статей, в которых говорилось, во-первых, что в ДНК рядом с геном эритропоэтина действительно есть регуляторный участок HRE (hypoxia — response element, то есть элемент ДНК, реагирующий на гипоксию), без которого ген на гипоксию не отзывается, и, во-вторых, что с этим регуляторным участком взаимодействует белок, стимулирующий работу гена. И что самое главное, белка-стимулятора в клетках становится больше при гипоксии. Его назвали HIF-(hypoxia-inducible factor), то есть фактор (белок), индуцируемый гипоксией. Вскоре стало ясно, что HIF состоит из двух частей: белка HIF-1а и белка ARNT. Уровень кислорода чувствует белок НIF-1а, а второй белок — ARNT — необходим, чтобы посадить HIF-1а на ДНК и простимулировать нужный ген.
Поначалу все эти исследования проводили на клетках почек и печени, которые обязаны синтезировать эритропоэтин «на экспорт». Но примерно в то же время, в начале 1990-х годов, Питер Рэтклифф (Peter J. Ratcliffe) и его сотрудники в Оксфордском университете(Великобритания) показали, то точно такой же молекулярно-генетический механизм кислородного чувства работает и в клетках других органов — в мозге, селезёнке, семенниках. Исследователи брали тот регуляторный кусок ДНК от гена эритропоэтина, о котором шла речь выше, и методами генной инженерии соединяли его с каким-либо геном, после чего всю конструкцию вводили в любую другую клетку. Если эту клетку потом подвергали гипоксии, то внедренный в нее ген активировался, а этого не могло бы случиться, если бы в клетке не работал механизм ответа на гипоксию, связанный с белком HIF-1а. Получалось, что кислородное чувство — общее свойство у очень многих, если не у всех, животных клеток, и это обстоятельство только подстегнуло всеобщее внимание к теме. Теперь нужно было разобраться, как именно работает кислородный сенсор в виде HIF-1а. Сотрудники лаборатории Рэтклиффа и других научных групп показали, что уровень самого HIF-1а в клетке меняется в зависимости от уровня кислорода: когда кислорода мало, HIF-1а становится много. Количество белка может меняться по разным причинам; в случае с HIF-1а оказалось, что его уровень зависит в первую очередь от его деградации: если клетке достаточно кислорода (или, как говорят, клетка находится в условиях нормоксии), HIF-1а очень быстро разрушается. Расщепляет его весьма сложный белковый комплекс под названием «протеасома», который вообще занимается уборкой белкового мусора. Чтобы протеасома утилизировала поврежденный или ставший ненужным белок, на нём должна быть специальная метка в виде небольшого белка убиквитина. То есть в присутствии кислорода на HIF-1а появлялся убиквитин, после чего такой убиквитинилированный HIF-1а отправлялся на утилизацию. И тогда возник новый вопрос: как и почему при достаточном количестве кислорода на HIF-1a появляется убиквитин?
Механизм утилизации начал разгадывать Уильям Кэлин-младший (William Kaelin, Jr.) из Онкологического института Даны — Фарбера (США). Лаборатория Кэлина занималась болезнью Гиппеля — Линдау, которая часто заканчивается появлением разных злокачественных опухолей. Болезнь возникает из-за мутаций в гене VHL (от von Hippel-Lindau’s disease). Оказалось, что, если ген VHL не работает, в клетках начинают слишком сильно работать гипоксические гены, то есть те, которые нужны для адаптации к гипоксии, а среди них есть и те, которые зависят от белка HIF-1a.
Затем удалось выяснить, что белок VHL может связываться с белком Cul-2, а про него уже было известно, что он нужен для убиквитинилирования. Питер Рэтклифф и его коллеги, которые тоже взялись за механизм утилизации HIF-1а, наглядно показали, что VHL помогает навесить убиквитин на HIF-1а, направляя его на расщепление. Но где же тут кислород? В 2001 году Рэтклифф и Кэлин опубликовали независимо друг от друга статьи, в которых говорилось, что при достаточном количестве кислорода на белке HIF-1а происходит гидроксилирование пролина — на остатках аминокислоты пролина в белковой молекуле появляются гидроксильные группы OH. Именно в таком модифицированном виде HIF-1а «контачит» с VHL. Если же кислорода мало, то и никаких модификаций на HIF-1a нет, а значит, он остаётся невидим для VHL и убиквитинилирующего фермента. В этом случае расщепляющей протеасоме нет никакого дела до HIF-1a и никто не мешает этому белку активировать гипоксические гены. Расшифровка механизма клеточного кислородного чувства была закончена. А Семенза, Рэтклифф и Кэлин, которые сыграли ключевую роль в этой расшифровке, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2019 год. (Как видим, тема дыхания оказалась довольно урожайной на «нобелевки», если вспомнить про премии Варбурга и Хейманса.) Однако Нобелевские премии дают не за «закрывающие» исследования, а за те, которые открывают в науке новое поле для деятельности. Механизм кислородного чувства, как мы говорили, действует в самых разных клетках, и если все начиналось с гена эритропоэтина, то теперь мы знаем, что этот механизм управляет работой более чем 300 генов. От уровня кислорода зависят и работа мышц, и рост кровеносных сосудов, и многие иммунные реакции, и развитие эмбриона в утробе матери. Без кислородного чувства не обойтись, если мы хотим преодолеть последствия инфаркта или инсульта, и оно же играет большую роль при инфекциях и заживлении ран — так что здесь открывается широкое поле деятельности для медицинских исследовании и фармацевтических компаний. Например, сейчас уже идут клинические испытания потенциальных лекарств, которые подавляют активность ферментов, модифицирующих с помощью кислорода белок HIF-1а, и тем самым понижают его уровень в клетке. Такие лекарства могут стать эффективным средством против анемии. Известно, что иммунитету часто нужен повышенный уровень HIF-1а, с другой стороны, белка HIF-1а становится очень много в некоторых раковых клетках и при сердечно-сосудистых заболеваниях — то есть нужно разрабатывать средства, которые действовали бы на клеточный кислородный датчик диаметрально противоположным образом. Нет никаких сомнении в том, что дальнейшие исследования в этой области окажутся весьма плодотворными как в фундаментальном, так и в практическом смысле.