Нобелівська премія з фізіології і медицини присуджена за відкриття способу реакції клітин на рівень Оксигену
Нобелівська премія з фізіології і медицини 2019 року присуджена групі науковців за відкриття способу реакції клітин на рівень Оксигену, повідомив 7 жовтня Нобелівський комітет. Нагороду отримають американці Вільям Кейлін та Ґреґґ Семенза і британець Пітер Реткліфф.
«Ця нагорода – трьом науковцям, які винайшли молекулярний регулятор, який визначає, як наші клітини адаптуються, коли рівень Оксигену падає», – сказав професор Рандал Джонсон, член Нобелівської асамблеї.
Тваринам необхідний Оксиген для перетворення їжі в корисну енергію. Фундаментальне значення його розуміють століттями, але як клітини адаптуються до змін рівня кисню достеменно невідомо.
Вільям Г. Кейлін-молодший, сер Пітер Дж. Реткліфф та Ґреґґ Л. Семенза відкрили, як клітини можуть відчувати та адаптуватися до зміни доступності Оксигену. Вони визначили молекулярний механізм, який регулює активність генів у відповідь на різний рівень Оксигену.
Відкриття цьогорічних Нобелівських лауреатів розкрили механізм одного з найважливіших адаптаційних процесів у житті. Вони створили основу для нашого розуміння того, як рівень Оксигену впливає на клітинний обмін та фізіологічні функції. Їх відкриття також проклали шлях для перспективних нових стратегій боротьби з анемією, раком та багатьма іншими захворюваннями.
Оксиген, формула якого O2, становить близько п’ятої частини атмосфери Землі. Він важливий для життя тварин: його використовують мітохондрії, присутні практично у всіх клітинах тварин для перетворення їжі у корисну енергію. Отто Варбург, лауреат Нобелівської премії з фізики та медицини 1931 року, виявив, що це перетворення є ферментативним процесом.
Під час еволюції були створені механізми забезпечення достатнього надходження Оксигену до тканин та клітин. У каротидному тілі, що прилягає до великих кровоносних судин з обох боків шиї, є спеціалізовані клітини, які визначають рівень Оксигену в крові. Нобелівська премія з фізіології та медицини 1938 р. Корнею Гейману була присуджена за відкриття, які показують, як чутливість крові через каротидне тіло контролює нашу частоту дихання, спілкуючись безпосередньо з мозком.
Окрім швидкої адаптації каротидного тіла до низького рівня Оксигену (гіпоксія), існують і інші основні фізіологічні адаптації. Ключовою фізіологічною відповіддю на гіпоксію є підвищення рівня гормону еритропоетину (ЕРО), що призводить до збільшення вироблення еритроцитів (еритропоез). Важливість гормонального контролю еритропоезу була відомою вже на початку 20 століття, але як цей процес сам контролювався O2, залишалося загадкою.
Ґреґґ Семенца вивчав ген ЕРО та те, як він регулюється різними рівнями Оксигену. За допомогою мишей, модифікованих геном, було показано, що специфічні сегменти ДНК, розташовані поруч з геном EPO, опосередковують відповідь на гіпоксію. Сер Пітер Раткліфф також вивчав O2-залежну регуляцію гена EPO, і обидві дослідницькі групи виявили, що механізм чутливості Оксигену присутній практично у всіх тканинах, не тільки в клітинах нирок, де виробляється EPO. Це були важливі висновки, які показали, що механізм є загальним і функціональним у багатьох різних типах клітин.
Семенца хотів виявити клітинні компоненти, що опосередковують цю відповідь. У культивованих клітинах печінки він виявив білковий комплекс, який зв'язується з ідентифікованим сегментом ДНК в залежності від Оксигену. Він назвав цей комплекс фактором, спричиненим гіпоксією (HIF). Почалися великі зусилля з очищення комплексу HIF, і в 1995 р. Семенца зміг опублікувати деякі свої ключові висновки, включаючи ідентифікацію генів, які кодують HIF. Було встановлено, що HIF складається з двох різних ДНК-зв'язуючих білків, так званих факторів транскрипції, які тепер називаються HIF-1α та ARNT. Тепер дослідники могли почати розгадувати загадку, дозволяючи зрозуміти, які додаткові компоненти задіяні та як працює техніка.
Коли рівень Оксигену високий, клітини містять дуже мало HIF-1α. Однак, коли рівень Оксигену низький, кількість HIF-1α збільшується, щоб він міг зв’язуватися і таким чином регулювати ген EPO, а також інші гени з HIF-зв'язуючими сегментами ДНК (рис. 1).
Рисунок 1. Коли рівень Оксигену низький (гіпоксія), HIF-1α захищений від деградації і накопичується в ядрі, де він асоціюється з ARNT і зв'язується зі специфічними послідовностями ДНК (HRE) у генах, регульованих гіпоксією (1). При нормальному рівні Оксигену HIF-1α швидко руйнується протеасомою (2). Оксиген регулює процес деградації шляхом додавання гідроксильних груп (ОН) до HIF-1α (3). Потім VHL білок може розпізнавати і утворювати комплекс з HIF-1α, що призводить до його деградації в залежності від Оксигену (4).
Кілька дослідницьких груп показали, що HIF-1α, що зазвичай швидко руйнується, захищений від деградації при гіпоксії. При нормальному рівні Оксигену протеасома (її відкриття відзначене Нобелівською премією 2004 року з хімії Аарону Цехановеру, Авраму Гершко та Ірвіну Роуз) погіршує HIF-1α. За таких умов до білка HIF-1α додається невеликий пептид - убіквітин. Убіквітин функціонує як мітка для білків, призначених для деградації протеасоми. Як убіквітин зв’язується з HIF-1α залежно від Оксигену, залишалося центральним питанням.
Відповідь надійшла з несподіваного напрямку. Приблизно в той же час, коли Семенца і Раткліфф досліджували регуляцію гена ЕРО, дослідник раку Вільям Кейлін-молодший досліджував спадковий синдром, хворобу фон Гіппеля-Ліндау (хвороба VHL). Це генетичне захворювання призводить до різко підвищеного ризику виникнення певних онкологічних захворювань у сім'ях із спадковими мутаціями VHL. Кейлін показав, що ген VHL кодує білок, який запобігає виникненню раку. Він також встановив, що ракові клітини, яким не вистачає функціонального гена VHL, експресують аномально високі рівні регульованих гіпоксією генів; але коли ген VHL був знову введений в ракові клітини, нормальний рівень відновився. Це була важлива підказка, яка показує, що VHL якимось чином бере участь у контролі реакцій на гіпоксію. Додаткові підказки надійшли від декількох дослідницьких груп, які довели, що VHL є частиною комплексу, який мітить білки убіквітином, позначаючи їх для деградації протеасоми. Потім Раткліфф та його дослідницька група зробили ключове відкриття продемонструвавши, що VHL може фізично взаємодіяти з HIF-1α і потрібен для його деградації при нормальному рівні Оксигену. Це остаточно пов'язане VHL з HIF-1α.
Кисень СГІФТ забезпечує рівновагу. Багато шматків різних досліджень стали на місце, але все ще бракувало розуміння того, як рівні O2 регулюють взаємодію між VHL та HIF-1α. Пошуки були зосереджені на певній частині білка HIF-1α, який, як відомо, важливий для деградації, залежної від ВГЛ, і Кейлін, і Раткліфф підозрювали, що ключ відкриття чутливості до O2 знаходиться десь у цьому домені білка. У 2001 р. у двох одночасно опублікованих статтях вони показали, що при нормальному рівні Оксигену додаються гідроксильні групи у двох конкретних положеннях HIF-1α (рис. 1). Ця модифікація білка, що називається проліл гідроксиляцією, дозволяє VHL розпізнавати та зв'язуватися з HIF-1α, і, таким чином, пояснюється, як нормальні рівні Оксигену контролюють швидке руйнування HIF-1α за допомогою чутливих до Оксигену ферментів (так званих проліл гідроксилаз). Подальші дослідження Раткліффа та інших визначили відповідальні проліл гідроксилази. Було також показано, що функція активації генів HIF-1α була регульована залежним від Оксигену гідроксилюванням. Тепер Нобелівські лауреати з’ясували механізм зондування Оксигену і показали, як він працює.
Кисень формує фізіологію та патологію. Завдяки новаторській роботі цих Нобелівських лауреатів ми знаємо набагато більше про те, як різні рівні Оксигену регулюють основні фізіологічні процеси. Кисневе зондування дозволяє клітинам пристосовувати свій метаболізм до низького рівня Оксигену: наприклад, у наших м’язах під час інтенсивних фізичних вправ. Інші приклади адаптивних процесів, контрольованих кисневим зондуванням, включають генерування нових судин і вироблення еритроцитів. Наша імунна система та багато інших фізіологічних функцій також добре налаштовані за допомогою O2-чутливих механізмів. Датчик Оксигену виявився важливим навіть під час розвитку плода для контролю нормального утворення кровоносних судин та розвитку плаценти.
Кисневе зондування є центральним у великій кількості захворювань (рис. 2).
Рисунок 2. Описаний механізм зондування Оксигену має фундаментальне значення у фізіології, наприклад, для нашого метаболізму, імунної відповіді та здатності адаптуватися до фізичних вправ. Також це важливо для багатьох патологічних процесів. Тривають інтенсивні зусилля щодо розробки нових препаратів, які можуть або гальмувати, або активувати кисневий регуляційний механізм для лікування анемії, раку та інших захворювань.
Наприклад, пацієнти з хронічною нирковою недостатністю часто страждають на важку анемію через зниження експресії ЕРО. ЕРО виробляється клітинами нирки і має важливе значення для контролю утворення еритроцитів, як пояснено вище. Більше того, механізм, регульований Оксигеном, відіграє важливу роль за онкопроцесів. При пухлинах використовується регульований Оксигеном механізм для стимулювання утворення кровоносних судин і перетворення метаболізму для ефективної проліферації ракових клітин. Інтенсивні постійні зусилля в академічних лабораторіях та фармацевтичних компаніях зараз зосереджені на розробці препаратів, які можуть втручатися в різні хворобливі стани, або активуючи, або блокуючи Оксиген-чутливий апарат.
Нобелівський тиждень триватиме до 14 жовтня. Сьогодні, 8 жовтня Нобелівський комітет оголосить імена лауреатів з фізики, 9 жовтня – з хімії, 10 жовтня – з літератури (за два роки – 2018-й і 2019-й). 11 жовтня вручать премію миру, 14 жовтня – з економіки. Розмір премії в 2019 році становить 9 мільйонів шведських крон (близько 915 тисяч доларів). Премії традиційно вручають 10 грудня, у день смерті шведського винахідника Альфреда Нобеля.
Підготував проф. Віктор Трокоз
