Объявление Нобелевских лауреатов 2019 началось сегодня с присуждения премии по медицине и физиологии. За вручение премии в этой области, по завещанию Нобеля, отвечает Каролинский институт (швед. Karolinska Institutet), это медицинское учебное заведение и исследовательский центр.
Нобелевский комитет разделил премию между тремя учёными — Греггом Л. Семензой (Gregg L. Semenza), Питером Ратклиффом (Peter Ratcliffe) и Уильямом Кэлином (William G. Kaelin), за изучение того, как клетки распознают наличие кислорода и адаптируются к его уровню. Влияние работы распространяется практически на все области медицины — от ведения беременности до высотной болезни, от рака до лечения ран.
Животным нужен кислород для преобразования пищи в полезную энергию. Фундаментальное значение кислорода было известно уже давно, но каким образом клетки приспосабливаются к изменениям уровня кислорода, учёным не было вполне понятно.
Уильям Г. Кэлин, Питер Дж. Ратклифф и Грегг Л. Семенца открыли, как клетки могут чувствовать изменения доступа к кислороду и адаптироваться к ним. Они определили молекулярный механизм, регулирующий активность генов в ответ на различные уровни кислорода.
Открытия лауреатов Нобелевской премии этого года выявили механизм одного из важнейших процессов адаптации в жизни человека. Они заложили основу для понимания того, как уровень кислорода влияет на клеточный метаболизм и физиологические функции. То, что они выяснили, также проложило путь новым перспективным стратегиям борьбы с анемией, раком и другими заболеваниями.
Кислород составляет около 20 % атмосферы Земли. Он необходим для жизни животных: его используют митохондрии, присутствующие практически во всех клетках животных, для преобразования пищи в полезную энергию. Отто Варбург (Otto Warburg), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1931 года, показал, что это преобразование является ферментативным процессом.
В процессе эволюции развились механизмы, обеспечивающие достаточное снабжение тканей и клеток кислородом. Каротидные тельца, прилегающие к большим кровеносным сосудам по обе стороны шеи, содержат специализированные клетки, определяющие уровень кислорода в крови. В 1938 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Корнею Хеймансу (Corneille Jean François Heymans) за открытие того, как кислород в крови через сонную артерию контролирует частоту дыхания, напрямую взаимодействуя с мозгом.
Помимо быстрого контроля сонной артерии для адаптации организма к низкому уровню кислорода (гипоксии), существуют и другие фундаментальные способы физиологической адаптации. Ключевым физиологическим ответом на гипоксию является повышение уровня гормона эритропоэтина, что приводит к увеличению выработки эритроцитов (эритропоэзу). Важность гормонального контроля эритропоэза была известна уже в начале XX века, но каким образом этот процесс контролировался кислородом, оставалось загадкой.
Грегг Семенза изучал ген эритропоэтина и то, как его экспрессия регулируется с изменением уровня кислорода. С помощью генно-модифицированных мышей было показано, что определённые сегменты ДНК, расположенные рядом с геном эритропоэтина, являются посредниками реакции на гипоксию. Питер Ратклифф также изучал регуляцию гена эритропоэтина, зависимую от кислорода, и обе исследовательские группы обнаружили, что механизм определения кислорода присутствует практически во всех тканях, а не только в клетках почек, где обычно производится эритропоэтин. Эти важные выводы свидетельствуют о том, что механизм является общим и функциональным для различных типов клеток.
Семенза хотел выявить клеточные компоненты, опосредующие ответ на уровень кислорода. В выращенных клетках печени он обнаружил белковый комплекс, связанный кислород-зависимым способом с определённым сегментом ДНК. Он называл этот комплекс фактором, индуцируемым гипоксией. Впоследствии начались активные действия для выявления этого фактора, и в 1995 году Семенза смог опубликовать некоторые из ключевых результатов исследований, включая идентифицированные гены, кодирующие фактор, индуцируемый гипоксией. Установлено, что фактор состоит из двух различных ДНК-связывающих белков, так называемых транскрипционных факторов, HIF-1α и ARNT. После этого исследователи смогли приступить к решению вопроса, какие дополнительные компоненты были задействованы и как работает весь механизм.
Когда уровень кислорода высокий, клетки содержат мало HIF-1α. Однако при низком уровне кислорода количество HIF-1α возрастает, что позволяет ему связываться с геном эритропоэтина и другими генами из сегмента фактора, индуцируемого гипоксией, и регулировать их. Несколько исследовательских групп показали, что HIF-1α, обычно разлагающийся достаточно быстро, защищён от разложения при гипоксии. При нормальном уровне кислорода HIF-1α разрушается клеточным комплексом под названием протеасома (открытие которого было отмечено Нобелевской премией по химии в 2004 году — премию вручили Аарону Чехановеру (Aaron Ciechanover), Авраму Гершко (Avram Hershko) и Ирвину Роузу (Irwin Rose)). В этих условиях к белку HIF-1α добавляется небольшой пептид, убиквитин. Убиквитин функционирует как метка для белков, предназначенных для разложения протеасомы. Но как убиквитин связывается с HIF-1α кислород-зависимым способом, оставалось центральным вопросом.
Ответ был получен из неожиданного источника. Примерно в то же время, когда Семенза и Ратклифф изучали регуляцию гена эритропротеина, онколог Уильям Кэлин изучал наследственный синдром, болезнь Гиппеля — Линдау. Это генетическое заболевание приводит к резкому увеличению риска развития некоторых видов рака у людей с наследственными мутациями. Кэлин показал, что ген VHL кодирует белок, предотвращающий развитие рака. Кэлин также выявил, что раковые клетки, не имеющие функционального гена VHL, экспрессируют аномально высокие уровни гипоксичнорегулируемых генов, но при реинтродукции гена VHL в раковые клетки, восстанавливаются нормальные уровни. Это была важна зацепка, она показала, что VHL каким-то образом участвует в контроле реакции на гипоксию. Дополнительные подсказки были получены от нескольких исследовательских групп, оказалось, что VHL является частью комплекса, маркирующего белки убиквитином для того, чтобы они впоследствии разлагались в протеасоме. Затем Ратклифф и его исследовательская группа сделали ключевое открытие: они продемонстрировали, что VHL может физически взаимодействовать с HIF-1α, и этот ген необходим для нормального разложения HIF-1α при нормальном уровне кислорода. Это окончательно связывает VHL и HIF-1α.
Разрозненные элементы встали на свои места, но всё ещё отсутствовало понимание того, как уровни кислорода регулируют взаимодействие между VHL и HIF-1α. Поиск происходит в определённой части белка HIF-1α, важной для VHL-зависимого разложения. Кэлин и Ратклифф подозревали, что ключ к ощущению кислорода находится где-то в области этого белка. В 2001 году в двух одновременно опубликованных статьях они показали, что при нормальном уровне кислорода гидроксильные группы добавляются в HIF-1α в двух конкретных положениях. Модификация белка, называемая пролил гидроксилирование, позволяет VHL распознавать HIF-1α и связываться с ним, а также объясняет, как нормальный уровень кислорода контролирует быстрое разложение HIF-1α с помощью чувствительных к кислороду ферментов (пролилгидроксилазы). Дальнейшие исследования, проведённые Ратклиффом и его коллегами, выявили действующие пролилгидроксилазы. Также было показано, что функция активации генов HIF-1α регулируется кислород-зависимым гидроксилированием.
Благодаря новаторской работе этих нобелевских лауреатов мир узнал гораздо больше о том, как различные уровни кислорода регулируют фундаментальные физиологические процессы. Кислородное зондирование позволяет клеткам адаптировать свой метаболизм к низкому уровню кислорода, например, в мышцах во время интенсивных тренировок. Другие примеры адаптивных процессов, контролируемые с помощью кислородного зондирования, — образование новых кровеносных сосудов и эритроцитов. Наша иммунная система и многие другие физиологические функции так же точно настроены с помощью механизмов, ощущающих кислород. Было доказано, что во время развития плод ощущает уровень кислорода, что контролирует нормальное образование кровеносных сосудов и плаценты.
Зондирование уровня кислорода играет центральную роль в огромном количестве заболеваний. Например, пациенты с хронической почечной недостаточностью часто страдают от тяжёлой анемии, вызванной снижением экспрессии эритропоэтина. Эритропоэтин вырабатывается клетками в почках и необходим для контроля образования эритроцитов. Кроме того, механизм кислородной регуляции играет важную роль в развитии рака. В опухолях данный механизм используется для стимулирования образования кровеносных сосудов и изменения метаболизма для эффективной пролиферации раковых клеток. Постоянные интенсивные усилия академических лабораторий и фармацевтических компаний сейчас сосредоточены на разработке препаратов, способных влиять на различные заболевания, активируя или блокируя работу механизма обнаружения уровня кислорода.