«Breakthrough Prize присудили за дизайн білків, рецептори феромонів, утилізацію мітохондрій і позаклітинну ДНК»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 58

Ріс. 1. Лауреати Премії прориву в галузі наук про життя за 2021 рік «)» >

Ріс. 1. Лауреати премії Breakthrough Prize з біології та медицини (Breakthrough Prize in Life Sciences) за 2021 рік. Зліва направо: Денніс Ло, Кетрін Дюлак, Річард Йоул, Девід Бейкер. Фото з сайтів pnas.org, mcb.harvard.edu, forbes.com, depts.washington.edu

Цього року в списку лауреатів премії Breakthrough Prize з біології та медицини — чотири імені: Кетрін Дюлак, Річард Йоул, Денніс Ло і Девід Бейкер. Незважаючи на те, що премія замислювалася як заохочення досліджень, спрямованих на «лікування хвороб і продовження життя», далеко не всі розробки, які відзначило журі, знайшли своє застосування на практиці: деякі з них ще залишаються красивими теоріями. Інші, навпаки, вже отримали своє визнання і їх навіть намагаються використовувати в боротьбі з коронавірусною інфекцією. Області, в яких працюють лауреати 2021 року, теж зовсім не схожі один на одного: батьківська поведінка тварин, внутрішньоклітинні проблеми хвороби Паркінсона, пренатальна діагностика та комп’ютерне моделювання білків.

Про «Премію за прорив», Breakthrough Prize, набагато менше знають і рідше говорять, ніж про Нобелівську премію, хоча перша майже втричі більша за другу. Приз у три мільйони доларів, який отримує кожен лауреат (на відміну від Нобелівської премії, де лауреати ділять суму між собою), незалежно від того, скільки їх всього в номінації, робить Breakthrough Prize найбільш «дорогою» науковою премією в світі.

Колись молодша сестра Нобелівської премії замислювалася як твердження: її засновники (серед яких бізнесмени Марк Цукерберг, Сергій Брін і Юрій Мільнер) хотіли таким чином звернути увагу на важливі галузі фундаментальних наук фізики, математики, біології та медицини), які залишаються в тіні, і людей, які здійснюють наукові прориви, не отримуючи при цьому «визнання і фанфар». Щоправда, серед перших лауреатів премії 2013 року опинився Сін’я Яманака, який на той час уже отримав Нобелівську премію за технології репрограмування клітин (див. Нобелівська премія з фізіології та медицини — 2012, «Елементи», 10.10.2012). Та й багато інших лауреатів (четвірка 2021 року не виняток) виявлялися аж ніяк не новачками, а широко відомими у своїй галузі фахівцями з кількома десятками років досліджень за спиною.

Тим не менш, на списки Breakthrough Prize досі озираються аналітики, коли складають прогнози на Нобелівську премію — в пошуках імен, які набули ваги і визнання в останні роки. Так, у 2018 році Нобелівським лауреатом у галузі фізіології та медицини став імунолог Джеймс Еллісон (див. Нобелівська премія з фізіології та медицини — 2018, «Елементи», 04.10.2018), чию роботу журі Breakthrough Prize відзначило чотирма роками раніше. Тепер же журналісти чекають, поки Нобелівську премію отримає Дженніфер Дудна (за розробку системи редагування генома CRISPR/Cas9) — Breakthrough Prize їй дістався в 2015 році.

За сім років існування найдорожчої наукової премії змінилася і її ідея. Коли вона тільки з’явилася на світ, в 2013 році, її засновники декларували, що, присуджуючи премію в галузі наук про життя, хочуть підтримати дослідження в області «лікування хвороб і продовження людського життя». Але якщо вперше всі лауреати дійсно займалися людськими хворобами, то потім у списку почали з’являтися і фундаментальні роботи: наприклад, про регуляцію експресії генів або структуру рибосом. А в 2016 році премію отримав Сванте Пеабо, який реконструював геном неандертальця. Зараз на сайті премії значиться зовсім інший девіз: приз у галузі наук про життя присуджують за успіхи в «продовженні людського життя» і «розумінні устрою живих систем». 10 вересня були оголошені лауреати Breakthrough Prize за 2021 рік (так, саме так: щоразу премія вручається за наступний рік) з біології та медицини. Давайте подивимося, що змінили в нашому розумінні їх роботи.

Батьки, діти і феромони

Турбота про потомство у ссавців може приймати різні форми, але всі їх не так вже й просто пояснити з точки зору нейрофізіології. На відміну від коротких соціальних взаємодій між усіма іншими членами суспільства, батьки проводять з дитиною набагато більше часу і витрачають на неї куди більше ресурсів. При цьому взаємодія «батько-дитина» завжди односпрямована: батько нічого не отримує натомість. Отже, повинен існувати якийсь нейронний контур, який запускає батьківську поведінку (ймовірно, не без допомоги гормонів) і підтримує її протягом усього періоду розвитку дитинча, яке у ссавців може тривати роками. Крім того, цей механізм повинен працювати по-різному у самок і самців, — інакше як пояснити, що останні частіше проявляють агресію і схильні вбивати потомство, як своє, так і чуже?

Ріс. 2. Різні варіанти турботи про потомство у ссавців. У коал за дитинчатами доглядають самки, у перуанських стрибунів — самці, у каліфорнійських хом’ячків — обидва батьки, а у гієноглядних собак — вся зграя. Зображення зі статті J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective

До відповіді на це питання Кетрін Дюлак (Catherine Dulac) йшла кілька десятків років. Вона починала наукову кар’єру під керівництвом Нобелівського лауреата Річарда Аксела, фахівця з нюху ссавців. У його лабораторії вона займалася генами нюх рецепторів. Але оскільки кожен чарівний нейрон експресує свій набір рецепторів, щоб у них розібратися, їй довелося навчитися секвенувати РНК в кожному нейроні окремо і співвідносити набір РНК з положенням клітини в тканині (див., наприклад, J. R. Moffitt et al., 2018. Molecular, spatial, and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region).

За допомогою цього методу Дюлак відкрила спочатку одне (C. Dulac, R. Axel, 1995. A novel family of genes encoding putative pheromone receptors in mammals), а потом еще одно (E. Pantages, C. Dulac, 2000. A Novel Family of Candidate Pheromone Receptors in Mammals) сімейство рецепторів, які реагують на феромони — летючі речовини, що виділяються тваринами і беруть участь у соціальних взаємодіях. А потім зайнялася безпосередньо проблемою батьківської поведінки, оскільки у неї з’явилася можливість з’ясувати, якою мірою батьки реагують на запах дитинча і з чого він складається.

Результатом роботи Дюлак стала модель нейронного контуру, яка пояснює особливості поведінки дорослих особин по відношенню до дитинчат (J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective). У самок поведінка залежить від вхідних сигналів. Феромони розпізнає вомероназальний орган, який через мигдалину запускає агресію аж до інфантициду. Інші ж запахові сигнали діють на основний нюхливий епітелій і коли до них приєднуються звукові і тактильні стимули, то починає працювати медіальна преоптична область гіпоталамусу, яка пригнічує роботу «агресивного контуру» і запускає турботу про потомство. Цей механізм гальмування агресії працює навіть у самок-незайманих і посилюються після спарювання — таким чином, гормони тут грають не ключову роль.

Ріс. 3. Модель нейронного контуру, який відповідає за батьківську поведінку і агресію. VNO — вомероназальный орган, AOB — вомероназальная луковица, MeA — медиальная миндалина, MOE — основной обонятельный эпителий, MPOA — медиальная преоптическая зона гипоталамуса, X — область, которую еще предстоит установить. Зображення зі статті J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective

А ось у самців ситуація інша. Незважаючи на те, що їхня батьківська поведінка вивчена набагато гірше, відомо, що у ссавців самці часто схильні до інфантициду самі по собі. Сигналом до нього стає візуальний стимул у вигляді дитинча в поєднанні з сигналами від феромонів (Y. Isogai et al., 2018. Multisensory Logic of Infant-Directed Aggression by Males). Однак це змінюється після спарювання: самці перемикаються на турботу про дитинчат, правда, не відразу, а через якийсь час, приблизно рівний терміну вагітності самки.

Можна довго міркувати про те, яким чином інфантицид може бути вигідний для популяції, але з робіт Дюлак однозначно випливає, що це не аномальна поведінка, а запрограмована. З них же випливає, що існує і програма для придушення інфантициду, яка у самок включена за замовчуванням, а у самців запускається, коли вони стають батьками. І хоча більшість досліджень Дюлак з колегами проводили на гризунах, а у людей турбота про потомство влаштована куди складніше (хоча б тому, що період дитинства набагато довший), на базі їхніх робіт можна міркувати про механізми батьківства у людей і профілактику пов’язаних з ним психічних розладів, наприклад, післяпологової депресії.

Непридатні мітохондрії

Річард Йоул (Richard J. Youle) багато років шукав відповідь на інше вічне питання: чим викликається хвороба Паркінсона? Незважаючи на те, що її симптоми і характерні патології описані давно, про причини досі ми знаємо досить мало.

Одна з популярних теорій пов’язує хворобу Паркінсона з мітохондріями. Оскільки передача нервового імпульсу — справа вкрай енерговитратна, то мітохондрії в нейронах працюють особливо інтенсивно, генерують багато вільних радикалів як побічний продукт обміну речовин і часто ламаються. Однак сама по собі ця теорія не дозволяє пояснити, чому одні люди хворіють, а інші ні, і як можна було б допомогти хворим.

Водночас, відомі характерні мутації, які часто виявляють у пацієнтів з хворобою Паркінсона. Деякі з них часто знаходять у людей з раннім початком хвороби (до 40 років). В першу чергу це мутації в генах PARK2 і PINK1, які кодують відповідні білки — Parkin і Pink1. Йоулу вдалося з’ясувати, як ці білки беруть участь у роботі мітохондрій і як їхні функції пов’язані з розвитком хвороби (D. Narendra et al., 2009. Parkin-induced mitophagy in the pathogenesis of Parkinson disease).

Виявилося, що білок Pink1 служить показником якості мітохондрій. Головне, що повинна вміти ця органела в здоровій клітці — підтримувати електричний потенціал на внутрішній мембрані, що необхідно для синтезу АТФ. Але від цього потенціалу залежить не тільки кількість енергії, а й транспорт Pink1 крізь внутрішню мембрану. Якщо потенціалу недостатньо, щоб транспортер для Pink1 працював на повну силу, то Pink1 опиняється на зовнішній мембрані мітохондрії, подаючи тим самим сигнал тривоги.

Ріс. 4. А — норма: транспортери на внутрішній мембрані мітохондрій протягують «хвіст» Pink1 всередину. Час від часу його молекули розщеплює протеасома. В — патологія: мембранного потенціалу недостатньо, щоб Pink1 занурився в мембрану мітохондрії, тому він виявляється доступним для фосфорилювання і приваблює Parkin. Зображення зі статті S. Pickles et al., 2018. Mitophagy and Quality Control Mechanisms in Mitochondrial Maintenance

На цей сигнал реагує Parkin. Він зв’язується з білками на поверхні мітохондрій і приваблює нові молекули Parkin, поки органела не виявляється покрита «чорними мітками» — за Parkin хапається лізосома, обволокуючи мітохондрію своєю мембраною і прирікаючи на перетравлення (S. Pickles et al., 2018. Mitophagy and Quality Control Mechanisms in Mitochondrial Maintenance). Цей процес — знищення пошкоджених мітохондрій — називають мітофагією, це одна з форм аутофагії, самопереварювання клітини. Вона дозволяє позбутися дефектних органел і дати більш «здоровим» мітохондріям можливість поділитися, щоб заповнити недолік.

Мутації в PINK1 і PARK2 призводять до того, що мітофагія не працює, і в нейронах накопичуються пошкоджені мітохондрії. Енергії не вистачає, вільні радикали продовжують утворюватися — розвивається мітохондріальний стрес. На пошкоджені клітини і сигнальні молекули, що виділяються ними, реагують імунні клітини, і в нервовій тканині починається запалення (D. A. Sliter et al., 2018. Parkin and PINK1 mitigate STING-induced inflammation) — ще один симптом хвороби Паркінсона і одна з причин нейродегенерації.

Відкриття Йоула поки не отримали практичного застосування — жоден з можливих препаратів-активаторів Pink1 або Parkin (див. S. Miller, M. M. K. Muqitb, 2019. Therapeutic approaches to enhance PINK1/Parkin mediated mitophagy for the treatment of Parkinson’s disease) ще не подолав стадію випробувань на тваринах. Тим не менш, вони дозволили вибудувати картину того, що відбувається всередині нейронів у людей з хворобою Паркінсона. Крім того, ці знання можуть одного разу стати в нагоді для продовження життя, оскільки багато дослідників пов’язують старіння з дисфункцією мітохондрій і поломками клітин по всьому організму — не тільки нервових, але і, наприклад, стовбурових (N. Sun et al., 2016. The Mitochondrial Basis of Aging).

Ворожіння на крові

Про те, що ДНК зустрічається не тільки всередині клітин, але і в міжклітинному середовищі, стало відомо ще до того, як Уотсон і Крік розшифрували її структуру, в 1948 році (P. Mandel, P. Metais, 1948. Les acides nucléiques du plasma sanguin chez l’homme). Відтоді позаклеїнові кислоти вдалося знайти не тільки в людській крові, але і в інших тварин, і навіть у середовищі культивування різних клітин. Суперечки про те, звідки ДНК і РНК з’являються в міжклітинному просторі, і чи відіграють вони якусь роль у житті клітин, тривають і зараз. Але незважаючи на це, ми вже вміємо аналізувати їх склад і по ньому робити висновки про те, чим може бути хвора людина, у якої їх виявили.

Цим умінням сучасні діагности зобов’язані гонконгському досліднику Деннісу Ло (Dennis Lo). Ло почав свій шлях в науці якраз в той час, коли метод полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) (за допомогою якого сьогодні вимірюють все підряд, включаючи експресію генів в клітинах і кількість коронавірусу на слизових оболонках) тільки набирав свою популярність. Ло вхопився за ідею виловлювати за допомогою ПЛР невеликі кількості ДНК з середовища і подумав, що метод можна застосувати для вагітних жінок. Він припустив, що в їхній крові можна знайти ДНК плоду і, дійсно, там її виявив (D. Lo et al., 1997. Presence of fetal DNA in maternal plasma and serum).

Для початку ідея Ло дозволила визначити стать майбутньої дитини — за наявністю або відсутністю послідовностей, характерних для Y-хромосоми (яких у матері бути не повинно в будь-якому випадку). Потім вчений переключився на резус-фактор (D. Lo et al., 1998. Prenatal Diagnosis of Fetal RhD Status by Molecular Analysis of Maternal Plasma). Резус-негативним матерям важливо з’ясувати резус-групу плоду, щоб по можливості уникнути резус-конфлікту і вчасно розпізнати гемолітичну жовтяницю у дитини після пологів. Нарешті, Ло зайнявся патологіями плоду і навчився визначати синдром Дауна — за непропорційно високою концентрацією послідовностей з 21-ї хромосоми в материнській крові (R. Chiu et al., 2011. Non-invasive prenatal assessment of trisomy 21 by multiplexed maternal plasma DNA sequencing: large scale validity study).

Технологію, яку придумав Ло, можна застосовувати і до інших хвороб. Наприклад, згодом вчений зайнявся діагностикою раку. Однак ці методи поки знаходяться в розробці, а премію вчений отримав саме за метод визначення синдрому Дауна. Зараз його поступово починають використовувати в клініках — це набагато простіше і безпечніше, ніж використовувані раніше методи, для яких потрібна біопсія зародкових тканин.

Білок за кресленням

Розшифровка генетичного коду дозволила людям відновлювати послідовність амінокислот у білці за «текстом» кодуючого його гена. Однак у головній догмі молекулярної біології (яка свідчить, що клітина розшифровує інформацію по ланцюжку ДНК — РНК — білок) нічого не сказано про форму, яку приймає амінокислотний ланцюг, а функція і працездатність білка залежать саме від неї.

Іноді структуру білка можна передбачити, якщо до його складу входять характерні домени — функціональні ділянки (наприклад, для зв’язування з ДНК або іонами металів), які раніше знаходили в інших білках. В інших же випадках вченим залишаються кристалографія і спектроскопія — довга копітка робота, яку для кожного білка доводиться починати з нуля.

Девід Бейкер (David Baker) придумав дорогу в обхід. Разом з колегами він створив програму Rosetta, завдання якої було шукати в амінокислотній послідовності «знайомі» ділянки, схожі на інші білки, і на цій підставі передбачати форму цілої молекули. Пізніше програму вдосконалили: її навчили оцінювати силу тяжіння і відштовхування між окремими амінокислотами в ланцюжку і шукати для ланцюжка найбільш енергетично вигідну форму. На базі алгоритмів Rosetta був запущений проект розподілених обчислень Rosetta @ home (будь-хто може завантажити необхідне ПЗ і надавати обчислювальні потужності свого комп’ютера для визначення структури білків), а пізніше — гра Foldit, в якій гравці, вирішуючи просторові головоломки, насправді допомагають розшифровувати структуру білків.

Алгоритм виявився напрочуд успішним: його передбачення досить точно збувалися, їх вдавалося підтвердити класичними методами. І з його допомогою Бейкер і колеги побудували моделі для тисячі білків з раніше невідомою структурою. А потім прийшов час створювати власні білки.

Цим, звичайно, займалися і до Бейкера. Були, наприклад, хімерні білки, зшиті з окремих доменів декількох білків. Були методи спрямованої еволюції, які відзначив у 2018 році Нобелівський комітет (див. Нобелівська премія з хімії — 2018, «Елементи», 06.10.2018): в послідовність гена вносять випадкові і невипадкові мутації і відбирають найвдаліші варіанти, які кодують найбільш активні білки. Однак усі ці технології ґрунтувалися на природних, природних молекулах.

Алгоритми Бейкера дозволяють побудувати білок з нуля, а точніше, спроектувати амінокислотну послідовність, яка могла б приймати задану форму. Застосувань у такої технології безліч: наприклад, лабораторія Бейкера намагається створити білки, які б пов’язували гадоліній (його часто використовують як контрастну речовину при томографії) або розщеплювали глютен, а також шукають ліки від грипу — молекулу, яка буде зв’язуватися з гемагглютинином на поверхні вірусної частинки і заважати їй проникнути всередину клітини.

Ріс. 5. Модель взаємодії одного з мініінгібіторів (LCB1) і RBD — домену S-білка SARS-CoV-2, який пов’язується з поверхнею клітини. Малюнок зі статті L. Cao et al., 2020. De novo design of picomolar SARS-CoV-2 miniprotein inhibitors

У 2020 році Бейкер і колеги переключилися на SARS-CoV-2 і, за аналогією з грипом, зайнялися підбором мініінгібітора — білка, єдина функція якого полягає в тому, щоб заблокувати поверхневий білок коронавірусу. На початку вересня вони відзвітували в журналі Science про десять мініінгібіторів з різною активністю і запропонували використовувати їх як відправну точку для розробки ліків (L. Cao et al., 2020. De novo design of picomolar SARS-CoV-2 miniprotein inhibitors), що не могли не оцінити члени журі Breakthrough Prize.

Поліна Лосєва