Токсичний і життєво необхідний

Кисень — один з найважливіших елементів на Землі. З’явившись спочатку як токсичний відхід життєдіяльності фотосинтезуючих мікроорганізмів, зараз вільний кисень становить близько 20% атмосфери нашої планети. За роки свого існування життя на Землі пристосувалося до кисневої атмосфери, і тепер більшість еукаріотичних організмів використовує кисень, щоб отримувати енергію в процесі дихання. Нобелівську премію з фізіології та медицини за 2019 рік отримали Грегг Семенза (Gregg L. Semenza), сер Пітер Реткліфф (Sir Peter J. Ratcliffe) і Вільям Келін (William G. Kaelin Jr) за фундаментальні роботи, що розкривають деталі того, як еукаріотичні клітини сприймають кисень з навколишнього середовища і адаптуються до його рівня.

Для бактерій і мітохондрій кисень — важлива кінцева ланка в системі білкових електричних «проводів», які вчені називають електрон-транспортним ланцюгом. Цей ланцюг використовується для окислення молекул їжі до вуглекислого газу, а енергія, що виділяється в процесі, використовується організмом. Кисень при цьому приймає на себе відняті у вуглецю електрони і в такому вигляді входить до складу води. Без нього електрони з їжі можуть запускати різні спонтанні хімічні реакції в клітці і призводити до її загибелі. Тому критично важливо, щоб будь-яка «дихаюча» * клітина організму постійно мала доступ до цього елементу в достатніх кількостях.

Грегг Семенза. Фото Will Kirk / Johns Hopkins University

Людський організм дуже чутливо реагує на кількість кисню. Якщо в крові його з тих чи інших причин стає недостатньо, нирки починають виділяти гормон еритропоетин, який змушує кістковий мозок виробити більше еритроцитів — клітин, що переносять кисень від легенів до тканин через кров. Перший серед лауреатів цього року, Грегг Семенза, хотів розібратися, як влаштована система синтезу еритропоетину в клітинах нирок.

Перше питання, на яке потрібно було відповісти, — що є транскрипційним фактором гена еритропоетину. Транскрипційними факторами називають білки, які запускають роботу того чи іншого гена. Як правило, неподалік від гена на хромосомі знаходиться область посадки для таких білків. І якщо знайти ген, як правило, дуже легко, то виявити область посадки його транскрипційного фактора — завдання менш тривіальне. Семенза використовував генетично модифікованих мишей, яким випадковим чином змінював ту ділянку хромосоми, в якій очікував знайти ділянку посадки фактора. У якийсь момент він знайшов цю ділянку, а також зумів визначити білок, який виконує роль транскрипційного фактора. Цей раніше невідомий білок він назвав «індукованим гіпоксією фактором», або HIF-1α.

Семенза і сер Пітер Реткліфф, який паралельно працював над тією ж темою, виявили, що HIF-1α експресується не тільки в нирках, а й практично у всіх тканинах організму. Цей транскрипційний фактор запускав, наприклад, зростання нових судин при руйнуванні старих. При зниженні рівня кисню в навколишньому середовищі кількість HIF-1α починала зростати. А що призводило до цього зростання, було неясно.

Сер Пітер Реткліфф. Фото Oxford University з сайту erc.europa.eu

Відповідь на це важливе запитання прийшла з несподіваного місця. Онколог Вільям Келін досліджував хворобу Гіппеля — Ліндау (VHL). При цьому стані у пацієнтів порушується зростання судин, а також часто виникають пухлини, зокрема, в нирках. Келін виявив, що захворювання викликається мутаціями в гені VHL, який в нормальному стані пригнічує пухлинний зріст. Він вивчив клітини з порушеним геном VHL і показав, що в них присутня сильно збільшена кількість HIF-1α, до того ж не залежна від рівня кисню. Впровадження нормального гена VHL в ракові клітини відновлювало концентрацію HIF-1α до нормальних значень.

Вільям Келін. Фото: Sam Ogden, Dana-Farber Cancer Institute (twitter.com/NobelPrize)

Продукт гена VHL виявився убіквітін-лігазою. Тут варто окремо пояснити, що таке білкові модифікації. Білки в клітинах виконують практично всі завдання — від сприйняття оточення до хімічних перетворень. І клітині необхідно мати можливість цими білками керувати. Під час еволюції з’явилося безліч різних варіантів такого контролю, одним з яких є оперативна зміна структури і форми білкової молекули шляхом приєднання до неї різних довісків. Вони можуть мати найрізноманітнішу хімічну природу — від відносно простих сполук на кшталт фосфорної кислоти до великих білкових або вуглеводних молекул. Модифікації білків можуть «вимикати» або «вмикати» їх роботу, змушувати їх переміщатися в потрібну частину клітини і так далі.

Білки класу убіквітін-лігаз займаються тим, що модифікують інші білки убіквітином. Транспортні білки розпізнають убіквітинові ланцюжки і відправляють позначений ними білок на деградацію, тим самим знижуючи його концентрацію. Келін виявив, що досліджуваний ним білок VHL мав здатність убіквітінізувати HIF-1α і тим самим знижувати його кількість у клітці. Причому його активність зростала в присутності кисню. При гіпоксії VHL переставав убіквітінізувати HIF-1α, і клітина перемикалася на новий режим роботи. Мутації гена VHL призводили до порушення цієї функції, і HIF-1α продовжував бути присутнім в клітці навіть коли в ньому відпадала необхідність.

Зображення: Mattias Karlén (twitter.com/NobelPrize)

Коли цей факт розкрився, багато встало на свої місця. Але була ще одна область, в якій не все було зрозуміло. Як саме білок VHL «відчував» кисень? Об’єднаними зусиллями Реткліфф і Келін зуміли відповісти і на це питання. Виявилося, що в білці VHL регуляція роботи відбувалася за допомогою раніше невідомої модифікації — пролин-гідроксилювання. Відповідальні за цю модифікацію ферменти пролив-гідроксилази містять у своєму складі іон заліза. Подібно до гемоглобіну, вони здатні пов’язувати кисень із залізом і в такому вигляді активуватися. Активована пролив-гідроксилаза вносить модифікації в структуру VHL, який починає знижувати концентрацію HIF-1α. У наступні роки було виявлено безліч подібних пролив-гідроксилаз.

Так за що ж дали Нобелівську премію цього року? Чому це відкриття виявилося настільки важливим, що Нобелівський комітет визнав його гідним нагороди? На це можна дати кілька відповідей. По-перше, були розкриті деталі універсального механізму, який присутній майже у всіх клітинах. По-друге, швидко виявилося, що на цей механізм зав’язано безліч різних захворювань, як онкологічної, так і іншої природи. А розуміння механізму — це вже половина шляху до лікування. Ну і, нарешті, був розкритий новий механізм білкової модифікації, невідомий раніше. А це вже повноцінне фундаментальне відкриття. Так що дослідники абсолютно точно напрацювали на свого заслуженого Нобеля.

^* Деякі клітини, наприклад червоні клітини крові, не мають мітохондрій і не отримують енергію шляхом дихання. Це не дозволяє їм ефективно використовувати поживні речовини, але їх метаболізм цього і не вимагає. Чи багато потреб у клітини, яка просто тече з потоком крові і не потребує ні руху, ні активного синтезу білків?