Животным нужен кислород для преобразования пищи в полезную энергию. Фундаментальная важность кислорода понималась веками, но как клетки адаптируются к изменениям уровня кислорода, долгое время оставалось неизвестным.
Уильям Джи.
Kaelin Jr., Сэр Питер Дж. Рэтклифф и Грегг Л. Семенза обнаружил, как клетки могут воспринимать изменения доступности кислорода и адаптироваться к ним. Они определили молекулярный механизм, который регулирует активность генов в ответ на различные уровни кислорода.
Основополагающие открытия лауреатов Нобелевской премии этого года раскрыли механизм одного из важнейших адаптивных процессов жизни. Они заложили основу для нашего понимания того, как уровень кислорода влияет на клеточный метаболизм и физиологические функции. Их открытия также проложили путь к новым многообещающим стратегиям борьбы с анемией, раком и многими другими заболеваниями.
Кислород в центре внимания
Кислород с формулой O2 составляет около одной пятой атмосферы Земли. Кислород необходим для жизни животных: он используется митохондриями, присутствующими практически во всех клетках животных, для преобразования пищи в полезную энергию. Отто Варбург, лауреат Нобелевской премии 1931 года по физиологии и медицине, обнаружил, что это преобразование является ферментативным процессом.
В ходе эволюции выработались механизмы, обеспечивающие достаточное поступление кислорода к тканям и клеткам.
Тело сонной артерии, прилегающее к крупным кровеносным сосудам с обеих сторон шеи, содержит специализированные клетки, которые определяют уровень кислорода в крови. Нобелевская премия по физиологии и медицине 1938 года, присужденная Корнелю Хеймансу, присудила открытия, показывающие, как восприятие кислорода в крови через сонную артерию контролирует нашу частоту дыхания, напрямую взаимодействуя с мозгом.
HIF выходит на сцену
Помимо быстрой адаптации сонных артерий к низкому уровню кислорода (гипоксия), существуют и другие фундаментальные физиологические адаптации.
Ключевым физиологическим ответом на гипоксию является повышение уровня гормона эритропоэтина (ЭПО), что приводит к увеличению производства красных кровяных телец (эритропоэз). Важность гормонального контроля эритропоэза была известна еще в начале 20 века, но то, как этот процесс сам контролировался O2, оставалось загадкой.
Грегг Семенза изучил ген ЭПО и то, как он регулируется изменением уровня кислорода. При использовании генно-модифицированных мышей было показано, что определенные сегменты ДНК, расположенные рядом с геном ЭПО, опосредуют реакцию на гипоксию.
Сэр Питер Рэтклифф также изучал O2-зависимую регуляцию гена EPO, и обе исследовательские группы обнаружили, что механизм чувствительности к кислороду присутствует практически во всех тканях, а не только в клетках почек, где обычно вырабатывается EPO. Это были важные открытия, показывающие, что этот механизм является общим и функциональным во многих различных типах клеток.
Семенца хотел определить клеточные компоненты, опосредующие этот ответ.
В культивируемых клетках печени он обнаружил белковый комплекс, который связывается с идентифицированным сегментом ДНК кислородозависимым образом. Он назвал этот комплекс фактором, индуцируемым гипоксией (HIF) . Начались обширные усилия по очистке комплекса HIF, и в 1995 году Семенза смог опубликовать некоторые из своих ключевых результатов, включая идентификацию генов, кодирующих HIF.
Было обнаружено, что HIF состоит из двух разных ДНК-связывающих белков, так называемых факторов транскрипции, теперь называемых HIF-1? и ARNT. Теперь исследователи могли приступить к решению головоломки, позволяя им понять, какие дополнительные компоненты были задействованы и как работает оборудование.
ВХЛ: неожиданный партнер
Когда уровень кислорода высок, клетки содержат очень мало HIF-1?. Однако при низком уровне кислорода количество HIF-1? увеличивается, так что он может связываться и, таким образом, регулировать ген EPO, а также другие гены с HIF-связывающими сегментами ДНК.
Несколько исследовательских групп показали, что HIF-1?, который обычно быстро разлагается, защищен от разложения при гипоксии. При нормальном уровне кислорода клеточная машина под названием протеасома, признанная Нобелевской премией по химии 2004 года Аарону Цехановеру, Авраму Хершко и Ирвину Роузу, разлагает HIF-1?. В таких условиях к HIF-1 добавляется небольшой пептид убиквитин? белок. Убиквитин функционирует как метка для белков, предназначенных для деградации в протеасоме.
Как убиквитин связывается с HIF-1? кислородозависимым способом оставался центральным вопросом.
Ответ пришел с неожиданного направления. Примерно в то же время, когда Семенца и Рэтклифф изучали регуляцию гена ЭПО, исследователь рака Уильям Кэлин-младший. исследовал наследственный синдром, болезнь фон Гиппеля-Линдау (болезнь ВХЛ). Это генетическое заболевание приводит к резкому увеличению риска некоторых видов рака в семьях с наследственными мутациями VHL.
Kaelin показал, что ген VHL кодирует белок, предотвращающий возникновение рака. Kaelin также показал, что раковые клетки, лишенные функционального гена VHL, экспрессируют аномально высокие уровни генов, регулируемых гипоксией; но когда ген VHL был повторно введен в раковые клетки, нормальные уровни были восстановлены. Это была важная подсказка, показывающая, что ВХЛ каким-то образом участвует в контроле реакции на гипоксию.
Дополнительные подсказки были получены от нескольких исследовательских групп, показывающих, что VHL является частью комплекса, который маркирует белки убиквитином, маркируя их для деградации в протеасоме. Затем Рэтклифф и его исследовательская группа сделали ключевое открытие: продемонстрировали, что VHL может физически взаимодействовать с HIF-1? и требуется для его разложения при нормальном уровне кислорода. Это окончательно связало VHL с HIF-1?.
Кислород СДВИГАЕТ баланс
Многие элементы встали на свои места, но чего по-прежнему не хватало, так это понимания того, как уровни O2 регулируют взаимодействие между VHL и HIF-1?. Поиск был сосредоточен на определенной части HIF-1? белок, о котором известно, что он важен для VHL-зависимой деградации, и как Kaelin, так и Ratcliffe подозревали, что ключ к O2-зондированию находится где-то в этом домене белка. В 2001 году в двух одновременно опубликованных статьях они показали, что при нормальном уровне кислорода гидроксильные группы добавляются в двух конкретных положениях в HIF-1?.
Эта модификация белка, называемая пролилгидроксилированием, позволяет VHL распознавать и связываться с HIF-1? и, таким образом, объяснили, как нормальный уровень кислорода контролирует быстрый HIF-1? деградация с помощью чувствительных к кислороду ферментов (так называемых пролилгидроксилаз). Дальнейшие исследования Рэтклиффа и других выявили ответственные пролилгидроксилазы. Также было показано, что активирующая функция гена HIF-1? регулировалось кислородзависимым гидроксилированием.
Нобелевские лауреаты выяснили механизм определения кислорода и показали, как он работает.
Кислород формирует физиологию и патологию
Благодаря новаторской работе этих лауреатов Нобелевской премии мы знаем гораздо больше о том, как различные уровни кислорода регулируют основные физиологические процессы. Ощущение кислорода позволяет клеткам адаптировать свой метаболизм к низкому уровню кислорода: например, в наших мышцах во время интенсивных упражнений. Другие примеры адаптивных процессов, контролируемых кислородным зондированием, включают образование новых кровеносных сосудов и производство красных кровяных телец. Наша иммунная система и многие другие физиологические функции также регулируются механизмами определения O2.
Было даже показано, что зондирование кислорода важно во время развития плода для контроля нормального образования кровеносных сосудов и развития плаценты.
Чувствительность к кислороду является центральным фактором при большом количестве заболеваний. Например, пациенты с хронической почечной недостаточностью часто страдают тяжелой анемией из-за снижения экспрессии ЭПО.
ЭПО вырабатывается клетками почек и необходим для контроля образования красных кровяных телец, как описано выше. Кроме того, регулируемый кислородом механизм играет важную роль в развитии рака. В опухолях регулируемый кислородом механизм используется для стимуляции образования кровеносных сосудов и изменения метаболизма для эффективного разрастания раковых клеток.
Активные постоянные усилия в академических лабораториях и фармацевтических компаниях в настоящее время сосредоточены на разработке лекарств, которые могут вмешиваться в различные болезненные состояния, активируя или блокируя механизмы измерения кислорода.
Уильям Джи.
Kaelin, младший. родился в 1957 году в Нью-Йорке. Он получил M.D. из Университета Дьюка, Дарем. Он прошел специальную подготовку по внутренней медицине и онкологии в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, и в Онкологическом институте Дана-Фарбер, Бостон. Он основал свою собственную исследовательскую лабораторию в Институте рака Дана-Фарбер и в 2002 году стал профессором Гарвардской медицинской школы.
Он является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза с 1998 года.
Сэр Питер Дж. Рэтклифф родился в 1954 году в Ланкашире, Великобритания. Он изучал медицину в колледже Гонвилля и Кая при Кембриджском университете и прошел специальную подготовку по нефрологии в Оксфорде.
Он основал независимую исследовательскую группу в Оксфордском университете и в 1996 году стал профессором. Он является директором клинических исследований в Институте Фрэнсиса Крика в Лондоне, директором Target Discovery Institute в Оксфорде и членом Института Людвига по исследованию рака.
Грегг Л. Семенза родился в 1956 году в Нью-Йорке.
Он получил свой B.А. Магистр биологии Гарвардского университета, Бостон. Он получил степень доктора медицины / доктора философии в Школе медицины Пенсильванского университета в Филадельфии в 1984 году и прошел подготовку в качестве специалиста по педиатрии в Университете Дьюка, Дарем. Он прошел постдокторскую подготовку в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, где он также основал независимую исследовательскую группу.
Он стал профессором Университета Джонса Хопкинса в 1999 году, а с 2003 года является директором программы исследований сосудов в Институте клеточной инженерии Джонса Хопкинса.