Семен Астахов (number_0ne) wrote,
Семен Астахов
number_0ne

Нобель за самоедство

Премию по физиологии и медицине 2016 года получил исследователь аутофагии

При желании Нобелевский комитет можно ругать за необъективность, за нерасторопность или даже за раздачу премий авансом. Но в одном комитет упрекнуть никак нельзя: в Каролинском институте умеют хранить интригу. Решение в номинации по физиологии и медицине это только подтверждает: премию вручили Ёсинори Осуми, отметив его очень важные, но уже довольно старые работы по аутофагии. Так что мы по-прежнему не знаем, достанется ли в этом году следующая, химическая премия, кому-то из первооткрывателей таких «ультрамодных» вещей, как система CRISPR, оптогенетика или лекарства от рака на основе химерных рецепторов. А может быть, дело вовсе не в сохранении интриги, а в простом посыле: важность вашей работы для науки никак не зависит от того, насколько «горяча» тема, над которой вы работаете. В таком случае судьба Ёсинори Осуми как нельзя лучше иллюстрирует этот тезис.
Биографию Осуми нельзя назвать насыщенной экстраординарными событиями. Он родился в 1945 году в Фукуоке, в 1963 году поступил в Университет Токио и там же работает до сих пор. После получения кандидатской степени и до возвращения на родину он работал в США, в Институте Рокфеллера. Первый научный интерес Осуми был связан с механизмом инициации трансляции — процессом, с которого начинается синтез белка в рибосоме. Забавно, что известность и нынешнюю премию ему принесли работы, полностью противоположные по теме. А именно о том, как белки и другие молекулы разрушаются и завершают свой жизненный цикл в клетке.
Картинки по запросу аутофобия

Нынешняя премия присуждена Осуми с формулировкой «за открытие механизма аутофагии». Здесь прежде всего надо пояснить, что сам термин «аутофагия» был сформулирован гораздо раньше, — в год, когда Осуми только поступил в университет. Автором термина стал Кристиан де Дюв, бельгийский цитолог и биохимик. И тоже, кстати, нобелевский лауреат — ему премия досталась гораздо раньше, еще в 1974 году («за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки»).
Появлению понятия аутофагии предшествовал забавный эксперимент, который де Дюв проводил в начале 50-х годов. Бельгиец занимался исследованием механизма действия инсулина и в ходе своей работы получал в центрифуге разные фракции из экстрактов печени (в те времена центрифуги были вообще очень модными штуками и казались чуть ли не вершиной технологического развития). Один из ферментов, за которым следил де Дюв, после центрифугирования экстракта неожиданно пропадал из цитоплазмы. Однако стоило фракции постоять несколько дней в холодильнике, как энзиматическая активность неожиданно возвращалась. Весьма необычно, если учитывать, что выделенные из клетки ферменты со временем как правило не приобретают, а довольно быстро теряют свою активность.
Исследуя этот феномен, де Дюв постепенно выяснил, что далеко не все клеточные ферменты плавают прямо внутри клетки, в цитозоле. Как оказалось, довольно значительная их часть существует отдельно, в специальных, окруженных мембранами органеллах, которые исследователь назвал лизосомами (разрушением лизосом как раз и объяснялось «воскрешение» ферментативной активности). И одной из важнейших функций лизосом де Дюв провозгласил как раз аутофагию — т. е. способность клеток разрушать и переваривать собственное содержимое.
Прежде чем двинуться дальше, следует пояснить, что с лизосомами есть некая терминологическая путаница, связанная во многом с тем, что поначалу их исследовали чисто описательными, цитологическими методами. Лизосомой в узком смысле называется окруженный мембраной внутриклеточный пузырек, который наполнен ферментами, как правило очень любящими кислую среду. Внешне такой же пузырек, который клетка захватывает из внешней среды, называется фагосомой, а процесс ее формирования — фагоцитозом. Когда лизосома сливается с фагосомой, ферменты из первой переходят во вторую и получается единый пузырек, вторичная лизосома — так, например, происходит внутриклеточное пищеварение у амеб или у наших защитных клеток фагоцитов.

Переваривание клеточного содержимого начинается тогда, когда аутофагосома сливается с содержащей ферменты лизосомой.

Однако в основе аутофагии лежит немного другой процесс — образование из мембранных пузырьков аутофагосом, которые окружены не одинарной, а двойной мембраной. В аутофагосому попадает не внешнее, как у фагосомы, а внутренне содержимое. Когда такая аутофагосома сливается с лизосомой, внутренняя мембрана разрушается и в конце концов все сводится к тому же самому процессу — начинается такое же внутриклеточное пищеварение, как и в случае с амебой и бактериями.
С самого начала было понятно, что аутофагия может иметь важную роль в контроле качества внутриклеточных молекул и вообще в обновлении организма. А следовательно, механизмы аутофагии могут быть непосредственно связаны с патологическими нарушениями этих процессов, которые требуют лечения. Однако биологи 60-х и 70-х годов были слишком заняты открытием таких вещей, как фундаментальные основы репликации, установление структуры рибосом и определение механизма синтеза белка. Обращать внимание на такие «вторичные» вещи, как внутриклеточная уборка мусора, никому не хотелось. В результате такого пренебрежения в теме исследования аутофагии после работ Кристиана де Дюва и до прихода Ёсинори Осуми почти ничего интересного и не произошло. Было ясно, что аутофагия наблюдается у ядерных организмов почти повсеместно, плюс к этому были открыты некоторые факторы, которые ее либо стимулируют, либо ингибируют. На главные вопросы: как регулируется аутофагия, как появляются аутофагосомы, какие гены и белки вовлечены в этот процесс, — у биологов ответа не было.
Если попробовать свести секрет научного успеха Ёсинори Осуми к каким-то простым максимам, то их, пожалуй, будет всего две: беритесь за тему, на которую никто не обращает внимания, и из всех возможных выбирайте самый простой объект.
До Осуми аутофагию пытались изучать на мышах, культурах человеческих и животных клеток и других подобных системах. Японец же выбрал обычные пекарские дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, — самые простые, самые изученные и самые удобные для генетических манипуляций эукариотические организмы. Дальнейшая логика его работы была следующая: если мы хотим точно определить молекулярный механизм аутофагии, нам нужно найти белки, которые его осуществляют. Чтобы найти эти белки, надо «поймать» гены, поломка которых приводит к остановке аутофагии. А чтобы найти такие гены, нужно найти подходящий способ, который позволил бы быстро и надежно узнать — нарушена аутофагия у данного конкретного мутантного штамма дрожжей или нет. Желательно, на глаз.
Для этого Осуми стал выращивать дрожжи на специальной бедной среде — чтобы клетки начинали активно «поедать» свое собственное содержимое. Но при этом исследователь нашел способ выборочно заблокировать у таких дрожжей работу ферментов в лизосомах — чтобы цитоплазматическое содержимое в них активно захватывалось, но при этом не могло перевариться. Сочетание бедной среды и ингибиторов приводило к накоплению крупных дисфункциональных лизосом, которые были хорошо видны даже в световой микроскоп.

Электронная микрофотография дрожжевой клетки с огромной лизосомой (вакуолью), образованной при выращивании штамма с ингибированными ферментами на бедной среде. Стрелкой показан фрагмент цитозоля, захваченный в аутофагосому — аутофагосомное тело. Иллюстрация из ключевой статьи Осуми 1993 года.
Имея в своем распоряжении такую систему, Ёсинори Осуми мог, наконец, начать мутагенез — он вводил в геном дрожжей случайные мутации и искал гены, которые участвуют в аутофагии. Если какая-то случайная мутация затрагивала важный для процесса ген, в клетке переставали накапливаться переполненные лизосомы, что можно было заметить на препаратах.
Таким образом, в самом начале 1990-х ученому удалось открыть первый участвующий в аутофагии ген — APG1 (от autophagy gene). Он, как оказалось, был только малой частью обширной системы, повсеместно распространенной у ядерных организмов. Описание работы, в ходе которой Осуми на пару со своим студентом удалось найти первые 15 генов, было опубликовано в качественном, но скромном журнале FEBS Letters. Сейчас у этой статьи более тысячи цитирований и она, надо полагать, дает журналу значительную долю индекса престижности.
Так, вооружившись дрожжевой модельной системой, Осуми и его коллеги сумели за десяток лет разобрать всю систему аутофагии «на косточки». Подробности того, какие из белков APG и их человеческих гомологов друг друга модифицируют, соединяют в комплексы и фосфорилируют навряд ли могут сильно заинтересовать читателя, однако несколько важных вещей об этой системе надо сказать.
Во-первых, активация аутофагии приводит к цепи реакций, ключевым моментом которой является физическое закрепление белка APG-8 на клеточной мембране — с этого момента и начинается рост аутофагосомы. Во-вторых, многие из генов APG отдаленно гомологичны убиквитину, ключевому элементу в системе протеасомальной деградации белков. Это родство неожиданным образом объединяет две принципиально разные системы, отвечающие за уничтожение клеточного мусора: протеасомы и лизосомы.
В-третьих, оказалось, что уровень аутофагии в клетке (и организме) напрямую зависит от общего уровня энергии: чем меньше «энергетической валюты», АТФ, тем активнее идет «самоедство». Регулируется это за счет белка, кодируемого геном TOR, — при высоком уровне АТФ он ингибирует образование комплекса белков APG, который запускает образование аутофагосом. Как только энергии начинает не хватать, TOR выключается и аутофагия ускоряется.
Именно поэтому вещества, ингибирующие TOR, могут быть стимуляторами клеточного обновления. Одно из таких веществ, рапамицин, является самым хорошим на сегодняшний день кандидатом в «таблетки от старости» (но мы, я надеюсь, четко понимаем, что «хороший кандидат» и «действующее лекарство» это две принципиально разные вещи). В общих чертах механизм работы таких гипотетических таблеток понятен: чем активнее аутофагия, тем лучше обновляется клеточное содержимое, организм омолаживается на клеточном уровне. Однако дьявол, как водится, в деталях. На сегодняшний день былых восторгов рапамицин у специалистов по старению давно не вызывает. Но это не значит, что в будущем ученые не найдут какую-то другую, более эффективную и безопасную «молекулярную кнопку» для стимуляции аутофагии.
Ну и в-четвертных, работа генов APG важна при самых разных заболеваниях, связанных с деградацией белков. Это и нейродегенеративные заболевания, и рак, и бактериальные и вирусные инфекции. Выживание при голодании и эмбриональное развитие также невозможны без этих генов. И хотя лекарств, непосредственно направленных на коррекцию их работы, пока нет, ожидать их появления можно уже в ближайшее время — достаточно посмотреть на экспоненциально растущий вал статей, начавшийся с небольшой работы скромного японца в FEBS Letters.

Источник
Tags: аутофобия, нобелевская премия, нобель
Subscribe
Buy for 10 tokens
Buy promo for minimal price.
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments