Століттями ми розуміємо фундаментальне значення кисню, але як саме клітини адаптуються до змін його рівня, невідомо. Вільям Каелін-молодший, сер Пітер Дж. Раткліфф та Грегг Л. Семенца виявили, як клітини можуть відчувати й адаптуватися до змін доступності кисню. Вони визначили молекулярний механізм, який регулює активність генів у відповідь на різний рівень кисню. Відкриття цьогорічних лауреатів Нобелівської премії представило механізм одного з найважливіших адаптаційних процесів у житті та проклало шлях до перспективних нових стратегій боротьби з анемією, раком та багатьма іншими захворюваннями.
Кисень у центрі уваги
Кисень (формула O2) становить близько 1/5 атмосфери Землі. Він використовується мітохондріями для перетворення їжі в корисну енергію. Отто Варбург (Otto Warburg), лауреат Нобелівської премії з фізики та медицини 1931 р., виявив, що це перетворення є ферментативним процесом.
У каротидному синусі містяться спеціалізовані клітини, що відчувають рівень кисню в крові. Корнель Хейманс (Corneille Heymans) був нагороджений Нобелівською премією з фізіології та медицини 1938 р. за відкриття, за результатами якого показано, як вимірювання кисню в крові через каротидний синус контролює частоту дихання у людини.
Гіпоксія-індукований фактор
Окрім швидкої адаптації каротидного синуса до низького рівня кисню (гіпоксія), існують і інші механізми. Ключовою фізіологічною відповіддю на гіпоксію є підвищення рівня гормону еритропоетину, що призводить до еритропоезу. Важливість гормонального контролю еритропоезу була відома вже на початку XX ст., але залишалося загадкою, як цей процес сам контролювався за допомогою O2.
Семенца вивчав ген еритропоетину і те, як він регулюється під час зміни рівня кисню. Використовуючи генно-модифікованих мишей, було показано, що специфічні сегменти дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), що містяться поруч із геном еритропоетину, опосередковують відповідь на гіпоксію. Раткліфф також вивчав O2-залежну регуляцію гена еритропоетину, і обидві групи дослідників виявили, що механізм сприймання кисню наявний практично у всіх тканинах, а не лише у клітинах нирок, де зазвичай виробляється еритропоетин. Це були важливі результати, які показали, що механізм є загальним у багатьох різних типах клітин.
Г.Л. Семенца бажав виявити клітинні компоненти, що опосередковують цю відповідь. У культивованих клітинах печінки він знайшов білковий комплекс, який зв’язується з ідентифікованим сегментом ДНК залежно від рівня кисню. Цей комплекс був названий гіпоксія-індукований фактор (hypoxia–inducible factor — HIF). З того часу зроблені великі зусилля щодо виокремлення комплексу HIF, і в 1995 р. Г.Л. Семенца опублікував деякі результати, включаючи ідентифікацію генів, які кодують HIF. Встановлено, що HIF складається із двох різних ДНК-зв’язувальних білків, так званих факторів транскрипції, які тепер називаються HIF-1α та ARNT. Відтоді науковці почали визначати, які додаткові компоненти задіяні, а також, як працює механізм.
Хвороба фон Гіппеля — Ліндау
При високому рівні кисню клітини містять дуже мало HIF-1α. У разі низького рівня кисню кількість HIF-1α збільшується, у результаті чого комплекс зв’язується і таким чином регулює ген еритропоетину, а також інші гени (рисунок). Кілька груп дослідників показали, що HIF-1α, який зазвичай швидко руйнується, захищений при гіпоксії. При нормальному рівні кисню клітинний апарат, який називається протеасомою, руйнує HIF-1α. За відкриття протеасоми Аарон Цехановер (Aaron Ciechanover), Аврам Гершко (Avram Hershko) та Ірвін Роуз (Irwin Rose) отримали Нобелівську премію з хімії у 2004 р. У таких умовах невеликий пептид, убіквітин, приєднується до білка HIF-1α. Убіквітин функціонує як мітка для білків, призначених для руйнування в протеасомі. Як убіквітин зв’язується з HIF-1α залежно від кисню — залишається головним запитанням.
Відповідь надійшла несподівано. Приблизно в той же час, коли Г.Л. Семенца і П.Дж. Раткліфф працювали над регуляцією гена еритропоетину, В. Каелін-молодший вивчав хворобу фон Гіппеля — Ліндау (von Hippel — Lindau’s — VHL). Це генетичне захворювання призводить до різко підвищеного ризику виникнення певних онкологічних захворювань у родинах зі спадковими мутаціями VHL. Вчений показав, що ген VHL кодує білок, який запобігає виникненню раку. А також визначив, що ракові клітини, яким не вистачає функціонального гена VHL, експресують аномально високі рівні регульованих гіпоксією генів. Але коли ген VHL був знову введений у ракові клітини, нормальний рівень відновився. Це було важливою підказкою щодо участі VHL у контролі реакцій на гіпоксію. Додаткові дані отримано від декількох груп дослідників, які показали, що VHL є частиною комплексу, що мітить білки убіквітином, маркуючи (відмічаючи) їх для руйнування у протеасомі. Далі П.Дж. Раткліфф та його дослідницька група зробили ключове відкриття: продемонстрували, що VHL може фізично взаємодіяти із HIF-1α і потрібен для його руйнування при нормальному рівні кисню. Це остаточно встановило зв’язок VHL із HIF-1α.
Рівновага завдяки кисню
Все ще бракувало розуміння того, як рівні O2 регулюють взаємодію між VHL та HIF-1α. Пошуки були зосереджені на певній частині білка HIF-1α, про яку відомо, що вона є важливим для VHL-залежного руйнування, і В. Каелін-молодший, і П.Дж. Раткліфф підозрювали, що ключ до чутливості до O2 знаходиться десь у цьому домені білка.
У 2001 р. у двох одночасно опублікованих публікаціях було показано, що при нормальному рівні кисню гідроксильні групи додаються у двох конкретних положеннях до HIF-1α (див. рисунок). Ця модифікація білка називається пролілгідроксилювання (prolyl hydroxylation), дозволяє VHL розпізнавати і зв’язуватися з HIF-1α і, таким чином, пояснює, як нормальні рівні кисню контролюють швидке руйнування HIF-1α за допомогою киснечутливих ферментів (так званих пролілгідроксилаз ). Подальші дослідження П.Дж. Раткліффа та інших визначили відповідальні пролілгідроксилази. Також показано, що функція активації генів HIF-1α регулюється певним процесом — гідроксилюванням, що, у свою чергу, залежить від кисню.
Перспективи
Завдяки новаторській роботі цих Нобелівських лауреатів ми знаємо набагато більше про те, як різні рівні кисню регулюють основні фізіологічні процеси. O2-чутливий механізм дозволяє клітинам пристосовувати свій метаболізм до низького рівня кисню: наприклад, у наших м’язах під час інтенсивних фізичних вправ. Цей механізм виявився важливим під час розвитку плода для контролю нормального утворення кровоносних судин та розвитку плаценти. Крім того, він виконує важливу роль у хворих на рак для стимулювання утворення кровоносних судин та перетворення обміну речовин для ефективної проліферації ракових клітин. Інтенсивні постійні зусилля в академічних лабораторіях та фармацевтичних компаніях зараз зосереджені на розробці препаратів, які можуть втручатися в різні хворобливі стани, або активуючи, або блокуючи киснево-чутливий механізм.
Долучайтеся до нас у Viber-спільноті, Telegram-каналі, Instagram, на сторінці Facebook, а також Twitter, щоб першими отримувати найсвіжіші та найактуальніші новини зі світу медицини.
Катерина Давіденко
за матеріалами пресрелізу офіційного ресурсу Нобелівської премії
(www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019)
