Легкое дыхание

Клещенко Е.
(«ХиЖ», 2019, №11)

Нобелевская премия 2019 года по физиологии или медицине присуждена Уильяму Кэлину-младшему (Гарвардская медицинская школа, Медицинский институт Говарда Хьюза, США), сэру Питеру Рэтклифу (Оксфордский университет, Институт Фрэнсиса Крика, Великобритания) и Грегу Семенце (Университет Джонса Хопкинса, США) за открытия в области чувствительности и адаптации живой клетки к изменениям концентрации кислорода.


Когда-то, давным-давно — скажем, три миллиарда лет назад, — земная жизнь прекрасно обходилась без кислорода. Да и зачем он нужен, этот универсальный окислитель, убийца биомолекул. Однако примерно 2,4 млрд лет назад на Земле произошла экологическая катастрофа («Химия и жизнь», 2016, 9). Формы жизни, практикующие фотосинтез, в качестве отхода производства углеводов из углекислого газа начали выделять О2 и чудовищно загрязнили им атмосферу. Первым заметным следствием этого события стало массовое вымирание древних организмов, вторым — появление форм, ставших нашими далекими предками. Есть обоснованное мнение, что именно благодаря росту концентрации кислорода возникла эукариотическая клетка с ядром и митохондриями, и в конечном счете многоклеточные формы жизни. Так что теперь эту катастрофу чаще называют Великой кислородной революцией — историю, как известно, пишут победители.

Эукариотическая клетка научилась использовать вредный окислитель, выделяемый зелеными растениями, для получения энергии — куда большего количества энергии, чем можно добыть другими способами. (Так гораздо позднее наши предки поставили себе на службу самую опасную стихию, огонь.) Кислород стал синонимом жизни: все понимают, что «перекрыть кислород» — это очень плохо, а «глоток кислорода» — наоборот, хорошо. Вредным окислителем он быть не перестал, и у каждой клетки имеются в наличии «противопожарные» средства для борьбы с активными формами кислорода, всякими радикалами и перекисями.

Но отсутствие кислорода для нас куда опаснее его присутствия. Детекторы нашего организма отслеживают концентрации кислорода и углекислого газа во внутренней среде не менее бдительно, чем сотрудники АЭС — показания приборов или участники торгов на бирже — курс важных акций: это вопрос жизни и смерти. И если концентрации подходят к красной черте, включаются разнообразные аварийные системы.

Никто не напоминает себе дышать интенсивнее во время пробежки, когда мышцы расходуют много энергии и насыщают кровь углекислым газом, или в разреженном горном воздухе, или когда мы выныриваем из воды, — это получается «само». Кавычки стоят потому, что в действительности за это отвечают нейроны дыхательного центра, которые получают информацию от хеморецепторов O2и CO2. Кстати, именно дыхательный центр запускает то, что традиционно считается началом человеческой жизни: первый наш самостоятельный вдох (и выдох, обычно с криком), когда после отрезания пуповины в крови растет концентрация углекислого газа. При дефиците кислорода в отдельно взятой ткани, например в той же активно работающей мышце, ее клетки могут перейти на анаэробный (бескислородный) тип метаболизма; его продукт — та самая молочная кислота, из-за которой после тренировки болят ноги и руки.

Помимо физиологического и биохимического уровней регуляции есть и клеточный. Когда человек с равнины попадает в горы, где парциальное давление кислорода в воздухе низкое, снижение уровня кислорода в крови воспринимают специальные клетки почек. Почки, в свою очередь, производят гормон эритропоэтин, который включает эритропоэз — производство эритроцитов в костном мозгу. Если в крови больше эритроцитов, они лучше справляются с доставкой кислорода (это и есть та самая причина, по которой эритропоэтин нелегально применяется как допинг). Связующие звенья молекулярной цепочки между кислородом в крови и гормоном эритропоэза обнаружили нобелевские лауреаты 2019 года.

Еще в конце 80-х, когда клонирование ДНК было передним краем науки, Грег Семенца и Питер Рэтклиф с коллегами независимо друг от друга установили, что определенный участок ДНК рядом с геном эритропоэтина EPO необходим для того, чтобы гипоксия запустила производство эритропоэтина. Этот участок Семенца назвал «элемент ответа на гипоксию» — hypoxia response element, HRE. Белок, который взаимодействовал с этим участком и появлялся в клетке при нехватке кислорода, без особых затей назвали «фактор, индуцируемый гипоксией» — hypoxia inducible factor, HIF). Он-то и включает ген эритропоэтина. Да, это очередная история о регуляции в эукариотической клетке — «внучка за бабку, бабка за дедку, дедка за репку…» — однако не такая длинная, как некоторые, и с довольно остроумной концовкой.

И Рэтклиф, и Семенца убедились в том, что HRE исправно работает в самых разных типах клеток: если эти клетки растут при недостатке кислорода, HRE активирует зависимый от него ген. Кстати, этим геном может быть не только EPO, есть и другие гены, регулируемые гипоксией по тому же механизму, через такой же регуляторный участок. Продукты их способствуют выживанию при низком содержании кислорода: ферменты бескислородного производства энергии (гликолиза), фактор роста эндотелия сосудов VEGF — чем больше сосудов в ткани, тем лучше она снабжается кислородом… Все это говорило о том, что изучаемый механизм универсален, а не предназначен, скажем, только для клеток почек, и роль его куда важнее, чем представлялось изначально. Интерес научного сообщества к HRE и HIF начал расти.

Семенце с соавторами удалось очистить HIF, определить аминокислотную последовательность и получить соответствующую ей комплементарную ДНК. Оказалось, что HIF, в свою очередь, состоит из двух белков: HIF-1α, чувствительного к кислороду, и второго, уже описанного ранее ARNT. Были открыты и другие белки, сходные с HIF-1α и функционально подобные ему.

Теперь мы знаем, что задачи HIF-1α не исчерпываются адаптацией к гипоксии. Например, он экспрессируется в стволовых клетках — предшественниках клеток крови и замедляет в них метаболизм, способствуя их «вечной молодости». Он играет важную роль в дифференцировке клеток и развитии организма, в частности при формировании сосудистой системы. Он необходим для выживания хондроцитов — клеток хряща, не самой богатой кислородом ткани. Делеция генов этого белка у млекопитающих ведет к смерти плода на поздних стадиях беременности или новорожденного.

Но остается еще одна часть истории: как наш выключатель переводится в положение «выкл»? Если кислорода достаточно, организму больше не нужно увеличивать количество эритроцитов и не нужен гормон эритропоэтин — как сказать «горшочек, не вари», куда девать HIF?

Было известно, что уровень HIF-1α регулируется не снижением активности гена или синтеза белка, а ускорением его распада: когда белок не нужен, его быстро расщепляют. Также удалось показать, что деградирует он обычным путем: к нему пришивают «черную метку» — молекулу убиквитина, которая означает для клетки, что данный белок свое отработал и его можно демонтировать. Не совсем обыкновенным, но логичным было то, что этот процесс зависел от присутствия кислорода.

Группа Кэлина в 1995 году опубликовала полную последовательность гена, кодирующего VHL — белок-онкосупрессор, подавляющий рост опухолей; мутации в гене таких белков приводят к онкологическим заболеваниям. То, что это именно онкосупрессор, как раз и установила группа Кэлина, а в 1996 году они показали также, что многие гены-мишени HIF активнее экспрессируются в клетках с мутантным геном белка VHL. Потом выяснилось (при участии Рэтклиффа с коллегами), что VHL вовлечен в убиквитинилирование HIF-1α, но только при нормальном содержании кислорода в среде.

pic_2019_11_21.jpg

Что узнали нобелевские лауреаты о том, как клетка приспосабливается к низкому уровню кислорода. Когда он низкий, HIF-1α защищен от деградации и накапливается в ядре, где связывается с ARNT и взаимодействует с участками HRE, активируя все гены, необходимые для адаптации к гипоксии. При нормальном уровне кислорода к HIF-1α добавляются ОН-группы, а когда он гидроксилирован, с ним легко взаимодействует белок VHL и подает сигнал к его расщеплению — гены адаптации кислорода оказываются выключенными

Как именно система узнает о повышении концентрации кислорода? Оказалось — очень изящным способом. В присутствии кислорода специальный фермент присоединяет ОН-группы к двум остаткам аминокислоты пролина в составе HIF-1α, тем самым увеличивает его способность связываться с VHL и направляет на путь разрушения (это установили также Рэтклиф и Кэлин). Есть кислород — нет HIF, эритропоэз замедляется. Нет кислорода — VHL не распознает HIF, и тот выполняет свою функцию. (На самом деле у перестраховщицы природы есть еще запасной механизм, при котором гидроксильные группы пришиваются к другой аминокислоте HIF-1α, и он не деградирует, а просто теряет активность.)

История на этом не оканчивается — например, совсем недавно вышли статьи, в том числе и группы Кэлина, о том, как гипоксия регулирует метилирование белков-гистонов, на которые намотана ДНК, то есть еще и таким, эпигенетическим путем влияет на экспрессию генов. (HIF в этом, по-видимому, не участвует.)

И конечно, практическое применение открытия еще впереди. Ферменты, присоединяющие ОН-группы к HIF-1α — пролингидроксилазы, — стали перспективной мишенью для фармакологии: вещество, которое сможет прицельно отключать эти ферменты, очевидно, может стать лекарством от анемии, и такие лекарства уже проходят клинические испытания. HIF важен для функционирования иммунной системы, формирования сосудов и хрящей, заживления ран, восстановления нервной системы после повреждений; воздействие на него может быть полезным при онкологических заболеваниях, в том числе вызванных мутациями в гене VHL.

Ну а если мы помечтаем об освоении Марса и выживании человека в бедной кислородом атмосфере — в аптечку колониста надо будет включить ингибитор пролингидроксилаз или HIF-1α, упакованный в наночастицы. Если только удастся решить все остальные проблемы колонизации, на Марсе лауреатам Нобелевской премии 2019 года непременно поставят памятник.

123

Разные разности

07.08.2020 16:00:00

Планета Проксима b не случайно привлекает пристальное внимание астрономов. Ведь сразу после ее открытия выяснилось, что это почти Земля: массу оценили в 1,3 земных, причем расположена планета в обитаемой зоне, где возможна жидкая вода. Теперь же к расследованию присоединился точнейший спектрограф ESPRESSO.

>>
07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>