Говоря в прошлый раз о химиках, которые могут стать нобелевскими лауреатами, мы признали всю бессмысленность этих рассуждений. Угадать лауреата Нобелевской премии текущего года крайне маловероятно из-за непредсказуемости выбора и очень большого множества претендентов. Если бы премией отмечались наиболее значимые достижения последнего года, пяти лет или десятилетия, то еще можно было бы попытаться определить, на кого падет этот выбор. Но порой премию получают ученые, которые ждали своей очереди несколько десятков лет.
Возможно, чемпион по длительности такого ожидания - американец Фрэнсис Пейтон Роус, открывший в 1911 году онкогенные вирусы. Он получил Нобелевскую премию лишь в 1966, хотя впервые выдвинут на премию был в 1926 году, и выдвигался с тех пор неоднократно. Англичанин Роберт Джеффри Эдвардс начал работы по искусственному оплодотворению в 1960-х, но даже если мы будем считать от момента рождения в 1978 году Луизы Браун, первого «ребенка из пробирки», то премии Эдвардсу пришлось ждать 32 года. Такие случаи бывают не только у медиков. Недавние лауреаты Питер Хиггс и Франсуа Англер написали свои статьи, описывающие «хиггсовский механизм» в 1964 году, то есть премия им была присуждена через почти 49 лет.
Но бывают и исключения. Синъя Яманака, благодаря работам которого название «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки» должен знать каждый, претендующий на осведомленность в современной биологии, получил Нобелевскую премию в 2010 году. А работы по получению этих клеток были проведены им в 2006 (на мышах) и 2007 (на людях). Столь малый период ожидания позволил Яманаке получить премию в молодом по нобелевским меркам возрасте - 48 лет. Но это действительно редкое исключение и эпохальное открытие.
Отчасти разумным занятием можно счесть разве что попытку перечислить значимые открытия, которые вполне достойны премии. На этот раз мы попробуем это сделать с достижениями в области, которая в завещании Альфреда Нобеля названа «физиология и медицина».
Аутофагия - генеральная уборка клетки
Это явление было открыто и описано в 1950-х - 1960-х годах, но тогда казалось не очень важным в жизни клетки. Аутофагия представляет собой разрушение каких-либо компонентов клетки внутри ее лизосом. Участок клеточной мембраны изгибается, окружая тот орган, который надо уничтожить, в итоге получается пузырек - аутофагосома. Далее аутофагосома сливается с лизосомой, где специальные ферметы расщепляют содержимое аутофагосомы и выделяют в цитоплазму те вещества, которые клет может использовать повторно. Видимо, аутофагия возникла в ходе эволюции в качестве способа выживания клетки в условиях дефицита питательных веществ. Она же играет роль в избавлении клетки от поврежденных и неправильно работающих органов, ненужных белков.
В 1990-х годах механизмы аутофагии стал подробно изучать Дэниел Клёнски (Daniel J. Klionsky) из США, а также японские ученые Нобору Мицусима (Noboru Mizushima) и Йосинори Осуми (Yoshinori Ohsumi). Они установили, какие белки в клетке контролируют этот процесс, описали более 30 генов, кодирующих такие белки. Изучение аутофагии важно для медицины, так как нарушения этого процесса могут быть причиной ряда заболеваний. Болезнь Крона (хроническое воспаление желудочно-кишечного тракта), по предположению ряда ученых, связана с дисфункцией системы аутофагии. Иногда аутофагия может стать противником врача. Раковые клетки порой испытывают голодание, когда опухоль недостаточно снабжается кровью. В этом случае они активно используют аутофагию, переваривая собственные органеллы, чтобы остаться в живых. Значит при терапии нужно уметь подавлять аутофагию опухолевых клеток.
Но слабая аутофагия в обычных клетках напротив может привести к возникновению онкологического заболевания. В процессе деятельности митохондрии в цитоплазму клетки выделяются активные формы кислорода. В нормальном случае их количество («редокс-статус») невелико. Но поврежденная митохондрия может выделять слишком много свободных радикалов, которые, проникая в клеточное ядро, будут окислять ДНК и повышать вероятность онкологического перерождения клетки. Нобору Мицусима, в частности, показал на опыте с мышами, у которых были подавлены гены, определяющие аутофагию, насколько быстрее у них возникали опухоли.
Сбои в работе этого механизма причастны и к нейродегенеративным расстройствам, таким как болезнь Альцгеймера или хорея Гентингтона. Аутофагосомы формируются не до конца, в результате они не могут доставить свое содержимое к месту утилизации, а скапливаются вместо этого в аксоне - длинном отростке нервной клетки. В результате аксон раздувается и появляется амилоидная бляшка - характерный признак старения нервных клеток. Важна аутофагия и для иммунной системы организма. Аутофагосомы участвуют в доставке патогенных белков к толл-подобным рецепторам, распознают микроорганизмы и активируют клеточный иммунный ответ.
Метилирование ДНК и экспрессия генов
Как известно, в молекуле ДНК строится цепочка нуклеотидов. Их может быть четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. В случае, если за цитозином в цепочке сразу следует гуанин, к цитозину может прикрепиться метильная группа (-СH3). Это и есть метилирование ДНК. Последовательность цитозин-гуанин принято называть CpG-сайтом или CpG-динуклеотидом. Осуществляют метилирование особые ферменты - ДНК-метилтрансферазы.
Метилирование - важнейший инструмент "включения" и "отключения" генов. Ген, в котором много метилированных CpG-сайтов перестает читаться, а значит прекращается синтез соответствующего белка. Изменение активности генов необходимо для жизни организма. Есть гены, которые в начале развития не работают, а включаются позднее. Другие напротив активных на ранних этапах развития, а потом их экспрессия прекращается. При этом цепочка ДНК остается одной и той же. Если ДНК можно сравнить с текстом, то метилирование создает дополнительные пометки в этом тексте: «здесь читать», «здесь не читать». Жить без метилирования нельзя. Если дезактивирать у мышей ген, кодирующий ДНК-метилтрансферазу, развитие эмбриона прерывается на ранних стадиях. Однако сбои в работе этого механизма связаны с целым рядом болезней, а также с процессом старения.
Роль метилирования в экспрессии генов млекопитающих была открыта израильскими учеными Говардом Седаром (Howard Cedar) и Аароном Разиным (Aharon Razin). Эдинбургский исследователь Эдриан Бёрд (Adrian P. Bird) также сильно продвинул эти исследования. В частности им было установлено, что мутация в гене МЕСР2 приводит к возникновению психоневрологического заболевания - синдрома Ретта. В нормальном случае белок, кодируемый геном МЕСР2, при помощи метилирования отключает некоторые другие гены. Если они отключены вовремя, развитие эмбриона проходит нормально. Если же ген МЕСР2 не сработал, то в возрасте чуть больше года у ребенка разовьется тяжелая умственная отсталость. Так как ген МЕСР2 находится в Х-хромосоме, мальчики, у которых такая хромосома одна, в случае его патологии просто погибают не родившись. У девочек же две Х-хромосомы, если работа гена нарушена только в одной из них, ребенок сможет родиться. Поэтому синдром Ретта наблюдается только у девочек.
Белок HER2 и борьба с ним
Этот белок, кодируемый геном ERBB2, был исследован Деннисом Сламоном (Dennis J. Slamon) и его коллегами в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. На тот момент уже было известно, что повышенная экспрессия того гена приводит к особо опасной форме рака молочных желез. Сламону удалось обнаружить моноклональное антитело, которое блокировало этот белок. На основе этого антитела было создано лекарство герцептин (трастзумаб). Одновременно работа Сламона показала, что рак груди не единое заболевания, и разновидности его, вызванные другими генами, нуждаются в другой терапии.
«Белки-дуэньи»
Длинные молекулы белков, как известно, не болтаются как попало, они свернуты в разнообразные клубки (третичные структуры), каждый белок - по своему «индивидуальному проекту». Форма молекулярной цепочки белка определяет его свойства. При нагревании третичные структуры белков нарушаются - клубки разматываются. Когда температура снова падает, цепочки стремятся свернуться вновь, но есть риск, что они сделают это неправильно, поэтому не смогут функционировать. Избежать этого помогают особые «белки теплового шока» ( heat shock proteins ), которые связываются с другими белками, препятствуя их неправильному сворачиванию и способствуя правильному. Один из видов таких белков называется «молекулярными шаперонами». Они действуют не только в случае теплового шока, но и при формировании белковой молекулы помогают ей принять правильную форму. Решающий вклад в понимание этого процесса внесли в 1970-е - 1980-е годы британец Реджинальд Джон Эллис (R. John Ellis), немец Франц-Ульрих Хартл (F. Ulrich Hartl) и американец Артур Хорвич (Arthur Horwich).
Слова chaperone было в XVIII веке заимствовано в английский язык из французского. Первоначальное значение этого слова «головной убор, капюшон». Однако во французском языке оно стало обозначать также няню, наставницу, пожилую жензину, которая сопровождает юную девушку на балах и вообще в публичных местах, следить, чтобы та прилично себя вела и дает ей наставления. У нас известнее испанское название такой женщины - дуэнья. Белки-шапероны тоже следят, чтобы другие белки вели себя хорошо и сворачивались в правильные третичные структуры.
Открытий в области биологии сделано немало, и многие из них весьма важны, так что в следующий раз нам предстоит продолжить разговор о потенциальных лауреатах Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
Лекарства от лейкоза
В конце 1990-х годов британец Николас Лайдон (Nicholas B. Lydon), американцы Чарльз Сойерс (Charles L. Sawyers), Брайн Друкер (Brian J. Druker) совместно с несколькими другими исследователями разработали новое лекарство для лечения хронического миелобластного лейкоза. Оно получило название иматиниб. Его разработали с помощью рационального дизайна лекарств. Было установлено, что существует особого рода мутация, при которой две хромосомы, в данном случае девятая и двадцать вторая хромосомы, обмениваются своими участками («филадельфийская хромосома»). В результате этой мутации в организме синтезируется новый белок BCR-ABL, который ответственен за развитие миелобластного лейкоза. Когда всё это стало ясным, ученый стали искать, какое бы вещество ингибировало этот вредоносный белок. Современные программы позволяют значительно ускорить такой поиск, анализируя «библиотеки» химических веществ и отбирает те, молекулы которых могут обладать нужным свойство. В результате было найдено вещество 2-фаниламинопиримидин. Исследователи модифицировали его молекулу, так и получился иматиниб. В дальнейшем разработчики создали кристаллическую соль мезилата иматиниба, получившую в фармацевтике название «Гливек».
Применение нового лекарства было разрешено в США в мая 2001 года, после двухлетних клинических испытания. Журнал «Тайм» поместил изображение лекарства на обложку, назвав его «пулей» против рака. В 2009 году Друкер, Лайдон и Сойерс получили премию Ласкера-Дебейки (Lasker-DeBakey Clinical Medical Research Award) за то, что им удалось «превратить смертельный рак в контролируемое хроническое заболевание».
Существенный недостаток этого лекарства - высокая цена, делающая его недоступным для многих больных даже в США. В 2013 году более сотни онкологов, в том числе и Брайан Друкер, опубликовали научном журнале Blood открытое письмо, в котором назвали аморальной цену, требуемую за лекарство производителем - компанией Novartis. В 2001 году стоимость годового курса иматиниба составляла 30 тысяч долларов, но к 2012 году она возросла до 92 тысяч, что приносит производители 4,2 млрд. долларов в год. Ученые утверждают, что расходы разработку и клинические испытания лекарства были покрыты первым миллиардом долларов, вырученным компанией, всё остальное составляет чистую прибыль.
В 2006 году ученые разработали новое средство дазатиниб, которое эффективно против тех разновидностей мутантного гена, которые устойчивы к иматинибу. Препарат был назван в честь одного из разработчиков Джагабанду Даса (Jagabandhu Das).
Запчасти для человека
Последние годы всё чаще заходит речь о технологиях выращивания тканей и целых органов (tissue engineering). Для этого используют индуцированные стволовые клетки (iPS-клетки), то есть стволовые клетки, полученные из обычных соматических путем специальных генетических манипуляций. Пока дело не дошло до экспериментов на живых людях, исследования проводятся лишь на клеточных культурах и мышах, но многие результаты весьма впечатляют. Мы публиковали ранее обзор экспериментов по выращиванию органов, проведенных в 2013 году.
Среди вероятных кандидатов на Нобелевскую премию в этой сфере нужно назвать Роберта Ленджера (Robert S. Langer), профессора Массачусетского технологического института, специалиста по биоинженерии. В области создания органов он и возглавляемая им лаборатория известны удачными экспериментами по выращиванию новых кровеносных сосудов и мышечной ткани. В лаборатории Ленджера разрабатываются методы создание новых органов на основе каркаса из биополимера. Ленджеру принадлежит более 1000 патентов в области биоинженерии, он автор около 1200 научных статей и за время работы был причастен к основанию более чем 20 компаний, работающих в области высокотехнологичной медицины.
Следует заметить, что у Роберта Ленджера найдется немало заслуг, даже если не учитывать его работы по созданию новых органов. Он разработал ряд методов доставки в организм лекарств прямо через кожу, без использования инъекций. Например, сонофорез, при котором раскрытие пор кожи для проникновения лекарственного вещества достигается при помощи ультразвука. Совместно с другими учеными он создал ингибитор ангиогенеза, макромолекулу, полезную для борьбы с опухолями. Ангиогенез - создание новых кровеносных сосудов - определяющий процесс для развития опухоли, так как растущая масса клеток нуждается в питании. Если затормозить этот процесс, опухолевые клетки погибнут. Ленджер разработал систему, доставки этого ингибитора, непосредственно к опухоли, чтобы он сработал ровно там, где нужно. Затем он со своими коллегами продолжил разработку систем, доставляющих лекарство в нужную точку организма.
Другой исследователь, работающий над выращиванием новых органов и тканей, которого необходимо тут упомянуть, это Джозеф Ваканти (Joseph P. Vacanti), хирург и директор лаборатории (Laboratory for Tissue Engineering and Organ Fabrication) в Бостоне. Под его руководством в частности в конце 2010 года была создана модель искусственного легкого, имплантируемого в организм пациента. Обычно люди, которые нуждаются в пересадке легкого, ожидают подходящего донорского органа в больнице, подсоединенные к аппарату искусственной вентиляции легких. По замыслу Ваканти и его коллег, их модель легкого может некоторое время работать непосредственно в организме. Ранее в 1997 году множество изданий опубликовали фотографии человеческого уха, выращенного на спине лабораторной мыши - это тоже работа Джозефа Ваканти, сделанная совместно с его братом Чарльзом.
Загадочный тимус
Тимус - это орган, расположенный в верхней части грудной клетки, приблизительно там, где трахея разделяется на два бронха. Другое название тимуса - вилочковая железа. По форме он действительно похож на двузубую вилку. У новорожденного тимус очень большой, но с возрастом он уменьшается, а к старости и вовсе исчезает.
Долгое время функции вилочковой железы были неясны. Из-за большого количества разрушающихся лейкоцитов, которые обнаруживались в ней, железу часто считали «кладбищем лейкоцитов», не находя других ее функций. Или вовсе считали ее рудиментарным органом, не приносящим никакой пользы.
Всё изменилось в 1961 году, когда австралийский биолог Жак Миллер (Jacques F. A. P. Miller) провел несколько опытов на крысах. Он удалял тимус у крысят в возрасте трех дней. В результате обнаружилось, что у крысят снижался иммунитет: их организм не отторгал чужеродные ткани и не мог сопротивляться многим инфекциям. Одновременно Миллер обнаружил, что в организме мышей исчез один тип лимфоцитов. Миллер предложил назвать эти лимоциты Т-клетками (Т - в честь тимуса).
Позднее роль Т-лимфоцитов в иммунитете стала более ясной. Среди них есть Т-клеточные рецепторы, распознающие цель, Т-хелперы, активирующие иммунный ответ, и Т-киллеры, которые, собственно, уничтожают клетки, пораженные вирусами, бактериями или же опухолевые клетки. Образуются Т-клетки из стволовых клеток крови, которые из костного мозга попадают в тимус и там дифференцируются.
Также Жак Миллер открыл В-клетки, другой тип лимфоцитов. Название они получили от органа птиц, где были впервые обнаружены: Фабрициевой сумки (Bursa fabricii). У человека В-клетки образуются костном мозге, а на стадии эмбриона - также и в печени. Есть Т-лимфоциты относятся к клеточному механизму иммунитета, то В-лимфоциты - к гуморальному. Они не сами вступают в борьбу с врагом, это делают синтезируемые ими специфические белки - антитела. После того, как Т-хелперы активируют В-лимфоциты, те превращаются в плазматические клетки, которые и продуцируют антитела. Часть В-лимфоцитов при это превращается в В-клетки памяти. Они очень долго живут в организме, и если он повторно столкнется с той же угрозой, они обеспечивают быстрый иммунный ответ: воспроизводство тех антител, которые справились с ней в предыдущий раз. Американские исследователи Роберт Коффман (Robert L. Coffman) и Тимоти Мосман (Timothy R. Mosmann) выделили среди Т-хелперов два типа: TH1 и TH2. Лимфоциты TH1 активируют клетки-киллеры, а TH2 активируют В-лимфоциты.
