Слухаючи наше дихання

У 2019 році Нобелівську премію з фізіології або медицини присудили за дослідження реакції клітин на брак кисню. Троє лауреатів - два американці і один британець - протягом десяти років по крихтах відновлювали механізм того, як клітини поводяться в стресовій ситуації і як вони посилають сигнал лиха назовні, в кров і навколишні тканини. Попутно з'ясувалося, що ці сигнали тривоги можна як штучно придушити - і лікувати таким чином рак, так і посилити - і позбавити людей від нестачі кисню, а ще - дозувати, керуючи долею окремо взятих клітин. Відсутність кисню виявилася не менш важливою для життя організму, ніж його присутність.

Відкриття для підручників

Хоча премія, що за традицією відкриває Нобелівський тиждень, і присуджується «за відкриття в галузі фізіології або медицини», відзначаються нею дослідження, як правило, не можна однозначно віднести до однієї з цих областей. Кожен раз мова йде про якусь проблему на стику фундаментальної і прикладної науки, і, повинно бути, Нобелівському комітету нелегко рік за роком утримувати цю рівновагу.

У 2017 році ваги схилилися в бік теорії: премія дісталася групі вчених, які досліджували молекулярний механізм біологічних ритмів (докладніше про це - в нашому матеріалі «Хід годинника лише однозвучний»). Незважаючи на те, що темою внутрішньоклітинного годинника останнім часом цікавиться безліч наукових колективів, до реальних ліків, які могли б скорегувати їх хід, вчені поки не дісталися.

У 2018 році маятник передбачувано хитнувся в інший бік: імунні чекпоінти - механізми гальмування імунної агресії, відкриті торішніми лауреатами премії, виявилися цікавими, в першу чергу, з практичної точки зору. На основі цих досліджень вже розроблені препарати, здатні, навпаки, «підганяти» імунітет і «нацьковувати» його на пухлинні клітини. До моменту присудження нагороди Шведської академії минулого року деякі з них вже застосовували на практиці (ми писали про це в матеріалі «Спустити собак з ланцюга»).

Цього разу варто було очікувати чергового рішення на користь фундаментальної науки, і воно було прийнято. Премію присудили за відкриття механізмів, що дозволяють клітці відчувати брак кисню, реагувати на неї і сигналізувати про це сусідам. У цього відкриття є, звичайно, і прикладне значення: на його основі вже створені препарати для боротьби з анемією і раком, і сьогодні вони знаходяться на різних етапах клінічних випробувань.

«Невже премію знову дали за ліки від раку?» - запитаєте ви. Насправді ж ліки від раку - лише один з приватних випадків застосування нового відкриття, тоді як саме по собі воно набагато глибше. "Вчені часто жартують з приводу" відкриття, яке увійде в підручники ", - прокоментував рішення Нобелівського комітету один з його членів, Рендал Джонсон. - Але зараз я б сказав, що ми дійсно маємо справу з відкриттям для підручників. Наші діти будуть проходити його на уроках біології з 12 років ".

Сигнал тривоги

Про те, що кисень необхідний для існування більшості організмів на Землі, в шкільних підручниках пишуть вже давно. Розповідають і про те, як кровоносна система регулює роботу дихання, - за це відкриття Нобелівську премію присудили ще в 1938 році. У сонній артерії є скупчення чутливих клітин, що реагують на концентрацію кисню в крові. Якщо вона знижується, то ці клітини викидають нейромедіатори, які змушують легені дихати активніше, а серце - битися швидше.

У 1980-х роках виявилося, що кількість кисню в крові небайдужа ще й ниркам. Як тільки його стає недостатньо, нирки виділяють гормон еритропоетин. Він діє на червоний кістковий мозок, прискорюючи утворення еритроцитів, щоб у кров «поміщалося» більше кисню.

Еритропоетин виділяється, наприклад, коли людина піднімається високо в гори, де повітря розріжене і містить менше кисню. Зараз його іноді використовують як допінг спортсмени, щоб підвищити ємність крові і посилити газообмін. Але іноді еритропоетину не вистачає, наприклад при нирковій недостатності, і тоді у людини розвивається анемія - в крові знижується число еритроцитів, а клітини задихаються без кисню.

Продовжуючи дослідження своїх попередників, Грегг Семенця (Gregg Semenza) з Університету Джонса Хопкінса зайнявся вивченням гена еритропоетину (). Він намагався обчислити відсутню ланку між концентрацією кисню і роботою (експресією) гена. Семенця шукав регуляторну область, яка запускає експресію гена у відповідь на гіпоксію.

У 1991 році пошуки увінчалися успіхом: шуканою областю виявилася маленька ділянка перед початком гена. У той же час сер Пітер Реткліфф (Peter Ratcliffe) з Оксфорда незалежно прийшов до того ж висновку: він показав, що якщо ген разом з цією невеликою регуляторною ділянкою пересадити в клітини пухлини печінки, то вони теж починають виробляти еритропоетин у відповідь на кисневе голодування.

Два роки потому Семенця виділив білковий комплекс, що запускав роботу, і назвав його HIF - hypoxia-inducible factor, тобто фактор, індукований гіпоксією. А потім виявилося, що HIF зв'язується з ДНК у всіх клітинах людського організму. У 1993 році група Семенці одночасно з колективом Реткліффа виявила, що в будь-якій клітці експресія генів змінюється при гіпоксії. Зараз відомо близько 300 генів, робота яких залежить від концентрації кисню.

Подальші дослідження Семенці показали, що комплекс HIF складається з двох частин: одна (ARNT) не залежить від кисню і працює як переносник, що доставляє весь комплекс в ядро, а інша з'являється в клітці тільки при гіпоксії. Цю білкову частину назвали HIF-1a. Пізніше з'ясувалося, що вона існує в клітці в декількох видах: є ще HIF-2a (який частіше називають EPAS1) і навіть HIF-3a.

Зараз ми знаємо, що різні варіанти HIF відповідають за різну реакцію на кисень. Наприклад, виділення еритропоетину в нирках регулює HIF-2a - він працює при хронічній, тривалій гіпоксії. А HIF-1а служить короткостроковим сигналом тривоги, він діє при гострій гіпоксії і може загальмувати поділ клітини або навіть викликати її смерть (апоптоз).

Таким чином, до 1995 року в загальних рисах стало зрозуміло, як HIF працює в клітинах: з якими послідовностями в геномі зв'язується і на які гени діє. Було також ясно, що кількість його в клітці може змінюватися і, судячи з усього, іноді його руйнує протеасома - внутрішньоклітинна молекулярна машина для знищення віджили своє білків. Однак вихідна проблема залишалася невирішеною: як і раніше було не ясно, як білковий комплекс HIF пов'язаний з концентрацією кисню.

Ігри з совістю

У 1995 році Вільям Келін (William Kaelin) з Інституту раку Дана-Фарбер займався загадкою хвороби Гіппеля-Ліндау. Це рідкісне генетичне захворювання, яке зустрічається приблизно один раз на 36 тисяч новонароджених, а проявляється як схильність до розвитку пухлин - гемангіобластоми, ангіоми, ниркової карциноми та інших.

Келін довів, що причиною хвороби є мутація в гені (von Hippel-Lindau-supressor). Він також зауважив, що за відсутності білка VHL в клітинах починали працювати ті ж гени, що і при гіпоксії.

У той час вже було відомо, що VHL може бути якось пов'язаний з протеасомами. А 1999 року виявилося, що VHL і HIF можуть взаємодіяти, але тільки в присутності кисню. І через кілька років Реткліфф і Келін, незалежно один від одного, знайшли між ними зв'язок.

Виявилося, що в клітці є ферменти - пролив-гідроксилази, які використовують кисень, щоб навісити на HIF додаткові ОН-групи. Після цього білок HIF змінює свою форму і краще зв'язується з білком VHL, який тягне його на вірну «смерть» в протеасому. За відсутності кисню весь цей ланцюжок не працює, HIF «залишається в живих» і відправляється в ядро, щоб вплинути там на експресію генів. Пазл склався.

Після того як вченим вдалося зібрати воєдино весь каскад, за допомогою якого клітина відповідає на відсутність кисню, стало зрозуміло, що пухлини можуть використовувати його в своїх цілях. Адже раковим клітинам, щоб рости, необхідні кисень і поживні речовини, а отже, потрібні судини. Багато пухлин буквально «паразитують» на білці HIF: вони змушують його працювати постійно, клітини раз за разом подають сигнал тривоги і викликають зростання судин в навколишній тканині.

Саме це, зокрема, відбувається у пацієнтів з хворобою Гіппеля-Ліндау: зламаний білок VHL виявляється не в силах знищити HIF, і клітини знову і знову «прикидаються» страждаючими від кисневого голодування, поки вся пухлина не проросте судинами.

Сьогодні відкрито відразу кілька способів заглушити цей уявний сигнал тривоги. Речовини, що блокують роботу HIF на різних стадіях, від побудови білка до переміщення в ядро і зв'язування з ДНК, фактично працюють як «внутрішньоклітинна совість» і гальмують зростання ракових клітин.

Багато з цих речовин зараз знаходяться на різних стадіях клінічних випробувань. Їх тестують як поодинці, так і разом з іншими методами лікування пухлин: блокада HIF заважає раковим клітинам пережити стрес від радіо- або хіміотерапії.

Але є ситуації, коли совість стає занадто суворою і не дає клітинам подати сигнал тривоги - наприклад, у пацієнтів з нирковою недостатністю або анемією. У їх випадку необхідно, навпаки, посилити роботу HIF. Для цього зараз існують препарати, що блокують пролілгідроксилази і не дають їм у присутності кисню навісити фатальну мітку на HIF. В даний час вони теж проходять клінічні тестування, більшість з них - вже в третій фазі, а значить, скоро можуть з'явитися на ринку.

Дірка від бублика

Але роботи нобелівських лауреатів цього року дали нам більше, ніж рецепт чергових ліків від раку і засоби від анемії. Своє головне відкриття вони зробили ще на початку шляху, в 1993 році, коли з'ясували, що кожна клітина організму реагує на дефіцит кисню по-своєму.

До цього вважалося, що це зона відповідальності невеликої кількості клітин у спеціалізованих органах - нирках і стінках судин. Насправді ж кисень має значення не тільки в масштабах цілого організму, а й для долі кожної клітини окремо.

Ми вже згадували, що залежно від сили стресу і тривалості кисневого голодування клітина може загинути або, навпаки, почати виробляти фактори зростання судин. Невеликий стрес може працювати як позитивний стимул, «струс», що змушує клітку розмножуватися і диференціюватися.

За той час, що минув з моменту відкриття HIF, вчені виявили у гіпоксії безліч несподіваних наслідків.

Відомо, наприклад, що в період ембріонального розвитку деякі групи клітин виявляються затиснуті між іншими - і в цей момент під дією гіпоксії вони перетворюються на майбутні хрящі.

Брак кисню використовують як один з факторів диференціювання для вирощування попередників нейронів або клітин стінки судин.

Є навіть роботи, що показують, що під дією інгібіторів пролілгідроксилаз, тобто в умовах підвищеної активності HIF, у мишей краще регенерують тканини. А в одному дослідженні за допомогою такої ж активації HIF вдалося поліпшити пам'ять у здорових мишей.

Таким чином, виходить, що брак кисню може не тільки загрожувати життю клітин, але і служити двигуном клітинної долі. У деяких випадках гіпоксія, така собі дірка від бублика, виявляється вигіднішою за самого бублика - наприклад, коли йдеться про регенерацію.

Всі ці експерименти поки не вилилися ні в які конкретні клінічні розробки, проте вони нагадують нам, що в пристрої внутрішньоклітинної сигналізації залишається ще чимало білих плям. Головною заслугою Вільяма Келіна, Пітера Реткліффа і Грегга Семенці стало те, що вони зафарбували одне з них, відкривши попутно нове поле для досліджень клітинної долі.

Ми звикли вважати, що Нобелівські премії присуджують за давні, майже забуті відкриття, які нарешті пройшли перевірку часом. Насправді ж, як і багато попередніх робіт, відзначених Нобелівським комітетом, дослідження гіпоксії знаходяться ще тільки в середині шляху. Справжнє застосування і справжнє визнання чекає їх попереду.