В 2018 году лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине стали двое ученых с разных концов света - Джеймс Эллисон из США и Тасуку Хондзё из Японии, - независимо открывшие и изучавшие один и тот же феномен. Они обнаружили два разных чекпоинта - механизма, с помощью которых организм подавляет активность Т-лимфоцитов, иммунных клеток-убийц. Если заблокировать эти механизмы, то Т-лимфоциты «выходят на свободу» и отправляются на битву с раковыми клетками. Это называют иммунотерапией рака, и она уже несколько лет применяется в клиниках.
Нобелевский комитет любит иммунологов: по меньшей мере каждая десятая премия по физиологии и медицине вручается за теоретические иммунологические работы. В этом же году речь зашла о практических достижениях. Нобелевские лауреаты 2018 года отмечены не столько за теоретические открытия, сколько за последствия этих открытий, которые уже шесть лет помогают онкобольным в борьбе с опухолями.
Общий принцип взаимодействия иммунной системы с опухолями выглядит следующим образом. В результате мутаций в клетках опухоли образуются белки, отличающиеся от «нормальных», к которым организм привык. Поэтому Т-клетки реагируют на них как на чужеродные объекты. В этом им помогают дендритные клетки - клетки-шпионы, которые ползают по тканям организма (за их открытие, кстати, присудили Нобелевскую премию в 2011 году). Они поглощают все проплывающие мимо белки, расщепляют их и выставляют получившиеся кусочки на свою поверхность в составе белкового комплекса MHC II (главный комплекс гистосовместимости , подробнее см.: Кобылы определяют, беременеть или нет, по главному комплексу гистосовместимости... соседа , «Элементы», 15.01.2018). С таким багажом дендритные клетки отправляются в ближайший лимфатический узел, где показывают (презентируют) эти кусочки пойманных белков Т-лимфоцитам. Если Т-киллер (цитотоксический лимфоцит, или лимфоцит-убийца) узнает эти белки-антигены своим рецептором, то он активируется - начинает размножаться, образуя клоны. Дальше клетки клона разбегаются по организму в поисках клеток-мишеней. На поверхности каждой клетки организма есть белковые комплексы MHC I, в которых висят кусочки внутриклеточных белков. Т-киллер ищет молекулу MHC I с антигеном-мишенью, который он может распознать своим рецептором. И как только распознавание произошло, Т-киллер убивает клетку-мишень, проделывая дырки в ее мембране и запуская в ней апоптоз (программу гибели).
Но этот механизм не всегда работает эффективно. Опухоль - это гетерогенная система клеток, которые используют самые разные способы ускользнуть от иммунной системы (об одном из недавно открытых таких способов читайте в новости Раковые клетки повышают свое разнообразие, сливаясь с иммунными клетками , «Элементы», 14.09.2018). Некоторые опухолевые клетки скрывают белки MHC со своей поверхности, другие уничтожают дефектные белки, третьи выделяют вещества, подавляющие работу иммунитета. И чем «злее» опухоль, тем меньше шансов у иммунной системы с ней справиться.
Классические методы борьбы с опухолью предполагают разные способы убийства ее клеток. Но как отличить опухолевые клетки от здоровых? Обычно используют критерии «активное деление» (раковые клетки делятся гораздо интенсивнее большинства здоровых клеток организма, и на это нацелена лучевая терапия , повреждающая ДНК и препятствующая делению) или «устойчивость к апоптозу» (с этим помогает бороться химиотерапия). При таком лечении страдают многие здоровые клетки, например стволовые, и не затрагиваются малоактивные раковые клетки, например спящие (см.: , «Элементы», 10.06.2016). Поэтому сейчас часто делают ставку на иммунотерапию, то есть активацию собственного иммунитета больного, так как иммунная система лучше, чем внешние лекарства, отличает опухолевую клетку от здоровой. Активировать иммунную систему можно самыми разными способами. Например, можно забрать кусочек опухоли, выработать антитела к ее белкам и ввести их в организм, чтобы иммунная система лучше «видела» опухоль. Или же забрать иммунные клетки и «натаскать» их на распознавание специфических белков. Но Нобелевскую премию в этом году вручают за совсем другой механизм - за снятие блокировки с Т-киллерных клеток.
Когда эта история только начиналась, никто не думал об иммунотерапии. Ученые пытались разгадать принцип взаимодействия Т-клеток с дендритными клетками. При ближайшем рассмотрении оказывается, что в их «общении» участвуют не только MHC II c белком-антигеном и рецептор Т-клетки. Рядом с ними на поверхности клеток расположены и другие молекулы, которые тоже участвуют во взаимодействии. Вся эта конструкция - множество белков на мембранах, которые соединяются друг с другом при встрече двух клеток, - называется иммунным синапсом (см. Immunological synapse). В состав этого синапса входят, например, костимулирующие молекулы (см. Co-stimulation) - те самые, которые посылают сигнал Т-киллерам активироваться и отправляться на поиски врага. Их обнаружили первыми: это рецептор CD28 на поверхности Т-клетки и его лиганд В7 (CD80) на поверхности дендритной-клетки (рис. 4).
Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё независимо обнаружили еще две возможные составляющие иммунного синапса - две ингибирующие молекулы. Эллисон занимался открытой в 1987 году молекулой CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte antigen-4, см.: J.-F. Brunet et al., 1987. A new member of the immunoglobulin superfamily - CTLA-4). Изначально считалось, что это еще один костимулятор, потому что она появлялась только на активированных Т-клетках. Заслуга Эллисона в том, что он предположил, что всё наоборот: CTLA-4 появляется на активированных клетках специально, чтобы их можно было остановить! (M. F. Krummel, J. P. Allison, 1995. CD28 and CTLA-4 have opposing effects on the response of T cells to stimulation). Дальше оказалось, что CTLA-4 похожа по структуре на CD28 и тоже может связываться с B7 на поверхности дендритных клеток, причем даже сильнее, чем CD28. То есть на каждой активированной Т-клетке есть ингибирующая молекула, которая конкурирует с активирующей молекулой за прием сигнала. А поскольку в состав иммунного синапса входит множество молекул, то результат определяется соотношением сигналов - тем, сколько молекул CD28 и CTLA-4 смогли связаться с B7. В зависимости от этого Т-клетка либо продолжает работу, либо замирает и не может никого атаковать.
Тасуку Хондзё обнаружил на поверхности Т-клеток другую молекулу - PD-1 (ее название - сокращение от programmed death), которая связывается с лигандом PD-L1 на поверхности дендритных клеток (Y. Ishida et al., 1992. Induced expression of PD‐1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death). Оказалось, что мыши, нокаутные по гену PD-1 (лишенные соответствующего белка), заболевают чем-то похожим на системную красную волчанку. Это аутоиммунное заболевание, то есть состояние, когда иммунные клетки атакуют нормальные молекулы организма. Поэтому Хондзё заключил, что PD-1 тоже работает как блокатор, сдерживая аутоиммунную агрессию (рис. 5). Это еще одно проявление важного биологического принципа: каждый раз, когда запускается какой-либо физиологический процесс, параллельно запускается противоположный ему (например, свертывающая и противосвертывающая системы крови), чтобы избежать «перевыполнения плана», которое может оказаться губительным для организма.
Обе блокирующие молекулы - CTLA-4 и PD-1 - и соответствующие им сигнальные пути назвали иммунными чекпоинтами (от англ. checkpoint - контрольная точка, см. Immune checkpoint). По всей видимости, это аналогия с чекпоинтами клеточного цикла (см. Cell cycle checkpoint) - моментами, в которые клетка «принимает решение», может ли она продолжать делиться дальше или какие-то ее компоненты существенно повреждены.
Но на этом история не закончилась. Оба ученых решили найти применение новооткрытым молекулам. Их идея состояла в том, что можно активировать иммунные клетки, если заблокировать блокаторы. Правда, побочным эффектом неизбежно будут аутоиммунные реакции (как и происходит сейчас у пациентов, которых лечат ингибиторами чекпоинтов), зато это поможет победить опухоль. Блокировать блокаторы ученые предложили с помощью антител: связываясь с CTLA-4 и PD-1, они механически их закрывают и мешают взаимодействовать с B7 и PD-L1, при этом Т-клетка не получает ингибирующих сигналов (рис. 6).
Прошло не меньше 15 лет между открытиями чекпоинтов и одобрением лекарств на основе их ингибиторов. На данный момент применяют уже шесть таких препаратов: один блокатор CTLA-4 и пять блокаторов PD-1. Почему блокаторы PD-1 оказались удачнее? Дело в том, что клетки многих опухолей тоже несут на своей поверхности PD-L1, чтобы блокировать активность Т-клеток. Таким образом, CTLA-4 активирует Т-киллеры в целом, а PD-L1 более специфично действуют на опухоль. И осложнений в случае блокаторов PD-1 возникает несколько меньше.
Современные методы иммунотерапии пока, увы, не являются панацеей. Во-первых, ингибиторы чекпоинтов всё равно не обеспечивают стопроцентной выживаемости пациентов. Во-вторых, они действуют не на все опухоли. В-третьих, их эффективность зависит от генотипа пациента: чем более разнообразны его молекулы MHC, тем выше шанс на успех (о разнообразии белков MHC см.: Разнообразие белков гистосовместимости повышает репродуктивный успех у самцов камышовок и снижает у самок , «Элементы», 29.08.2018). Тем не менее получилась красивая история о том, как теоретическое открытие сначала меняет наши представления о взаимодействии иммунных клеток, а затем рождает лекарства, которые можно применять в клинике.
А нобелевским лауреатам есть над чем работать дальше. Точные механизмы работы ингибиторов чекпоинтов всё еще не известны до конца. Например, в случае CTLA-4 так и непонятно, с какими именно клетками взаимодействует лекарство-блокатор: с самими Т-киллерами, или с дендритными-клетками, или вообще с Т-регуляторными клетками - популяцией Т-лимфоцитов, отвечающей за подавление иммунного ответа. Поэтому эта история, на самом деле, еще далека от завершения.
Полина Лосева
Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2018 году стали Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё за разработки в области терапии рака путем активации иммунного ответа. Прямая трансляция объявления победителя ведется на сайте Нобелевского комитета. Подробнее о заслугах ученых можно узнать в пресс-релизе Нобелевского комитета.
Ученые разработали принципиально новый подход к терапии рака, отличный от существовавших ранее радиотерапии и химиотерапии, который известен как «ингибирование чекпойнтов» клеток иммунитета (немного об этом механизме можно прочитать в нашем , посвященном иммунотерапии). Их исследования посвящены тому, как устранить подавление активности клеток иммунной системы со стороны раковых клеток. Японский иммунолог Тасуку Хондзё (Tasuku Honjo) из университета Киото открыл рецептор PD-1 (Programmed Cell Death Protein-1) на поверхности лимфоцитов, активация которого приводит к подавлению их активности. Его американский коллега Джеймс Эллисон (James Allison) из Андерсоновского ракового центра университета Техаса впервые показал,что антитело, блокирующее ингибиторный комплекс CTLA-4 на поверхности Т-лимфоцитов, введенное в организм животных с опухолью, приводит к активации противоопухолевого ответа и уменьшению опухоли.
Исследования этих двух иммунологов привели к появлению нового класса противораковых препаратов на базе антител, связывающихся с белками на поверхности лимфоцитов, либо раковых клеток. Первый такой препарат, ипилимумаб - антитело, блокирующее CTLA-4, был одобрен в 2011 году для лечения меланомы. Антитело против PD-1, Ниволумаб, было одобрено в 2014 году против меланомы, рака легкого, почки и некоторых других типов рака.
«Раковые клетки, с одной стороны, отличаются от наших собственных, с другой стороны, являются ими. Клетки нашей иммунной системы эту раковую клетку узнают, но не убивают, - пояснил N+1 профессор Сколковского института наук и технологий и университета Ратгерса Константин Северинов. - Авторы в числе прочего открыли белок PD-1: если убрать этот белок, то иммунные клетки начинают узнавать раковые клетки и могут их убить. На этом основана терапия рака, которая сейчас широко используется даже в России. Такие препараты, ингибирующие PD-1, стали существенным компонентом современного арсенала борьбы с раком. Он очень важный, без него было бы гораздо хуже. Эти люди действительно подарили нам новый способ контроля над раком - люди живут, потому что есть вот такие терапии».
Онколог Михаил Масчан, заместитель директора Центра детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Димы Рогачева, говорит, что иммуннотерапия стала революцией в области лечения рака.
«В клинической онкологии это одно из крупнейших событий в истории. Мы сейчас только начинаем пожинать плоды, которые принесла разработка этого типа терапии, но то, что она перевернула ситуацию в онкологии, стало ясно еще около десяти лет назад - когда появились первые клинические результаты применения лекарств, созданных на основе этих идей», - сказал Масчан в беседе с N+1
.
По его словам, с помощью комбинации чекпойнт-ингибиторов долгосрочная выживаемость, то есть фактически выздоровление, может быть достигнута у 30-40 процентов пациентов с некоторыми видами опухолей, в частности, меланомой и раком легкого. Он отметил, что в ближайшем будущем появятся новые разработки, основанные на этом подходе.
«Это самое начало пути, но уже есть много видов опухолей - и рак легкого и меланома, и ряд других, при которых терапия показала эффективность, но еще больше - при которых она только исследуется, исследуются ее комбинации с обычными видами терапии. Это самое начало, и очень многообещающее начало. Число людей, которые выжили благодаря этой терапии, уже сейчас измеряется десятками тысяч», - сказал Масчан.
Каждый год в преддверие объявления лауреатов аналитики пытаются угадать, кому будет вручена премия. В этом году агентство Clarivate Analytics, которое традиционно делает прогнозы на основании цитируемости научных работ, включило в «Нобелевский список» Наполеоне Феррара, который открыл ключевой фактор формирования кровеносных сосудов, Минору Канехиса, который создал базу данных KEGG, и Саломона Снайдера, который занимался рецепторами для ключевых регуляторных молекул в нервной системе. Интересно, что Джеймса Эллисона агентство указало в качестве возможного лауреата Нобелевской премии в 2016 году, то есть в его отношении прогноз сбылся довольно скоро. Кого агентство прочит в лауреаты по остальным нобелевским дисциплинам - физике, химии и экономике, можно узнать из нашего блога . По литературе в этом году премию вручать .
Дарья Спасская
В 2017 году лауреаты Нобелевской премии по медицине открыли механизм работы биологических часов, которые непосредственно влияют на здоровье организма. Ученым не только удалось объяснить, как все происходит, но также и доказать, что частый сбой этих ритмов ведет к повышению риска заболеваний.
Сегодня сайт расскажет не только об этом важном открытии, но также вспомнит и других ученых, чьи открытия в медицине перевернули мир. Если до этого Вы не интересовались Нобелевской премией, то сегодня поймете, как ее открытия повлияли на качество именно Вашей жизни!
Лауреаты Нобелевской премии 2017 по медицине - что же они открыли
Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг смогли объяснить механизм работы биологических часов. Группой ученых было выяснено, как именно растения, животные и люди адаптируются к циклическим сменам ночи и дня.
Оказалось, что так называемые циркадные ритмы регулируются при помощи генов периода. В ночное время они кодируют в клетках белок, который в дневное время расходуется.
Биологические часы отвечают за целый ряд процессов в организме - уровень гормонов, метаболические процессы, сон и температуру тела. Если внешняя среда не соответствует внутренним ритмам, то мы получаем ухудшение самочувствия. Если такое происходит часто - увеличивается риск появления заболеваний.
Биологические часы непосредственно влияют на работу организма. Если их ритм не совпадает с актуальным окружением, то не только ухудшается самочувствие, но и повышается риск некоторых заболеваний.
Лауреаты Нобелевской премии по медицине: топ-10 самых важных открытий
Медицинские открытия не просто дают ученым новую информацию, они помогают сделать жизнь человека лучше, сохранить его здоровье, помочь преодолеть болезни и эпидемии. Нобелевская премия вручается с 1901 года - и за более чем столетний век было сделано множество открытий. На сайте премии можно найти своеобразный рейтинг личностей ученых и результатов их научных трудов. Конечно, нельзя сказать, что какое-то медицинское открытие менее важное, чем другое.
1. Френсис Крик - этот британский ученый получил премию в 1962 году за детальное исследование структуры ДНК . Он смог также раскрыть значения нуклеиновых кислот для передачи информации от поколения к поколению.
3. Карл Ландштайнер - ученый-иммунолог, который в 1930 году открыл, что человечество имеет несколько групп крови. Это сделало переливание крови безопасной и распространенной практикой в медицине и позволило сохранить жизнь множеству людей.
4. Ту Юю - эта женщина в 2015 году получила награду за разработку новых, более эффективных способов лечения малярии . Ею был открыт препарат, который производят из полыни. Кстати, именно Ту Юю стала первой женщиной в Китае, которая получила Нобелевскую премию в сфере медицины.
5. Северо Очоа - им была получена Нобелевская премия за открытие механизмов биологического синтеза ДНК и РНК. Произошло это в 1959 году.
6. Есинори Осуми - этим ученым были открыты механизмы аутофагии. Японец получил премию в 2016 году.
7. Роберт Кох - наверное, один из наиболее известных лауреатов Нобелевской премии. Этот микробиолог в 1905 году открыл туберкулезную палочку, холерный вибрион и сибирскую язву. Открытие позволило начать бороться с этими опасными болезнями, от которых ежегодно умирало множество людей.
8. Джеймс Дьюи - американский биолог, который в соавторстве с двумя своими коллегами, открыл структуру ДНГ. Произошло это в 1952 году.
9. Иван Павлов - первый лауреат из России, выдающийся физиолог, который в 1904 году получил премию за революционную работу по физиологии пищеварения.
10. Александр Флеминг - этим выдающимся бактериологом из Великобритании был открыт пенициллин. Произошло это в 1945 году - и коренным образом изменило ход истории.
Каждый из этих выдающихся людей внес свой вклад в развитие медицины. Его, наверное, нельзя измерить материальными благами или присуждением званий. Однако эти лауреаты Нобелевской премии благодаря своим открытиям навсегда останутся в истории человечества!
Иван Павлов, Роберт Кох, Рональд Росс и другие ученые - все они сделали важные открытия в сфере медицины, которые помогли сохранить жизнь множества людей. Именно благодаря их труду мы сейчас имеем возможность получать реальную помощь в больницах и поликлиниках, не страдаем от эпидемий, знаем, как лечить разные опасные заболевания.
Лауреаты Нобелевской премии в области медицины - это выдающиеся люди, открытиям которых помогли спасти сотни тысяч жизней. Именно благодаря их стараниям мы сейчас имеем возможность лечить даже самые сложные болезни. Уровень медицины возрос в разы всего за одно столетие, в котором случился минимум десяток важных для человечества открытий. Однако, каждый ученый, который был номинирован на получение премии, уже заслуживает уважение. Именно благодаря таким людям мы можем оставаться здоровыми и полными сил на долгое время! А сколько важных открытий еще ждет нас впереди!
В начале октября Нобелевский комитет подвёл итоги работы за 2016 год в различных сферах деятельности людей, принёсшими наибольшую пользу и назвал номинантов премии Нобеля.
Можно сколько угодно проявлять скепсис к данной награде, сомневаться в объективности выбора лауреатов, подвергать сомнению ценность выдвинутых к номинированию теорий и заслуг.. . Всё это, конечно, имеет место быть… Ну, скажите, что стоит премия мира, присуждённая, например, Михаилу Горбачёву в 1990 году… или ещё более наделавшая шума в 2009 году аналогичная премия американскому президенту Бараку Абаме за мир на планете 🙂 ?
Премии имени Нобеля
И в этом 2016 году не обошлось без критики и обсуждений новых награждённых, например, мир неоднозначно принял присуждение премии в области литературы, которая досталась американскому рок-певцу Бобу Дилану за его стихи к песням, а ещё более неоднозначно отнёсся к награде сам певец, отреагировав на награждение спустя лишь две недели....
Однако независимо от нашего обывательского мнения эта высокая премия считается самой престижной наградой в научном мире, живёт уже более ста лет, имеет в своём активе сотни награждённых, призовой фонд в миллионы долларов.
Нобелевский фонд был основан в 1900 году после смерти его завещателя Альфреда Нобеля – выдающегося шведского учёного, академика, доктора философии, изобретателя динамита, гуманиста, борца за мир и так далее...
Россия в списке награждённых занимает 7 место , имеет за всю историю присуждений 23 нобелянта или 19 случаев награждений (есть групповые). Последним из россиян был удостоен этой высокий чести Виталий Гинзбург в 2010 году за открытия в области физики.
Итак, премии за 2016 год разделены, награды будут вручены в Стокгольме, общий размер фонда всё время меняется и соответственно меняются размеры премии.
Нобелевская премия в области физиологии и медицины за 2016 год
Мало кто из обычных людей, далёких от науки, вникает в суть научных теорий и открытий, заслуживших особое признание. И я из таких:-) . Но сегодня хочу лишь чуть подробнее остановиться на одной из премий за этот год. Почему именно медицина и физиология? Да всё просто, одна из самых насыщенных рубрик моего блога «Быть здоровым», потому работа японца меня заинтересовала и я чуть разобралась в её сути. Думаю, статья будет интересна людям, придерживающихся здорового образа жизни.
Итак, лауреатом Нобелевской премии в области физиологии и медицины за 2016 год стал 71 летний японец Ёсинори Осуми (Yoshinori Ohsumi) - молекулярный биолог из Токийского технологического университета. Тема его работы «Открытие механизмов аутофагии».
Аутофагия в переводе с греческого «самоедство» или «самопоедание» - это механизм переработки и утилизации ненужных, отслуживших частей клетки, который выполняет сама клетка. Просто говоря, клетка ест саму себя. Аутофагия присуща всем живым организмам, в том числе и человеку.
Сам процесс известен давно. Исследования учёного, проведённые ещё в 90-х годах столетия, открыли и позволили не только детально понять важность процесса аутофагии для множества физиологических процессов, происходящих внутри живого организма в частности при адаптации к голоду, ответе на инфекцию, но и выявить гены, которые запускают этот процесс.
Как происходит процесс очищения организма? А ровно так же как мы дома убираем свой мусор, только автоматически: клетки упаковывают весь ненужный хлам, токсины в специальные «контейнеры»-аутофагосомы, далее перемещают их в лизосомы. Вот здесь ненужные белки и поврежденные внутриклеточные элементы перевариваются, при этом выделяется топливо, которое поступает для питания клеток и на строительство новых. Вот так всё просто!
Но что самое интересно в этом исследовании: аутофагия запускается быстрее и протекает мощнее в случаях переживания организмом и особенно при ГОЛОДАНИИ.
Открытие лауреата Нобелевской премии доказывает: религиозный пост и даже периодический, ограниченный голод все-таки полезны для живого организма. Оба этих процесса стимулируют аутофагию, очищение организма, снимают нагрузку на органы пищеварения, тем самым и спасают от преждевременной старости.
Сбои в процессах аутофагии приводят к возникновению болезней, таких как Паркинсона, сахарного диабета и даже рака. Медики ищут пути борьбы с ними медикаментозными способами. А может быть нужно лишь не бояться подвергать свой организм оздоровительному голоданию, тем самым стимулируя процессы обновления в клетках? Хоть изредка...
Работа учёного ещё раз подтвердила, как удивительно тонко и умно устроен наш организм, как далеко ещё не все процессы в нём познаны...
Заслуженную премию в восемь миллионов шведских крон (932 тысячи долларов США) японский учёный получит вместе с другими награждёнными в Стокгольме 10 декабря - в день смерти Альфреда Нобеля. И думаю, вполне заслуженно...
Вам было хоть чуть-чуть интересно? А как вы относитесь к подобным выводам японца? Они вас радуют?
В 2016 году Нобелевский комитет присудил премию по физиологии и медицине японскому ученому Ёсинори Осуми за открытие аутофагии и расшифровку ее молекулярного механизма. Аутофагия - процесс переработки отработавших органелл и белковых комплексов, он важен не только для экономного ведения клеточного хозяйства, но и для обновления клеточной структуры. Расшифровка биохимии этого процесса и его генетической основы предполагает возможность контроля и управления всем процессом и его отдельными стадиями. И это дает исследователям очевидные фундаментальные и прикладные перспективы.
Наука несется вперед такими невероятными темпами, что неспециалист не успевает осознать важность открытия, а за него уже присуждается Нобелевская премия. В 80-х годах прошлого века в учебниках биологии в разделе о строении клетки можно было среди прочих органелл узнать о лизосомах - мембранных пузырьках, заполненных внутри ферментами. Эти ферменты нацелены на расщепление различных крупных биологических молекул на более мелкие блоки (нужно отметить, что тогда наша учительница по биологии еще не знала, зачем нужны лизосомы). Их открыл Кристиан де Дюв , за что в 1974 году ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Кристиан де Дюв с коллегами отделял лизосомы и пероксисомы от других клеточных органелл с помощью нового тогда метода - центрифугирования , позволяющего рассортировать частицы по массе. Лизосомы теперь широко используются в медицине. Например, на их свойствах основана адресная доставка лекарств к поврежденным клеткам и тканям: молекулярный препарат помещают внутрь лизосомы за счет разницы в кислотности внутри и снаружи нее, а затем лизосома, снабженная специфическими метками, отправляется в пораженные ткани.
Лизосомы по роду своей деятельности неразборчивы - они дробят на составные части любые молекулы и молекулярные комплексы. Более узкие «специалисты» - протеасомы , которые нацелены только на расщепление белков (см.: , «Элементы», 05.11.2010). Их роль в клеточном хозяйстве трудно переоценить: они следят за отслужившими свой срок ферментами и уничтожают их по мере необходимости. Этот срок, как мы знаем, определен весьма точно - ровно столько времени, сколько клетка выполняет конкретную задачу. Если бы ферменты не уничтожались по ее выполнении, то идущий синтез трудно было бы остановить вовремя.
Протеасомы имеются во всех без исключения клетках, даже в тех, где нет лизосом. Роль протеасом и биохимический механизм их работы был исследован Аароном Чехановером , Аврамом Гершко и Ирвином Роузом в конце 1970-х - начале 1980-х годов. Они открыли, что протеасомы узнают и уничтожают те белки, которые помечены белком убиквитином . Реакция связывания с убиквитином идет с затратами АТФ . В 2004 году эти трое ученых получили Нобелевскую премию по химии за исследования убиквитин-зависимой деградации белков. В 2010 году, просматривая школьную программу для одаренных английских детей, я усмотрела на картинке строения клетки ряд черных точек, которые были помечены как протеасомы. Однако школьная учительница в той школе не смогла объяснить ученикам, что это такое и для чего эти загадочные протеасомы нужны. С лизосомами на той картинке уже никаких вопросов не возникло.
Еще в начале исследования лизосом было замечено, что внутри некоторых из них заключены части клеточных органелл. Значит, в лизосомах разбираются на части не только крупные молекулы, но и части самой клетки. Процесс переваривания собственных клеточных структур получил название аутофагия - то есть «поедание самого себя». Как в лизосому, содержащую гидролазы, попадают части клеточных органелл? Этим вопросом еще в 80-е годы начал заниматься , изучавший устройство и функции лизосом и аутофагосом в клетках млекопитающих. Он со своими коллегами показал, что в клетках в массе появляются аутофагосомы, если их выращивать на малопитательной среде. В связи с этим появилась гипотеза, что аутофагосомы формируются, когда необходим резервный источник питания - белки и жиры, входящие в состав лишних органелл. Как формируются эти аутофагосомы, нужны ли они в качестве источника дополнительного питания или для иных клеточных целей, как их находят лизосомы для переваривания? Все эти вопросы в начале 90-х годов не имели ответов.
Взявшись за самостоятельные исследования, Осуми сфокусировал усилия на изучении аутофагосом дрожжей. Он рассудил, что аутофагия должна быть консервативным клеточным механизмом, следовательно, ее удобнее изучать на простых (относительно) и удобных лабораторных объектах.
У дрожжей аутофагосомы находятся внутри вакуолей, а затем там распадаются. Их утилизацией занимаются различные ферменты-протеиназы . Если в клетке протеиназы дефектные, то аутофагосомы накапливаются внутри вакуолей и не растворяются. Осуми воспользовался этим свойством для получения культуры дрожжей с повышенным числом аутофагосом. Он выращивал культуры дрожжей на бедных средах - в этом случае аутофагосомы появляются в изобилии, доставляя голодающей клетке пищевой резерв. Но в его культурах использовались мутантные клетки с неработающими протеиназами. Так что в результате клетки быстро накапливали в вакуолях массу аутофагосом.
Аутофагосомы, как следовало из его наблюдений, окружены однослойными мембранами, внутри которых может находиться самые разнообразное содержимое: рибосомы, митохондрии, гранулы липидов и гликогена. Добавляя или убирая ингибиторы протеаз в культуры немутантных клеток, можно добиться увеличения или уменьшения числа аутофагосом. Так что в этих экспериментах было продемонстрировано, что эти клеточные тельца перевариваются с помощью ферментов-протеиназ.
Очень быстро, всего за год, используя метод случайного мутирования, Осуми выявил 13–15 генов (APG1–15) и соответствующих белковых продуктов, участвующих в образовании аутофагосом (M. Tsukada, Y. Ohsumi, 1993. Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae ). Среди колоний клеток с дефектной протеиназной активностью он под микроскопом отбирал такие, в которых не было аутофагосом. Затем, культивируя их по отдельности, выяснял, какие гены у них испорчены. Еще пять лет понадобилось его группе, чтобы расшифровать в первом приближении молекулярный механизм работы этих генов.
Удалось выяснить, как устроен этот каскад, в каком порядке и как эти белки друг с другом связываются, чтобы в результате получилась аутофагосома. К 2000 году прояснилась картина формирования мембраны вокруг испорченных органелл, подлежащих переработке. Одинарная липидная мембрана начинает растягиваться вокруг этих органелл, постепенно окружая их, пока концы мембраны не приблизятся друг к другу и не сольются, образовав двойную мембрану аутофагосомы. Затем этот пузырек транспортируется к лизосоме и сливается с ней.
В процессе образования мембраны участвуют APG-белки, аналоги которых Ёсинори Осуми с коллегами обнаружили и у млекопитающих.
Благодаря работам Осуми мы увидели весь процесс аутофагии в динамике. Стартовой точкой исследований Осуми был простой факт присутствия в клетках загадочных мелких телец. Теперь исследователи получили возможность, пусть и гипотетическую, управлять всем процессом аутофагии.
Аутофагия необходима для нормальной жизнедеятельности клетки, так как клетка должна уметь не только обновлять свое биохимическое и архитектурное хозяйство, но и утилизировать ненужное. В клетке тысячи износившихся рибосом и митохондрий, мембранных белков, отработанных молекулярных комплексов - всех их нужно экономно переработать и снова пустить в оборот. Это своего рода клеточный ресайклинг. Этот процесс не только обеспечивает известную экономию, но и предотвращает быстрое старение клетки. Нарушение клеточной аутофагии у человека приводит к развитию болезни Паркинсона, диабета II типа, раковых заболеваний и некоторых нарушений, свойственных пожилому возрасту. Управление процессом клеточной аутофагии, очевидно, имеет огромные перспективы, как в фундаментальном, так и в прикладном отношении.
