В этом году лауреатами Нобелевской премией по физиологии и медицине стали трое ученых: Уильям Кэлин-младший (William G. Kaelin, Jr.) из Гарвардской медицинской школы, сэр Питер Рэтклифф (Peter J. Ratcliffe) из Оксфордского университета и Грэг Семенца (Gregg L. Semenza) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе. Их открытия связаны с генетическими механизмами человека, которые запускаются при гипоксии, то есть пониженном содержании кислорода. Лауреатами был открыт и изучен индуцируемый гипоксией транскрипционный фактор (hypoxia-inducible factor 1, HIF-1) — белок, который регулирует работу многих генов организма при недостатке кислорода.
Реакции организма на изменение уровня кислорода были известны давно. Например, когда человек поднимается высоко в горы, количество эритроцитов в крови растет, и это помогает организму адаптироваться к горным условиям (описал это явление в 1880-х годах французский физиолог Поль Бер, «отец авиационной медицины»). Происходит это из-за того, что в клетках почек стимулируется выработка эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство эритроцитов костным мозгом (усиление активности гена эритропоэтина в ответ на гипоксию обнаружили в 1980-х). В других случаях гипоксия наступает не во всем организме, а в отдельных его участках, например, в клетках мышц при физической нагрузке. Уже в 1970-х — 1980-х годах стало ясно, что приспособление клеток к гипоксии достигается путем изменения активности генов. Но как это происходит, было не ясно.
Начало исследованиям, которые привели к нынешней Нобелевской премии, было положено в 1989 году, когда молодой Питер Рэтклифф участвовал в изучении того, как регулируется выработка эритропоэтина клетками почек. Вскоре Рэтклифф и его коллеги поняли, что это не единственное последствие гипоксии и что существуют десятки типов клеток, изменяющих свою работу при недостатке кислорода. Независимо к аналогичным выводам по другую сторону Атлантического океана пришел Грэг Семенца. Затем ученым удалось реконструировать происходящие в организме процессы на молекулярном уровне.
Исследователи обнаружили, что молекула HIF-1 состоит из двух субъединиц, которые получили названия HIF-1α и ARNT. Эти два белка кодируются независимо двумя генами, расположенными на разных хромосомах. В целом же HIF-1 относится к так называемым транскрипционным факторам — группе белков, способных связываться с определенными участками ДНК, чтобы влиять на синтез матричной РНК на данном участке. Таким образом, факторы транскрипции могут активировать или подавлять производство молекул РНК, а значит повышать или понижать продукцию белка, кодируемого этим геном.
Если организм не испытывает недостатка в кислороде, белка HIF-1 в нем немного. Когда же наступает гипоксия, количество его возрастает. Молекулы HIF-1 начинают связываться с геном, ответственным за выработку белка эритропоэтина, стимулирующего образование эритроцитов. Уже в начале XX века медики знали, что при недостатке кислорода производство эритроцитов возрастает, но механизм этого явления оставался неясным до открытия белкового комплекса HIF-1. Однако исследователям еще нужно было выяснить, как регулируется количество HIF-1 в клетке.
Разрушение молекул HIF-1 при нормальном содержании кислорода происходит стандартным образом, который известен как «убиквитин-протеасомный механизм». Сначала небольшой белок убиквитин присоединяется к белку, подлежащему расщеплению. На это реагирует протеасома, присоединяется в свою очередь к убиквитину и начинает свою работу (за открытие убиквитин-опосредованной деградации белков в 2004 году Нобелевскую премию по химии получили Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз). Получается, что исследователям HIF-1 надо было понять, как кислород влияет на присоединение убиквитина к молекуле HIF-1. Каким-то образом при гипоксии убиквитин прекращал свою охоту на HIF-1.
Ответить на этот вопрос помогли исследования Уильяма Кэлина. Он изучал редкое наследственное заболевание — болезнь фон Гиппеля — Линдау (Von Hippel — Lindau disease, VHL). Она проявляется в виде определенного типа опухолей в сетчатке глаза, мозжечке и спинном мозге, а иногда и в других органах. Болезнь вызывается мутацией определенного гена на третьей хромосоме. Кодируемый этим геном белок теперь известен как супрессор роста опухолей VHL, его функции определил Уильям Кэлин.
Также Кэлин заметил, что раковые клетки, лишенные функционального гена VHL, экспрессируют аномально высокие уровни генов, регулируемых гипоксией, но, если в них вновь ввести ген VHL, восстанавливается обычная ситуация. Следовательно, VHL каким-то образом участвует в контроле реакций на гипоксию. Дальнейшие исследования показали, что VHL входит в часть комплекса, отмечающего убиквитином предназначенные для утилизации белковые молекулы. Ключевое открытие сделала группа Питера Рэтклиффа, которая подтвердила взаимодействие белка VHL с HIF-1α при нормальном уровне кислорода.
Ученые установили, какая часть молекулы HIF-1α важна для его разрушения при помощи белка VHL. И Рэтклифф, и Кэлин подозревали, что этот фрагмент молекулы может определять и чувствительность к кислороду. В 2001 году они независимо опубликовали результаты новых исследований, где было установлено, что при нормальном уровне кислорода в клетке к определенным позициям в молекуле HIF-1α присоединяются две гидроксильные группы. Их присоединение позволяет белку VHK опознавать цель и связываться с HIF-1α, обеспечивая быстрое разрушение молекул HIF-1α.
Открытия Кэлина, Рэтклиффа и Семенцы позволили узнать, как клетки организма адаптируются к изменению уровня кислорода. Как оказалось, белок HIF-1 вовлечен в регуляцию множества процессов от работы мышц при интенсивной нагрузке до развития эмбриона: активируемые кислородом сигнальные пути затрагивают, по последним данным, не менее трехсот генов. Во многих случаях знание роли HIF-1 полезно для борьбы с болезнями.
В частности, деятельностью индуцируемого гипоксией транскрипционного фактора во многом определяется ангиогенез — образование новых кровеносных сосудов. Такая функция HIF-1 делает его очень важным для борьбы с раком. Выращивание новых кровеносных сосудов — главная задача для быстро растущих опухолей, так как им необходимо снабжать свои клетки кислородом. Научившись регулировать ангиогенез, воздействуя на HIF-1, врачи могут подавлять развитие опухолей.
Другое применение гена HIF-1 в медицине состоит, напротив, в усилении его активности, чтобы доставить больше кислорода клеткам, страдающим от анемии. Такая анемия возникает, например, у пациентов с хронической почечной недостаточностью, ведь клетки почек вырабатывают эритропоэтин.
