Нобелевская премия - одна из наиболее престижных международных наград, ежегодно присуждаемая за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения или крупный вклад в культуру или развитие общества.
В завещании Альфреда Нобеля, шведского химика, инженера, изобретателя, крупнейшего производителя вооружения и филантропа, составленного им в 1895 году, было предусмотрено создание фонда, распоряжавшегося его доходами. Фонд должен был выделять средства на награды представителям пяти направлений, которые «в течение предыдущего года принёс наибольшую пользу человечеству»:
- Физика (присуждается с 1901 года в Швеции);
- Химия (присуждается с 1901 года в Швеции);
- Физиология или медицина (присуждается с 1901 года в Швеции);
- Литература (присуждается с 1901 года в Швеции);
- Содействие установлению мира во всём мире (присуждается с 1901 года в Норвегии).
Кроме того, вне связи с завещанием Нобеля, с 1969 года по инициативе Банка Швеции присуждается также премия по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля, неофициально именуемая Нобелевской премией по экономике. Она присуждается на тех же условиях, что и другие нобелевские премии. В дальнейшем правление Фонда Нобеля решило более не увеличивать количество номинаций.
10 декабря, в день смерти Альфреда Нобеля, в Стокгольме состоится официальная церемония награждения. Премию лауреатам вручит король Швеции Карл XVI Густав.
От лауреата требуется выступление с так называемой «Нобелевской мемориальной лекцией», которая публикуется затем Нобелевским фондом в особом томе.
7 октября 2019 г. в Стокгольме объявлены имена обладателей Нобелевской премии по медицине и физиологии. В этом году премии удостоены американцы Уильям Кэлин и Грегг Семенза, а также британец Питер Рэтклифф. В 2016 году работы этих исследователей уже получили оценку в виде другой престижной награды - премии Альберта Ласкера, ежегодно присуждаемой в США за фундаментальные медицинские исследования. Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, лауреаты отмечены «за открытие механизмов, посредством которых клетки воспринимают доступность кислорода и адаптируются к ней».
Уильям Кэлин (William Kaelin), Питер Рэтклифф (Peter Ratcliffe) и Грегг Семенза (Gregg Semenza).
Следует отметить, что в действительности речь идет не о любых клетках, а в первую очередь о клетках человека и животных. Пожалуй, отправным пунктом исследований в области адаптации к гипоксии можно считать период конца 60-х годов XX века, когда физиологи приступили к внимательному изучению реакций организма человека на подъем в горы или анемические состояния. Эти исследования привели к открытию эритропоэтина - гормона, который выделяется в кровь (преимущественно тканями почек, а также печени), причем продукция его резко возрастает в ответ на дефицит кислорода.
Распространяясь по организму, и достигая костного мозга, эритропоэтин стимулирует формирование эритроцитов, что обеспечивает значительное улучшение снабжения тканей кислородом уже в течение нескольких часов после начала гипоксии. Однако еще долгое время никто не знал, во-первых, как именно клетки «оценивают» количество кислорода, во-вторых, все ли клетки на это способны, и, в-третьих, какие механизмы лежат в основе реализации клеточного ответа. Именно за решение этих вопросов и была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году.
Исследования, которые получили высшую оценку Нобелевского комитета, были начаты на рубеже 80-х и 90-х годов XX века. Причем каждый из трех лауреатов пришел в эту область своим особым путем.
Питер Рэтклифф первоначально получил медицинское образование, затем перепрофилировался на молекулярную биологию. В конце 80-х его исследовательская работа была связана с изучением болезней почек, среди которых некоторую долю составляют патологии ишемической этиологии. Как уже было сказано, именно почки вырабатывают эритропоэтин в ответ на состояние гипоксии. В 1990 году Рэтклифф основал в Оксфорде лабораторию биологии гипоксии, которую возглавлял более 20 лет, поставив перед собой цель разобраться в механизмах регуляции экспрессии гена эритропоэтина.
Тематика работ Грегга Семензы до начала 90-х годов касалась заболеваний, обусловленных нарушениями эритропоэза, таких, как талассемия. В 1992 году он выделил новый белок HIF (hypoxia-inducing factor), связывающийся с регуляторным участком в гене эритропоэтина и обеспечивающий стимуляцию транскрипции данного гена при недостатке кислорода. Также, как и Рэтклифф, Семенза с этого момента практически полностью переключился на исследование молекулярных и клеточных механизмов адаптации организма к гипоксии.
Уильям Келин - специалист по опухолям, занимавшийся в конце 80-х - начале 90-х годов проблемой наследственного заболевания Гиппеля - Линдау. Этот синдром с аутосомно-доминантным наследованием выражается в повышенном риске возникновения рака (чаще всего образуются опухоли головного или спинного мозга, сетчатки, почек). В 1988 году было установлено, что причиной заболевания являются мутации в гене VHL (аббревиатура, образованная от англоязычного названия заболевания, von Hippel - Lindau disease). И, как выяснилось впоследствии, белок, кодируемый этим геном, является еще одним из ключевых игроков в ответе клеток на вариации в концентрации кислорода в среде.
Любопытно отметить, что в первое время статьи из всех трех лабораторий выходили одна за другой, и нередко практически одновременно исследователи параллельно публиковали полученные результаты, описывающие одни и те же детали механизма. Впрочем, десятилетие спустя у них начали появляться и совместные публикации.
Первоначальной моделью для изучения механизма реакции клеток на гипоксию стала регуляция гена эритропоэтина в клетках почек или печени. За десяток лет выяснились основные этапы этой регуляции.
Количество мРНК и белка HIFβ в клетках относительно постоянно, оно не зависит от концентрации кислорода, а вот субъединица HIFα является регулируемой. Во-первых, ее количество в клетке держится на низком уровне при нормальном уровне кислорода, но резко возрастает при гипоксии. Во-вторых, при гипоксии он обнаруживается исключительно в ядре, а при нормальном уровне кислорода - преимущественно в цитоплазме, что обеспечивается взаимодействием белка с вспомогательными белками системы переноса белков между ядром и цитоплазмой.
Регуляция с участием HIF затрагивает в сумме более трех сотен генов, функция которых заключается в обеспечении снабжения тканей кислородом, стимулировании регенеративных процессов и включении защитных механизмов внутри клеток, подвергшихся воздействию гипоксии.
Например, одной из таких защитных реакций является повышение интенсивности реакций гликолиза (расщепления глюкозы до молочной кислоты в цитозоле клеток), как альтернативного пути наработки АТФ (в обычных условиях основная доля АТФ производится за счет кислородного дыхания, осуществляемого митохондриями). Также гипоксия стимулирует аутофагию, и одновременно подавляет некоторые особенно энергозатратные процессы. На уровне межтканевой регуляции происходит стимуляция не только эритропоэза, но и ангиогенеза (роста сосудов) - благодаря стимуляции синтеза и секреции фактора роста эндотелия сосудов VEGF, расширения капилляров, интенсивности вентиляции легких и целого ряда других физиологических процессов. В нервной ткани обнаружилась выраженная реакция на колебания снабжения мозга кислородом в клетках астроцитах. Оказалось, что выделяемый ими эритропоэтин не только участвует в активации эритропоэза, но и стимулирует миграцию нейробластов в область ишемического повреждения мозга, то есть регенерацию нервной ткани.
Вся система реакций на уровне молекул, клеток и организма включает множественные взаимовлияния, как положительные, так и отрицательные, формирующие разнообразные обратные связи. Весьма примечательно, что в число генов, активируемых фактором HIF, входят гены ферментов гидроксилаз, которые в конечном итоге ограничивают реализацию ответа на гипоксию.
Все многоклеточные организмы, а животные в особенности, чрезвычайно зависимы от кислорода. Этот элемент совершенно необходим нам для дыхания - процесса, который обеспечивает производство в митохондриях молекул АТФ, используемых практически во всех процессах жизнедеятельности клеток. Неудивительно, что целый ряд медицинских проблем связан именно с нарушениями снабжения тканей кислородом и ответом на это состояние. Это определяет тесную связь фундаментальной составляющей сделанных открытий с медицинской практикой.
Во-первых, потенциальное практическое применение связано с проблемой адаптации организма к каким-то специфическим условиям, где по той или иной причине возникает более или менее длительная кислородная недостаточность - подъем на высоту, подводные погружения и т. д. Во-вторых, - с лечением нарушений в тканях, обусловленных ишемическими состояниями, к примеру, из-за атеросклеротических изменений сосудов, гипертонии, заболеваний дыхательных путей или анемии. В-третьих, - с воспалительными процессами, включая, в частности, заживление ран и отторжение трансплантатов. В-четвертых, оно связано с проблемой возрастных изменений, которые могут выражаться в неспособности организма в полной мере реализовать необходимый адаптивный ответ на гипоксию тканей.
Все вышеупомянутые проблемы могут иметь решение в виде дополнительной активации ответа организма на гипоксию. Для этого разрабатываются препараты, ингибирующие белки гидроксилазы и VHL.
С другой стороны, HIF очень часто бывает гиперактивирован в опухолевой ткани. Эта повышенная активность бывает обусловлена как фактическим недостатком доступа кислорода к клеткам опухоли вследствие очень быстрого ее роста, так и мутациями в гене белка HIFα или его регуляторов. В этом случае потенциально возможным решением является, напротив, применение подавителей ответа на гипоксию, которые препятствуют интенсивному ангиогенезу в опухолевой ткани и тем самым замедляют рост и понижают агрессивность раковой опухоли. Некоторые синтетические препараты, прямо или косвенно подавляющие HIF (например, сердечный гликозид дигоксин), в настоящее время проходят клинические испытания для лечении нескольких форм рака.
О проонкогенном влиянии избыточной активации HIF, конечно, следует помнить, разрабатывая стратегии решения проблем гипоксии, упомянутые чуть выше. Гиперактивация ответа на гипоксию может иметь и другие негативные последствия.
Наконец, нельзя не сказать о том, что система ответа на концентрацию кислорода оказывается критически важной не только в каких-то специфических условиях среды или при патологии тканей, но и в ходе нормального эмбрионального развития. HIF участвует в росте, дифференцировке, контроле апоптоза клеток многих тканей, включая сердечно-сосудистую, скелетогенную и иммунную системы. Эксперименты на животных показали, что эмбрион, лишенный функционального фактора HIF, очень рано погибает вследствие нарушения процессов формирования кровеносной системы по мере роста зародыша и невозможности нормального развития организма.
В последние годы становится ясно, что реакции клеток на изменения доступности кислорода достаточно многокомпонентные и что есть и другие сигнальные пути, не включающие HIF. И трое ученых, удостоенных Нобелевской премии, как и сотни других исследователей по всему миру, продолжают активно развивать данную область. И есть все основания ожидать, что эти исследования сыграют важную роль в решении практических задач здравоохранения.
По материалам «Новости науки» https://elementy.ru/