Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2016

Ёсинори Осуми

Ёсинори Осуми родился в Фукуоке, Япония, в 1945 году. Эта фотография сделана в июле 2016 года в его лаборатории в Токийском технологическом институте. Фото с сайта indianexpress.com

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.

Накопление аутофагосом внутри вакуоли в дрожжевой клетке

Накопление аутофагосом внутри вакуоли в дрожжевой клетке. В этом эксперименте использовалась культура дрожжей мутантной линии, в которой не экспрессировались протеиназы. Клетки фотографировались (разные техники фотографирования в двух колонках) в течение трех часов (верхний ряд — в самом начале опыта, второй ряд — через 15 минут, третий ряд — еще через 45 минут, следующие ряды — с промежутком в час). Фото из статьи K. Takeshige et al., 1992. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction

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.: Белки попадают в протеасому через «преддверие» уже развернутыми, «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 Ёсинори Осуми, 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 (АВ) внутри вакуоли (V)

Аутофагосомы (АВ) внутри вакуоли (V). Длина масштабного отрезка 1 мкм. Фото из статьи K. Takeshige et al., 1992. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction

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.

Комплекс белков APG12 и APG5

Комплекс белков APG12 и APG5, на промежуточной стадии образования которого появляется комплекс APG12–APG7. Весь процесс идет с затратой энергии АТФ (обозначена как ATP на этой схеме). Осуми с коллегами удалось выяснить, как устроен этот каскад, в каком порядке и как эти белки друг с другом связываются. В результате работы этих белковых конгломератов разрастается липидный слой, формирующий мембрану аутофагосомы. Схема из статьи N. Mizushima et al., 1998. A protein conjugation system essential for autophagy

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.

Схема изоляции дефектной органеллы

Схема изоляции дефектной органеллы. При поступлении внешнего сигнала рядом с органеллой образуется зародыш мембранного слоя, к нему прикрепляются белки APG-комплекса (желтые и красные кружочки), которые определенным образом связываются друг с другом, регулируя растяжение мембраны вокруг органеллы. В результате концы мембраны сближаются и сливаются, формируется двухслойная оболочка аутофагосомы. Схема из пресс-релиза Нобелевского комитета

В процессе образования мембраны участвуют APG-белки, аналоги которых Ёсинори Осуми с коллегами обнаружили и у млекопитающих.

Формирование аутофагосом в клетках печени крысы

Формирование аутофагосом в клетках печени крысы. Изучалась локализация в аутофагосомах белка LC3, аналога APG8. Этот белок локализован на внешней (черные стрелки) и внутренней (белые стрелки) мембране аутофагосом, точно так же, как и белки APG. Фото из статьи Y. Kabeya et al., 2000. LC3, a mammalian homologue of yeast Apg8p, is localized in autophagosome membranes after processing

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.

Источники:
1) Kazuhiko Takeshige, Misuzu Baba, Shigeru Tsuboi, Takeshi Noda, and Yoshinori Ohsumi. Autophagy in Yeast Demonstrated with Proteinase-deficient Mutants and Conditions for its Induction // The Journal of Cell Biology. 1992. V. 119(2). P. 301–311. DOI: 10.1083/jcb.119.2.301.
2) Miki Tsukada, Yoshinori Ohsumi. Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae // FEBS Letters. 1993. V. 333. P. 169–174. DOI: 10.1016/0014-5793(93)80398-E.
3) Noboru Mizushima, Takeshi Noda, Tamotsu Yoshimori, Yae Tanaka, Tomoko Ishii, Michael D. George, Daniel J. Klionsky, Mariko Ohsumi and Yoshinori Ohsumi. A protein conjugation system essential for autophagy // Nature. 1998. V. 395. P. 395–398. DOI: 10.1038/26506.
4) Yukiko Kabeya, Noboru Mizushima, Takashi Ueno, Akitsugu Yamamoto, Takayoshi Kirisako, Takeshi Noda, Eiki Kominami, Yoshinori Ohsumi, and Tamotsu Yoshimori. LC3, a mammalian homologue of yeast Apg8p, is localized in autophagosome membranes after processing // EMBO Journal. 2000. V. 19(21). P. 5720–5728. DOI: 10.1093/emboj/19.21.5720.

Елена Наймарк


16
Показать комментарии (16)
Свернуть комментарии (16)

  • Rattus  | 09.10.2016 | 12:22 Ответить
    >Наука несется вперед такими невероятными темпами, что неспециалист не успевает осознать важность открытия, а за него уже присуждается Нобелевская премия.

    Только не вся наука, а биология (ну и медицина - как приложение её).
    Поправьте что ли - а то у малоосведомлённого читателя можетъ сложиться мнение, что и в других науках так же, а летающие авто не только ещё не бороздят просторы Большого театра, но даже и пресловутый "закон" Мура что-то потрескивать начал - и зародится у него какой-нибудь очередной конспирологический сон разума, что "транскорпорации рептилоидов с подсукна нипущають". ;~]
    Ответить
    • Bobrob777 > Rattus | 09.10.2016 | 15:04 Ответить
      Давно говорил, что Вас нужно назначить туташным модератором :)
      Ответить
    • electrosnake > Rattus | 09.10.2016 | 16:56 Ответить
      Ну натурально, болезнь Альцгеймера и прионовые инфекции, рак и ВИЧ, сердечно-сосудистые и автоиммунные заболевания давно побеждены, потребность в донорах отпала, так как любые органы можно вырастить, а кровь синтезировать и заменить искусственной, средняя продолжительность жизни на планете превысила 100 лет, а через пару лет уже и физическое бессмертие и перенос разума на другие носители, наконец, а машины до сих пор не летают - какой позор !
      Ответить
      • Rattus > electrosnake | 10.10.2016 | 03:48 Ответить
        Ну ОК - про медицину может и вправду рановато.
        Про перенос разума и бессмертие же - это даже большие сказки чем про летающие авто - в конце концов аккумуляторы и топливные элементы несколько большей ёмкости пока никто не запрещал.
        Сердечно сосудистые заболевания же например таки недавно впервые уступили своё первенство по причинам смерти.
        Про ВИЧ как раз недавно была новость ещё об одном случае если не излечения, то практически полной ремиссии.
        Насчёт рака тоже интересные вещи появляются регулярно.
        А с каких пор прионные инфекции стали серьёзной проблемой?
        Ответить
  • Андрей Быстрицкий  | 09.10.2016 | 22:33 Ответить
    Это ещё без учёта того, что два (или три?) претендента на химНобеля в этом году - тоже биологи.
    Ответить
    • Игорь Иванов > Андрей Быстрицкий | 10.10.2016 | 12:21 Ответить
      Скоро биомед, аки злокачественная опухоль, дотянется своими щупальцами и до физического нобеля, а потом до экономики и литературы. Трепещите все!
      Ответить
      • Андрей Быстрицкий > Игорь Иванов | 10.10.2016 | 13:24 Ответить
        Вот мы шутим, а скоро нейрофизиологи подтянутся - и физикам-таки придётся потеснится.
        Вот когда биомеду начнут давать Нобеля мира - вот это будет ой.
        Ответить
        • Rattus > Андрей Быстрицкий | 11.10.2016 | 11:47 Ответить
          Нобель мира - самая парадоксальная премия. Даётся в большинстве случаев за довольно сомнительные в плане практических результатов вещи.

          Сахарову надо было вручить её за изобретение термоядерной бомбы - ибо ничто так надёжно не хранит глобальный мир вот уже полвека как ЯО. =]
          А биомеду тоже можно будет - например за модификацию линии человеческих половых клеток с устранением генов агрессии.

          Вот тогда это будет настоящая премия. ;~]
          Ответить
          • DV > Rattus | 05.11.2016 | 02:38 Ответить
            А что правда существуют гены агрессии?^_^
            Как мило. А гены беспокойства, тоски, удивления тоже существуют?
            А как же знаменитые гены написания околонаучной чепухи в каментах?!)
            Вот бы их модифицировать.(мечтательно)
            Ответить
            • Rattus > DV | 05.11.2016 | 10:17 Ответить
              Конечно существуют! Например SRY.
              Фокус только в том, что устранение этого и ряда других известных - довольно... проблематично.

              Вы ещё напишите, что дигидрогенмонооксид - не смертельно опасное вещество. ;~]
              Ответить
    • Aab > Андрей Быстрицкий | 10.10.2016 | 19:11 Ответить
      Интересно, будет на Элементах материал по "химическому Нобелю" - 2016.

      Про сами эти молекулярные машины Элементы писали, если мне память не изменяет. Но, может, повторят с дополнениями.

      ...Термин "химическое машиностроение" приобретает дополнительные коннотации :)...
      Ответить
      • Aab > Aab | 13.10.2016 | 18:04 Ответить
        Размечтался.
        Ответить
      • grihanm > Aab | 17.10.2016 | 05:56 Ответить
        Будет - у меня не было времени, работы много очень. В течении недели напишу, надеюсь.
        Ответить
  • dentoll28  | 11.10.2016 | 08:09 Ответить
    Мы в Дента - Эль не слышали о таком.
    Ответить
  • alexander.onmedu  | 19.10.2016 | 16:35 Ответить
    Скажите, пожалуйста, а где можно посмотреть все этапы, методики исследования и молекулярно-генетические механизмы регуляции данного процесса?
    Ответить
    • naimark > alexander.onmedu | 19.10.2016 | 17:01 Ответить
      В конце заметки даны ссылки на статьи с указанием их выходных данных. Вы посмотрите эти статьи и литературу оттуда возьмите.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»