«30 нобелевских премий». Главы из книги

Глава 1. Столетний путь физиологии: от фагоцитоза до аутофагии

<…>

Аутофагия внутри нас, или Как наконец похудеть и защититься от рака

Ёсинори Осуми

В последние десятилетия Нобелевскую премию по физиологии и медицине редко присуждают одному исследователю, обычно ее получают коллективы увлеченных ученых. Однако фундаментальные открытия-озарения (а они обычно строятся на основе предыдущих исследований, а также опыта и прозорливости) по-прежнему совершают одиночки.

Более 130 лет назад из уст российского ученого впервые прозвучал выведенный им термин «фагоцитоз». За исследование связи фагоцитоза с иммунитетом Илья Ильич Мечников получил Нобелевскую премию. В середине 1950-х годов другой нобелевский лауреат, бельгийский биохимик Кристиан де Дюв, ввел термин «аутофагия» (от греческих слов αὐτός ‘сам’ и φαγεῖν ‘есть’ — самопоедание). Термин потребовался де Дюву для описания процесса, который он с коллегами обнаружил с помощью электронного микроскопа, а именно — доставку в определенные клеточные отделы различных фрагментов, находящихся как внутри клетки, так и вне ее. Концепция «самопоедания» появилась, когда исследователи впервые заметили, что клетка может уничтожить собственное содержимое, заключив его во фрагмент мембраны и образовав мешковидные пузырьки, которые далее транспортируются для утилизации в клеточную органеллу, — ее ученые назвали лизосомой.

Трудности в изучении аутофагоцитоза заключались в отсутствии экспериментальной модели, на которой можно было бы с помощью увеличительных приборов наблюдать это явление, а также в идентификации генов, отвечавших за этот процесс. В начале 1990-х годов Ёсинори Осуми из Японии провел серию блестящих экспериментов на дрожжевых культурах и показал, что в наших клетках осуществляются аналогичные механизмы. Также он идентифицировал гены, ответственные за этот процесс, и таким образом нашел решение сразу обеих задач. В 2016 году Осуми получил Нобелевскую премию «за открытие механизмов аутофагии».

Одна из важных функций любой живой системы — переваривание и утилизация собственных отходов. В первой половине XX века было известно, что в живой клетке пищеварительную функцию выполняют лизосомы, содержащие ферменты, которые переваривают белки, углеводы и липиды. Новые наблюдения в 1960-х годах показали, что в лизосомах иногда можно найти большое количество внутриклеточного содержимого и даже целые клеточные органеллы. Дальнейший биохимический и микроскопический анализ выявили новый тип органелл, доставляющих клеточные грузы в лизосому для утилизации. Кристиан де Дюв назвал их аутофагосомами. Как же клетка избавляется от крупных белковых комплексов и изношенных органелл?

Ёсинори Осуми проводил исследования в самых разных областях, но, когда создал в 1988 году собственную лабораторию, сосредоточился на деградации (процесс, обратный синтезу) белка в вакуоле дрожжей — органелле, которая соответствует лизосоме в клетках человека. Осуми столкнулся с серьезной проблемой: дрожжевые клетки малы, а их внутренние структуры трудно различить под микроскопом. Ученый даже не был уверен, происходит ли в них аутофагия. Осуми предположил, что если нарушить процесс деградации в вакуоли, пока там идет активный процесс переваривания, то аутофагосомы должны накопиться в ней и стать видимыми под микроскопом. Поэтому он культивировал мутировавшие дрожжи, не имевшие ферментов для деградации. Культивируя их на бедных питательных средах, Осуми одновременно стимулировал аутофагию. Результаты были поразительными! В течение нескольких часов вакуоли наполнились небольшими пузырьками, которые еще не деградировали. Эти пузырьки были аутофагосомами, а эксперимент Осуми доказал, что аутофагия происходит в клетках дрожжей. В процессе своего формирования аутофагосома поглощает клеточные отходы — поврежденные протеины и остатки органелл. В итоге она сливается с лизосомой, и ее содержимое, благодаря лизирующим ферментам, распадается до аминокислот. Этот процесс обеспечивает клетки питательными веществами и строительным материалом для обновления.

Но гораздо важнее то, что у ученого теперь был метод выявления и характеристики ключевых генов, участвующих в этом процессе. Во время своей нобелевской лекции Осуми признался: «Я смотрел в микроскоп на вакуоли каждый день по многу часов. Думаю, что в эти годы в наблюдении за клетками дрожжей я провел больше времени, чем кто-либо еще!»

Настойчивые наблюдения привели Осуми к обнаружению генов, ответственных за аутофагию. Вот как это произошло. Осуми искусственно создал штамм дрожжей, в котором аутофагосомы были накоплены в результате недостаточного питания. Осуми обработал дрожжевые клетки препаратом, вызывавшим произвольные мутации во многих генах, а затем инициировал аутофагию. Его стратегия сработала! Уже в год своего открытия он сумел определить первые гены, необходимые для аутофагии. В последующих сериях исследований были определены функциональные характеристики белков, закодированных этими генами. Результаты показали, что аутофагия регулируется каскадом белков и белковых комплексов, каждый из которых управляет отдельными стадиями инициации и развития аутофагосомы.

Благодаря Осуми количество исследований, посвященных аутофагосомам, стало нарастать лавинообразно. Если в 1992 году, когда он сделал открытие, в научных журналах выходило примерно 20 статей на эту тему, то в последующие годы — примерно 5000.

Теперь известно, что аутофагия — это механизм, необходимый нашим клеткам. Он контролирует те важные физиологические функции, при которых клеточные компоненты должны быть разрушены и переработаны. Аутофагия может быстро обеспечить клетку топливом и предоставить строительные блоки для восстановления клеточных компонентов — вот почему она необходима для клетки во время голодания или в других стрессовых ситуациях. В случае заражения аутофагия может устранить вторжение внутриклеточных бактерий и вирусов. Аутофагия способствует развитию эмбрионов и дифференциации клеток. Также клетки используют механизм аутофагии, чтобы освободиться от дефектных белков и органелл.

Было открыто, что нарушение процесса аутофагии связано с болезнью Паркинсона, диабетом второго типа и другими расстройствами, которые обусловлены накоплением неутилизированных веществ. Чаще всего эта проблема встречается у пожилых людей. Мутации в генах, регулирующих аутофагию, могут вызвать генетическое заболевание. Нарушения в механизме аутофагии также ассоциированы с возникновением рака. Все это побудило научно-исследовательские группы к интенсивным разработкам препаратов для лечения различных тяжелых заболеваний. А ключ к этим разработкам дало открытие Ёсинори Осуми.

Когда один из авторов этой книги рассказала о нем на своей страничке в фейсбуке, посыпались вопросы на тему: правда ли, что голодание в течение 16 часов и более способствует не только похудению, но и защите от опухолей и возрастных изменений. Пока можно сказать определенно, что при культивировании клеток на низкопитательных средах значимо увеличивается число аутофагосом — следовательно, усиливается процесс утилизации белковых фрагментов и других «мусорных» частиц в клетках. Предположительно, это действительно может дать положительный эффект.

Глава 4. Медицинские методы: от пересадки органов до ЭКО

<…>

Ядерная физика на медицинской службе

Пол Лотербур, Питер Мэнсфилд

Всем известно, что человеческое тело примерно на две трети состоит из воды. Но лишь немногие знают, что именно на этом основано действие магнитно-резонансной томографии (МРТ). Дело в том, что содержание воды в конкретной ткани или органе варьирует, а в процессе многих заболеваний количество жидкости в том или ином месте меняется весьма значительно — именно такие изменения и фиксирует магнитно-резонансное изображение.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так вот, ядра атомов водорода при определенных обстоятельствах могут превращаться в микроскопический компас. Когда материя, содержащая воду, подвергается воздействию сильного магнитного поля, ядра атомов водорода упорядочиваются, как по команде «Смирно!». Под воздействием импульсов радиоволн энергия ядер меняется, переходит на другой уровень, а после такого воздействия ядра испускают резонансные волны, возвращаясь на прежний энергетический уровень. Небольшие различия в этих волнах, испускаемых ядрами атомов водорода, легко фиксируются. После серьезной компьютерной обработки можно построить трехмерное изображение исследуемого образца. Оно будет отражать структуру ткани, в том числе содержание воды в разных ее участках. Таким образом можно получить подробную картину состояния определенных органов. А поскольку итоговый сигнал получается цифровым, легко зафиксировать результаты обследования.

О возможности исследований с помощью ядерного магнитного резонанса было известно с середины XX века, но эффективно использовать это явление в медицинских целях удалось только в 1970-х годах. Американец Пол Лотербур обнаружил, что усиление или, наоборот, ослабление магнитного поля в заранее известных направлениях позволяет создать двумерное изображение структур, визуализировать которые другими методами невозможно. Англичанин Питер Мэнсфилд использовал разницу магнитных полей в противоположных направлениях для того, чтобы более точно определить различия в резонансных волнах, испускаемых ядрами. Он показал, как обнаруженные сигналы можно быстро и эффективно проанализировать и преобразовать в изображение. Это было важным шагом на пути к применяемому методу. Именно поэтому в 2003 году оба ученых были удостоены Нобелевской премии «за открытия, касающиеся метода магнитно-резонансной томографии».

Сразу после разработки и доработки магнитно-резонансная томография стала применяться на практике в больницах и госпиталях. Уже в начале 1980-х годов врачи стали осваивать первые серийные установки, а к началу XXI века в распоряжении медицинских работников были десятки тысяч аппаратов, совершавших миллионы обследований в год.

Большим преимуществом МРТ стало то, что она, по имеющимся на сегодня данным, совершенно безвредна. В отличие от компьютерной томографии или классического рентгеновского аппарата, МРТ не использует ионизирующее излучение, которое в определенных дозах представляет серьезную опасность для человека. Некоторые ограничения все же есть. Например, из-за того, что в аппаратах используется сильное магнитное поле, метод не применим для исследования людей с вживленным кардиостимулятором, с несъемными протезами, содержащими некоторые виды металлов, и даже с татуировками (в некоторых из них используется краска с содержанием металлов, и в сильном магнитном поле нательный рисунок может создать ожог или «поплыть»). Также использование техники требует определенной осторожности — в кабинете с аппаратом не должно быть металлических предметов, или они должны быть очень хорошо зафиксированы: ведь основа аппарата — очень мощный магнит.

Сегодня МРТ используют для изучения почти всех органов. Метод особенно ценен для детального изображения мозга — головного или спинного, а почти все нарушения этого органа приводят к изменению содержания воды в определенных участках. Иногда даже однопроцентного отклонения от нормы достаточно, чтобы обнаружить патологические изменения — а с этой задачей МРТ справляется легко.

Исследование при помощи магнитно-резонансного томографа отлично подходит для диагностики рассеянного склероза и для наблюдения за ходом этого заболевания. Рассеянный склероз характеризует местное воспаление в спинном и головном мозге, на МРТ-снимках можно увидеть, где локализуется воспаление и насколько оно интенсивно.

Предоперационная диагностика — еще одна область применения МРТ. С ее помощью можно получить трехмерные изображения и таким образом точно определить место поражения и, соответственно, масштаб будущего хирургического вмешательства. Такая информация очень помогает врачам. В некоторых микрохирургических операциях на головном мозге хирург может работать практически вслепую, руководствуясь только данными МРТ. Детализации изображений достаточно для того, чтобы точно размещать электроды в центральных областях мозга для лечения сильной боли или двигательных расстройств при болезни Паркинсона.

МРТ-обследование очень важно в диагностике, лечении и последующем наблюдении онкологических заболеваний. Изображения могут точно выявить границы опухоли, а это способствует более точному хирургическому или лучевому лечению. Перед хирургическим вмешательством важно знать, метастазировал ли первичный очаг опухоли в соседние ткани. МРТ может отличать нормальные ткани от опухолевых гораздо точнее, чем другие методы, и тем самым увеличивает шансы операции на успех. Применяется эта возможность и для уточнения стадии заболевания.

Рис. 19. Человек в аппарате для магнитно-резонансной томографии

Раньше для обследования пациентов часто применяли инвазивные методы. Их спектр широк: от инъекции до операции. В некоторых случаях такое обследование может привести к серьезным осложнениям. МРТ часто заменяет инвазивные методы и тем самым уменьшает дискомфорт или даже страдания пациентов. Яркий пример — исследование поджелудочной железы и желчных протоков с инъекцией контрастных веществ при помощи эндоскопа. Сегодня соответствующая информация может быть получена с помощью МРТ. Или давайте вспомним артроскопию, при которой оптический прибор вставляют прямо в сустав. Во время этой процедуры существует риск получить заражение крови. Но, к счастью, сегодня артроскопию можно заменить МРТ.

Изобретение магнитно-резонансной томографии — один из самых показательных случаев и не слишком частых случаев, когда научное открытие было использовано исключительно для нужд больных людей. Работа десятков выдающихся физиков, химиков, программистов, биологов и, конечно, врачей позволила получить простой, безопасный и очень эффективный метод диагностики, который помог миллионам пациентов.

Глава 6. Нобелевские открытия XXI века

<…>

Теломера, преодолевшая предел Хейфлика

Элизабет Блэкберн, Джек Шостак, Кэрол Грейдер

В 2009-м Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили трем ученым, которые экспериментальным путем смогли решить фундаментальную задачу биологии. Вот ее суть: как предотвратить укорочение хромосом при каждом последующем делении клеток, как копировать клетки неизмененными и таким образом продлевать жизнь организма и отодвигать старение. Американские цитогенетики Элизабет Блэкберн, Джек Шостак, а также биолог Кэрол Грейдер продемонстрировали ее решение: оно находится в концевых участках хромосом — теломерах. Ученые выделили фермент теломеразу, который препятствует укорочению хромосом.

Когда один из авторов этой книги еще училась на биологическом факультете МГУ, студентов только начинали знакомить с гипотезой советского ученого Алексея Оловникова. Гипотеза касалась участия теломер в механизме, обуславливающем конечное число делений клетки. Тогда было известно, что концевые участки хромосом представляют собой несколько сотен или тысяч одинаковых триплетов — а это и есть теломеры. Триплет — это последовательность из трех оснований, кодирующая одну аминокислоту, из которой в дальнейшем строятся белки. А теломеры не кодируют никаких белков, зачем они тогда — тем более в таком количестве? И почему это количество сокращается с каждым делением клетки?

Советский ученый Алексей Матвеевич Оловников в 1971 году предположил, что укорочение теломер — это и есть механизм, обуславливающий конечное число делений клетки (так называемый предел Хейфлика). В 1992 году было обнаружено, что дети с прогерией, умирающие от «старости» к 13 годам, просто уже рождаются с короткими теломерами. Так была обнаружена прямая связь между длиной теломер и старением.

Несмотря на очевидную корреляцию между длиной теломер и «возрастом» клеток, вопрос о причинно-следственной связи оставался открытым до 1999 года. Тогда в лаборатории удалось показать, что удлинение теломер останавливает старение — и клеток, и человеческих тканей. Осталось решить, как удлинить теломеры и остановить старение клетки, а вместе с ней и всего организма. В 2009 году Джеку Шостаку, Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн вручили Нобелевскую премию по медицине и физиологии «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы». Алексей Оловников в число нобелевских лауреатов не вошел, хотя именно его блестящая гипотеза легла в основу исследования, и это было признано биологическим и медицинским сообществом почти единогласно. Например, об этом говорит профессор Майкл Фоссел своей книге «Теломераза. Как сохранить молодость, укрепить здоровье и увеличить продолжительность жизни».

Вся наследственная информация, наш геном, хранится в хромосомах в молекулах ДНК. Уже в 1930 году Герман Мёллер (Нобелевская премия 1946 года) и Барбара Мак-Клинток (Нобелевская премия 1983 года) сделали такое предположение: структуры на концах хромосом, теломеры, могут играть защитную роль. Но как именно они работают — оставалось загадкой.

Разгадка забрезжила, когда ученые начали понимать, как именно происходит копирование генов. Когда клетка готовится к митозу, молекулы ДНК должны удвоиться, им помогает в этом фермент ДНК-полимераза, которая «садится» на одну из копируемых нитей на самом ее конце. Оловников рассказывал, что эта идея пришла ему в голову в метро, где он наблюдал за ремонтом путей. Рабочая вагонетка доходила до конца рельса и останавливалась, в результате рельс под ней оказывался не замененным. Такой же процесс происходит на самом конце ДНК, на котором «крепится» фермент. Он оказывается нескопированным, и при каждом последующем делении хромосома сокращается на эту величину недорепликации. Это происходит во многих клетках, но не во всех. Почему же бывают исключения?

Рис. 28. Хромосома. Отдельно показан концевой участок нити ДНК с повторяющимися последовательностями триплетов ТТАГГГ

Хромосому защищает концевой участок с повторяющимися основаниями ТТАГГГ, теломера. Эта последовательность, в отличие от триплетов, не кодирует белков. В каждой хромосоме таких одинаковых последовательностей несколько десятков. Так что, хоть при каждом делении участков теломер становится на одну меньше, клетка может совершать определенное число делений, почти не замечая такого убывания. Однако, когда теломер не остается, клетка перестает делиться, стареет и совершает апоптоз — самоуничтожение. Большинство нормальных клеток не делятся часто, поэтому их хромосомы не подвергаются риску сокращения. Многие ученые полагают, что укорочение теломер может быть причиной старения — как отдельных клеток, так и организма в целом. В отличие от нормальных клеток, злокачественно перерожденные, раковые клетки обладают способностью к неограниченному делению — и все же сохраняют свои теломеры. Было высказано предположение, что существует особый механизм или фермент, восстанавливающий длину теломер, в результате которого клетки способны практически к неограниченному делению.

Под Рождество 1984 года будущий нобелевский лауреат Кэрол Грейдер обнаружила признаки ферментативной активности в клеточном экстракте, который она исследовала. Так был открыт фермент теломераза. Его функция состоит в том, чтобы достраивать теломеру ДНК и обеспечивать таким образом платформу, которая позволяет ДНК-полимеразе скопировать всю длину хромосомы, не пропуская ее самую концевую часть. Исследователи изучили этот фермент: он оказался обратной транскриптазой; с ней связана особая молекула РНК, которая используется в качестве матрицы для обратной транскрипции во время удлинения теломер. Злокачественные клетки избегают клеточного старения и способны к неограниченной пролиферации (делению), так как в них увеличена активность теломеразы.

Со злокачественными опухолями организму бороться тяжело, потому что наша иммунная система не распознает их как чужеродные, и их деление выходит из-под контроля. Медицина достигла больших успехов в лечении онкологических заболеваний. Например, когда один из авторов этой книги защищал кандидатскую диссертацию на базе Гематологического научного центра, длительной ремиссии (другими словами, практически полного выздоровления) достигали только 20% детей с лимфолейкозами. Теперь с этим видом лейкоза научились бороться, и выздоравливают уже 80% детей. Однако не все виды опухолей поддаются терапии, и общего подхода к лечению онкобольных до сих пор не найдено. Поскольку в большинстве видов опухолей неограниченное деление клеток достигается за счет повышенной активности в них теломеразы, именно она могла бы быть мишенью для препаратов против рака. А значит, нужен препарат, который сможет отключить теломеразу в раковых клетках. Тогда процесс сокращения теломер возобновится, хромосомы в ходе интенсивного деления истощатся — и раковые клетки погибнут.

В настоящее время проводятся клинические исследования с целью оценки соединений, направленных против клеток с повышенной активностью теломеразы. Это одно из направлений практического использования открытия теломеразы. Другое связано с изучением привычек и образа жизни, способствующих удлинению теломер. Новейшие данные позволяют считать, что умеренные физические нагрузки увеличивают длину теломер, затормаживая старение. Для взрослого человека это 150–300 минут в неделю аэробной активности и 1–2 раза в неделю работы с легкими весами. Такие цифры приведены в исследовании 2018 года.

Исследования теломеразы продолжаются, ведь они связаны с ключевыми проблемами: старением и борьбой с раком.