4 января 2013 Автор: Константин Филиппович Суздалев

Нобелевсая премия по химии 2012

Твитнуть

Нобелевскую премию по химии 2012 года (1,2 млн долларов) разделили два американских исследователя – Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка. Их работа посвящена расшифровке строения рецепторов человеческого организма. Рецепторы представляют собой длинные белковые молекулы, посредством которых клетка взаимодействует с окружающей средой. Премия получена за исследование рецепторов, сопряжённых с G-белками (GPCR – G-protein-coupled receptors). Рецепторы, исследованные нобелевскими лауреатами, носят название трансмембранных, поскольку проходят сквозь мембрану клетки, связывая её с межклеточной жидкостью. Интересно, что изученные рецепторы проделывают путь через мембрану «туда и обратно» семь раз.

Они контролируют все жизненно важные процессы в организме человека. Уже известно, что около 60% всех известных лекарств действуют на организм человека через эти рецепторы. Из этого следует огромное значение открытия для медицины. Точнее – для медицины нового поколения – в будущем лекарства станут более эффективными, перестанут вызывать побочные эффекты и будут подбираться согласно генетической информации конкретного человека.

Разобраться в истории открытия Роберта Лефковица и Брайана Кобилки Вам поможет статья, взятая с сайта нобелевского комитета http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/#  в моём переводе:

 

Клетки и впечатлительность

В наших глазах, в носу и во рту, есть датчики света, запахов и вкусов. В организме клетки имеют аналогичные сенсоры для гормонов и сигнальных веществ, таких как адреналин, серотонин, гистамин и дофамин. В процессе эволюции, клетки неоднократно использовали один и тот же основной механизм для считывания сигналов окружающей среды: рецепторы, сопряжённые с G-белками. Однако они долго оставались скрытыми от исследователей.

…Вы слишком поздно задержались на работе. Луна освещает небо, вы идете домой с безлюдной автобусной остановки. Внезапно вы слышите шаги за спиной. Они быстро приближаются. «Ничего страшного», пытаетесь сказать Вы себе, «просто еще один работяга слишком долго засиделся на работе». Но жуткое чувство захватывает. Кто-то действительно есть сзади. Вот Вы уже бежите к вашему дому. Когда Вы открываете дверь, ваше тело трясется, сердце колотится, и вы задыхаетесь. В тот же момент, когда ваши глаза зарегистрировали приближающийся силуэт, ваше тело включается в активный режим (рис. 1). Нервные сигналы от мозга отправляют первое предупреждение телу. Гипофиз выпускает в кровоток гормоны, которые инициируют надпочечники. Они начинают выделять кортизон, адреналин и норадреналин, которые формируют второе предупреждение: пора действовать! Жировые клетки, клетки мышц, печени, сердца, легких и кровеносных сосудов отреагировали незамедлительно. Кровь насыщается сахаром и жиром, бронхи расширяются, и частота сердечных сокращений увеличивается — все изменяется так, чтобы мышцы могли получить больше энергии и кислорода. Цель организма в том, чтобы заставить вас работать так же быстро, как вы только можете, чтобы спасти вашу жизнь.

В организме человека, тысячи миллиардов клеток взаимодействуют. Большинство из них играют различные роли. Некоторые запасают жиры, другие регистрируют визуальные впечатления, производят гормоны или наращивают мышечную ткань. Чтобы мы жили и функционировали, очень важно, чтобы наши клетки работали в унисон, чтобы они могли чувствовать окружающую среду и знать, что происходит вокруг них. Для этого им нужны датчики. Они находятся на поверхности клетки и называются рецепторами. Роберт Дж. Лефковиц и Брайан К. Кобилка удостоены в 2012 году Нобелевской премии по химии за то, что описали, каким образом работает семейство клеточных датчиков, называемых рецепторами, сопряжёнными с G-белками. В этом семействе есть рецепторы адреналина, дофамина, серотонина, света, вкуса и запаха. Большинство физиологических процессов зависит от рецепторов, сопряжённых с G-белками. Около половины всех лекарств действуют через эти рецепторы, в том числе бета-блокаторы, антигистаминные препараты и различные виды психотропных препаратов. Знания о рецепторах, сопряжённых с G-белками, таким образом, может принести огромную пользу человечеству. Тем не менее, знания об этих рецепторах ускользали от ученых в течение длительного времени.

Рецепторы – сложная загадка

В конце 19-го века, когда ученые начали экспериментировать с действием адреналина на тело, они обнаружили, что он увеличивает частоту сердечного ритма и повышает кровяное давление, а также расслабляет зрачок. Поскольку что они предположили, что адреналин работает через нервы в теле, они парализовали нервную систему лабораторных животных. Однако и после этого эффект адреналина все еще проявляется. Их вывод был таким: клетки должны иметь какой-то рецептор, который позволяет им ощущать химические соединения — гормоны, яды и наркотики — в их окружении.

Но когда исследователи попытались найти эти рецепторы, они упёрлись в стену. Они хотели понять, как рецепторы выглядят и как они передают сигналы в клетки. Адреналин вводили за пределами клетки, но это приводило к изменениям в их метаболизме, что могло быть измерено внутри клетки. Каждая клетка имеет стенку: мембрану из жировых молекул, отделяющих её от окружающей среды. Как же сигнал проходит через эту стенку? Как содержимое клетки узнаёт, что происходит за её пределами?

Рецепторы оставались не идентифицированными на протяжении десятилетий. Несмотря на это, ученым удавалось разрабатывать лекарственные препараты, действующие через один из этих рецепторов. В 1940 году американский ученый Раймонд Алквист исследовал, как различные органы реагируют на различные адреналин-подобные вещества. Работа привела его к выводу, что должны быть два разных типа адреналиновых рецепторов: тот, который в первую очередь обеспечивает контакт клеток гладкой мускулатуры с кровеносными сосудами, и другой, который в первую очередь стимулирует сердце. Он назвал эти рецепторы альфа и бета. Вскоре после этого, ученые разработали первые бета-блокаторы, которые в настоящее время являются наиболее часто используемыми нами лекарствами в терапии болезней сердца.

Такие препараты, несомненно, производят эффекты в клетках, но как это происходит, так и осталось загадкой. Мы теперь знаем, почему рецепторы было так трудно найти: их относительно мало, и они также в основном инкапсулируются в стенке клетки. Через пару десятилетий, даже Алквист начал чувствовать себя неуверенным в своей теории о двух различных видах рецепторов. Он пишет: "Для меня это была абстрактная концепция, придуманная, чтобы объяснить наблюдаемые реакции тканей на вещества различной структуры».

Именно в это время, в конце 1960-х годов, Роберт Лефковиц, один из лауреатов Нобелевской премии 2012 года, входит в историю изучения этих рецепторов.

Выманивание рецепторов из их укрытий

Молодой перспективный студент мечтал стать кардиологом. Однако он заканчивает учёбу в разгар войны во Вьетнаме, и проходит военную службу в системе здравоохранения США в научно-исследовательских институтах национального здравоохранения. Там он занимается решением важной задачи: найти рецепторы. У руководителя Лефковица уже есть план. Он предлагает связать радиоактивный йод с гормоном. Затем, когда гормон свяжется с поверхностью клетки, излучение от йода сделает возможным пометить рецептор. Более того, Лефковиц хочет разобраться подробнее и показать, что связывание гормона за пределами клетки на самом деле запускает процесс внутри клетки. Если бы он мог преуспеть в этом, никто не мог сомневаться, что он действительно открыл биологически функционирующий рецептор.

Лефковиц начинает работать с адренокортикотропным гормоном, который стимулирует производство адреналина в надпочечниках. Однако работа проходит безуспешно. Проходит год, но он не добивается никакого прогресса. Лефковиц как кто бы то ни был заинтересован в результатах, и у него начинается отчаяние. Он уже мечтает стать врачом, но, всё же продолжает исследование.

Так проект входит во второй год, и, наконец, появляются некоторые успехи. В 1970 году Лефковиц публикует статьи в двух престижных журналах, Трудах Национальной академии наук — Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и Science, где описывает открытие активных рецепторов. Признание прививает ему вкус к исследованиям, и, в конце концов, его принимают на работу в Университет Дьюка в Северной Каролине. Не то, что он особенно был заинтересован в переезде, но ему делают ему предложение, от которого нельзя отказаться.

В новой лаборатории Лефковиц формирует собственную исследовательскую группу. Хотя, похоже, он никогда и не станет кардиологом, но он по-прежнему хочет работать с болезнями сердца. Он сосредоточивает исследования на рецепторах адреналина и норадреналина, так называемых адренергических рецепторах. Используя радиоактивно меченые вещества, в том числе бета-блокаторы, его группа исследует, как эти рецепторы работают. После тонкой настройки инструментария, им удается с большим мастерством извлечь ряд рецепторов из биологических тканей.

Между тем, знание о том, что происходит внутри клетки, растет. Исследователи обнаружили, что так называемые G-белки (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1994), активируются с помощью сигнала, поступающего с рецептора. G-белки, в свою очередь, запускает цепь реакций, которые изменяют метаболизм клетке. К началу 1980-х годов, ученые начинают получить представление о процессах, по которым сигналы снаружи передаются внутрь клетки (рис. 2).

Ген — ключ к новым озарениям

В 1980 году Лефковиц решает, что его исследовательская группа должна попытаться найти ген, который кодирует синтез бета-рецепторов. Это решение оказало решающее значение для получения Нобелевской премии 2012 года. Ген похож на план. Он содержит код, который считывается клеткой, когда она соединяет аминокислоты для создания белка, например, белка, из которого состоит рецептор. Идея заключалась в том, что если бы исследовательская группа смогла изолировать ген, то стало бы возможным прочитать код для создания бета-рецепторов, а затем получить подсказки о том, как рецептор работает.

Примерно в то же время, Лефковиц нанимает молодого врача, Брайана Кобилку. Его увлечение адренергическими рецепторами началось во время работы в больнице интенсивной терапии. Выброс адреналина разделяет  жизнь и смерть. Гормон открывает опухшую дыхательную систему и ускоряет частоту сердечных сокращений. Кобилка хотел разгадать причину мощного действия адреналина в мельчайших деталях на уровне молекул, что сближало его интересы с работой группы Лефковица.

Кобилка участвует в охоте на ген. Однако, в течение 1980-х годов, попытка найти конкретный ген в огромном геноме организма похожа на попытку найти иголку в стоге сена. Технически сложный проект продвигается туго. Тем не менее, у Кобилки есть гениальная идея, которая сделает возможным выделение гена. С большим предвосхищением чего-то важного, исследователи начинают анализировать генетический ​​код, который показывает, что рецептор состоит из семи длинных жирных (гидрофобных) спиральных струн — так называемых спиралей (рис. 3). Это говорит ученым, что рецептор, вероятно, проходит путь туда и обратно через клеточную стенку семь раз.

Семь раз. Но такое же количество струн и та же форма спирали есть и у другого рецептора, который уже были обнаружен в другой части тела: рецептора света родопсина в сетчатке глаза. Идея родилась: могли ли эти два рецептора быть связаны, даже если они имеют совершенно разные функции?

Роберт Лефковиц позже описал это как «настоящий момент открытия». Он знал, что оба адренорецептора и родопсин взаимодействуют с G-белками внутри клетки. Он также знал, что существует около 30 других рецепторов, которые работают через G-белки. Вывод: должно существовать целое семейство рецепторов, которые похожи друг на друга и которые одинаково функционируют!

С этого грандиозного открытия, головоломка была собрана по крупицам, и теперь ученые располагают подробной информацией о рецепторах, сопряженных с G-белком — как они работают и как они регулируются на молекулярном уровне. Лефковиц и Кобилка были в авангарде всего этого научного пути, и в 2011 году, Кобилка и его группа исследователей сообщили о находке, которая увенчала их работу.

Отображение эффектов адреналина

После успешной изоляции гена, Брайан Кобилка поступает на работу на Медицинский факультет Стэнфордского университета в Калифорнии. Там он задался целью создать картинку рецептора – что было недостижимо  по мнению большинства членов научного сообщества. И правда, это для Кобилки стало долгим путешествием. Изображение белка представляет собой процесс, включающий множество сложных шагов. Молекулы белков слишком малы, чтобы разглядеть их через обычный микроскоп. Поэтому ученые используют метод рентгеноструктурного анализа. Они начинают с выращивания кристалла, где молекулы белков плотно упакованы в симметричный узор, как молекулы воды упакованных в кристалле льда или атомы углерода в алмазе. Затем исследователи пропускают  рентгеновские лучи через кристалл белка. Когда лучи проходят через белок, они рассеиваются. По этой картине дифракции (рассеивания), ученые могут определить, в каком порядке атомы расположены в белке.

Первое отображение структуры белка было проведено в 1950 году. С тех пор ученые получили рентгенограммы и отобразили структуры тысяч белков. Тем не менее, большинство из этих белков были водорастворимыми, что облегчает процесс выращивания кристаллов. Гораздо меньшему числу исследователей удалось изображение белков, расположенных в жирных мембранах клетки. В воде такие белки растворяются так же плохо, как масло, и они склонны образовывать комки. Кроме того, рецепторы, сопряжённые с G-белками по своей природе очень мобильны (они передают сигналы двигаясь), но внутри кристалла, они должны оставаться почти полностью неподвижными. Превратить их в кристаллы представляет большую проблему.

Кобилке потребовалось более двух десятилетий, чтобы найти решение всех этих проблем. Но благодаря решимости, креативности, методам молекулярной биологии и ловкости рук, Кобилка и его группа наконец, достигли своих целей в 2011 году: они получили изображение рецептора в тот самый момент, когда он передает сигнал от гормонов на внешней стороне клетки к G-белку внутри клетки (рис. 3).

Изображение, опубликованное в Nature, раскрывает новые подробности о рецепторах, связанных с G-белком, например, то, как активированный рецептор выглядит, когда она открывает полость, с которой связывается G-белок. (рис. 4). Такие знания будут очень полезны в будущем для разработки новых фармацевтических препаратов.

Жизнь нуждается в гибкости

Расшифровка генома человека показала, что существует около тысячи генов, которые кодируют рецепторы, сопряжённые с G-белками. Около половины из этих рецепторов определяют запахи и являются частью обонятельной системы. Треть из них являются рецепторами гормонов и сигнальных веществ, таких как дофамин, серотонин, простагландины, глюкагон и гистамин. Некоторые рецепторы захватывают свет, который попадает в глаза, в то время как другие находятся на языке и дают нам чувство вкуса. Более ста рецепторов по-прежнему являются проблемой для учёных, как их функции до сих пор не выяснены.

            Помимо обнаружения многих вариаций рецепторов, исследователи во главе с Лефковицем и Кобилкой обнаружили, что рецепторы являются многофункциональными, один и тот же рецептор распознает несколько различных гормонов на внешней стороне клетки. Кроме того, на внутренней стороне, они могут взаимодействовать не только с G-белками, но также, например, с белками называемыми аррестинами. Осознание того, что эти рецепторы не всегда связаны с G-белками, привело к их переименованию в семиспиральные трансмембранные рецепторы (7-ТМ), поскольку их семь спиралевидных струн проходят через клеточную стенку.

            Большое число рецепторов и их гибкость позволяют тонко настроить регулирование клеток, чего требует сама жизнь. Давайте вспомним ситуацию на безлюдной автобусной остановке. Когда кровь наполняется адреналином, различные ткани реагируют по-разному. Приток крови к органам пищеварения уменьшается, между тем, поток в мышцах увеличивается. Различные эффекты, производимые адреналином, зависят от наличия, по меньшей мере, девяти видов рецепторов этого гормона в нашем организме. Некоторые рецепторы запускают клеточную активность, в то время как другие проявляют успокаивающий эффект.

            Так, в следующий раз, когда вы напуганы, чувствуете вкус хорошей еды, или просто смотрите на звезды, подумайте о рецепторах, связанных с G-белком. Без них клетки будут конфликтовать, и хаос воцарится в вашем теле.

Авторский перевод. При перепечатке ссылка на сайт http://www.chemexp.ru/ обязательна.

Твитнуть Рубрика: Новости.
Метки: адреналин, Нобелевсая премия по химии 2012, рецепторы сопряжённые с G-белками, строение рецепторов, трансмембранные рецепторы