БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 4, с. 485 - 488
- ХРОНИКА
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 2013 г. В ОБЛАСТИ ФИЗИОЛОГИИ ИЛИ МЕДИЦИНЫ
© 2014 Е.С. Надеждина
Нобелевская премия 2013 г. в области физиологии или медицины присуждена совместно ученым из США Джеймсу Ротману (James E. Roth-man), Рэнди Шекману (Randy W. Schekman) и Томасу Зюдхофу (Thomas C. Sudhof) за «открытие механизмов регуляции везикулярного транспорта, главной транспортной системы в наших клетках». Формулировка очень осторожная: не «за открытие механизма транспорта», а «за открытие механизма регуляции транспорта». В формулировке употреблено слово «traffic», трудно переводимое на русский язык, разве что как «трафик», и означающее скорее «перевозки», «уличное движение», «грузооборот», чем «транспорт», подразумевающий доставку груза из пункта А в пункт Б. Однако термин «traffic» укоренился для обозначения перемещений везикул в клетках, учрежден даже журнал Traffic, посвященный этому явлению, а термин «transport» оставлен для описания направленного переноса в клетках и в организме различных веществ, например, их транспорта специфическими белками через мембрану.
Премированные Нобелевской премией в 2013 г. достижения физиологии или медицины являются достижениями именно фундаментальной науки, в данном случае — молекулярной биологии клетки и биохимии клетки, что было немедленно отмечено научным сообществом. Дон Кливленд, Президент ASCB (Американского общества биологии клетки), членами которого являются Р. Шекман и Дж. Ротман, написал в своем письме по поводу присуждения премии: «Одной из величайших радостей Нобелевской премии является то, что она позволяет нам вспомнить, где наша наука была до совершенного прорыва. Сегодня утром я понял, что я не могу себе представить физиологии клетки без работ Рэнди и Джима. Это действительно достойное премии достижение. ... В трудные времена, когда наше общество склонно столкнуть на обочину поддержку фундаментальных исследований, двое ученых продемонстрировали великую силу нашей науки». Трудно сказать, собирался ли Нобелевский комитет повлиять на общественное мнение о фундаментальной науке,
ставшее очень уж критическим в последнее время, но свое слово он сказал.
Работа Ротмана, Шекмана и Зюдхофа является логичным продолжением работ по расшифровке внутреннего устройства клеток, которые были отмечены Нобелевской премией по физиологии или медицине в 1974 г. (А. Клод, Дж. Па-ладе, К. ДеДюв, «за их открытия в области структурно-функциональной организации клетки»). К 1974 г. усилия исследователей, вооруженных электронной микроскопией, дифференциальным центрифугированием и радиоавтографией привели к пониманию того, что в клетках имеется множество компартментов, в частности, мембранных везикул. К 2013 г., когда были привлечены генетические и молекулярно-биологические подходы, а также флуоресцентная микроскопия, стало ясно, что разнообразие везикул очень велико, в частности, за счет белков их мембран и взаимодействия везикул друг с другом определенным образом, в нужном месте и нужное время. Везикулярный транспорт — это и секреция, в разной степени свойственная большинству клеток, и работа нервной системы, и такое явление, как аутофагия.
Как нобелиаты пришли к своим достижениям? Следует заметить, что из духа (просвещения), сына (опыта), гения (парадоксов друга) и бога (случая-изобретателя) в наибольшей степени в исследованиях лауреатов участвовали первые трое; никто из лауреатов не рассказал о восхитительном случае, который привел к потрясающему открытию. По-видимому, у них и не было ничего похожего на заросшую плесенью чашку Петри с микробами, из которой произошел пенициллин, а была длительная серьезная работа, причем в великолепных интеллектуальных и материальных условиях. Лауреаты проводили свои исследования в ведущих университетах США — Калифорнийском в Беркли, Стенфорд-ском, Йельском, Принстонском, Колумбийском, Техасском, в Массачусетском технологическом институте, они были поддержаны Медицинским институтом Ховарда Хьюза. Путь лауреатов к вершинам науки был скорее похож на широкую столбовую дорогу, чем на каменистые
тропы. Для двух из них было выполнено знаменитое правило, что нобелиатом можно стать, только работая у нобелиата. Р. Шекман выполнял свои первые исследования под руководством известного А. Корнберга, нобелевского лауреата 1959 г., Т. Зюдхоф, получивший докторскую степень в Гетингенском университете в Германии, начинал карьеру в США, работая в лаборатории двух нобелевских лауреатов (1985 г.) — Дж. Голдштейна и М. Брауна. Очень яркая личность, Дж. Ротман шел своим путем. Он закончил элитную частную школу,изатем получил степень бакалавра по физике в Йельском колледже и поступил в Гарвард, где сосредоточился на биохимии и выполнял свою работу на докторскую степень под руководством Ю. Кеннеди, известного профессора, члена американской Национальной академии наук, о котором всегда отзывался с восхищением и уважением. Далее Дж. Рот-ману довелось поработать в лаборатории Х. Ло-диша, автора известного фундаментального учебника по молекулярной биологии клетки. В своих выступлениях Дж. Ротман всегда подчеркивал, что для него была гораздо важнее наука, чем карьера в науке.
Как же были сделаны выдающиеся работы лауреатов? Рэнди Шекман опубликовал свое первое исследование [1] из серии, приведшей его к нобелевской премии, в 1979 г., в возрасте 31 года. Тема его диссертации, защищенной четырьмя годами ранее, была совершенно иной, про механизмы репликации ДНК. Получив самостоятельную лабораторию, Шекман в качестве нового направления своих исследований выбрал расшифровку регуляции везикулярного транспорта. Шекман обратился к изучению дрожжевых мутантов, применяя химический мутагенез с последующим отбором температуро-чувствительных колоний, не растущих при 37°. Эта модель хорошо зарекомендовала себя также при идентификации белков-регуляторов клеточного цикла (группа белков CDC, открытие отмечено Нобелевской премией 2001 г.), трансляционных факторов и т.д. Среди колоний дрожжей с температуро-чувствительным ростом Шекман обнаружил колонию с температуро-чувствительной секрецией кислой фосфатазы. При рестриктивной температуре фермент не секретировался из клеток и не включал сульфат, а при переходе к пермиссивной температуре секреция резко возрастала, но некоторое время не зависела от биосинтеза белка. Изучение мутанта в электронном микроскопе показало, что при рестриктивной температуре он накапливает в цитоплазме многочисленные везикулы с кислой фосфатазой, и клетки на срезе имеют «кружевной» вид. Так был обнаружен и охарактери-
зован первый ген из серии SEC (от secretion), SEC1-1. Судьба белка SEC1 оказалась сложной: вскоре было выяснено, что этот белок не является главным в везикулярном трафике, впрочем, и CDC1 — не главный белок в клеточном цикле. Ортолог SEC1 у млекопитающих, белок Munc-18, оказался важен для синаптической передачи в нейронах, но об этом далее. Уже в следующем году Шекман с соавторами опубликовал работу [2], в которой, проведя предварительный отбор мутантов, основанный на увеличении их плавучей плотности из-за накопления предназначенных к секреции продуктов (вот блестящая идея!), описал 23 мутанта, накапливавших ин-вертазу при рестриктивной температуре. Теперь уже оказались описанными такие известные консервативные гены как SEC13, SEC16, SEC23, кодирующие структурные белки окаймления везикул. Интересно, что многим исследователям в то время казалось, что 23 белка — это многовато для такой «простой» вещи, как секреция у дрожжей. Конечно, это заблуждение вскоре было развеяно: белков, регулирующих секрецию, гораздо больше. В итоге длительной работы Шекману удалось расшифровать строение COPII-окаймления везикул, описать первую Rab-ГТФазу (SEC4), открыть феномен слияния везикул (белок SEC18) и составить целостную картину всего процесса [3, 4]. Созданная им галерея участвующих в везикулярном трафике белков дрожжей значительно помогла исследователям, изучающим везикулярный трафик у других организмов и на других клеточных моделях.
Джеймс Ротман, создав свою лабораторию в 1978 г., в возрасте 28 лет, также начал изучать везикулярный транспорт. В своей речи на присуждении ему вильсоновской премии ASCB в 2010 г., Ротман сказал: «Чтобы быть полностью откровенным, я должен заметить, что я случайно стал исследователем аппарата Гольджи, но я признаюсь, что он стал моим настоящим пристрастием. Я расскажу, как Гольджи и я пересекались, почему это были отношения любви-ненависти, и почему, несмотря на это, мы по-прежнему вместе» [5]. Ротман для изучения везикулярного транспорта использовал систему in vitro, бесклеточную модель, что потребовало филигранной техники исполнения сложнейших экспериментов. Выделенные из животных клеток мембранные фракции инкубировали с клеточным экстрактом, полученным без применения детергентов. Успеху Ротмана способствовала точность в постановке вопросов исследования, которую он почерпнул от своего учителя Ю. Кеннеди. На бесклеточной модели Ротман исследовал транспорт белка G вируса везикулярного стоматита (VSV-G), о котором уже было известно, что для
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 2013 г. В ОБЛАСТИ ФИЗИОЛОГИИ ИЛИ МЕДИЦИНЫ 487
своего созревания он должен пройти через аппарат Гольджи и гликозилироваться. Ротман выделял микросомную фракцию из зараженных VSV культивируемых клеток, дефицитных по гликозилтрансферазе, в которых VSV-G не мог гликозилироваться. К ней добавлялась микро-сомная фракция незараженных клеток, клеточный экстракт (надмикросомный супернатант) и АТФ, далее измерялось гликозилирование VSV-G и наблюдалась морфология микросом. Ротман полагал, что изучает транспорт от эндоплазма-тического ретикулума к аппарату Гольджи, но оказалось, что на самом деле в его модели наблюдался транспорт между цистернами аппарата Гольджи, поскольку транспорт от эндоплазма-тического ретикулума до аппарата Гольджи успевал пройти за время сбора клеток и их лизиса. В своих препаратах Ротман впервые увидел крупные везикулы, покрытые мелкими пузырьками, готовыми от них отщепиться. Так был открыт COPI-зависимый транспорт, т.е. отщеплени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.