Кисень проти раку: ключ до загадки століття
У 2019 році американські науковці Грег Семенза та Вільям Келін-молодший, а також їхній колега з великої британії Пітер Реткліфф отримали Нобелівську премію з медицини та фізіології «за відкриття того, як клітини реагують та адаптуються до доступності кисню».
Коли бракує повітря
Організм людини постійно потребує енергії – він мусить підтримувати свою складну організацію, стабільну температуру, здатність активно рухатися. Що приводить у рух складний багатоклітинний організм? Передусім, високоефективний процес метаболізму, провідну роль у якому відіграє кисень. Саме О2 підтримує функціонування усіх органів людини і бере безпосередню участь в акумуляції енергії з поживних речовин, які надходять в організм у процесі споживання їжі. Від кисню залежить нормальне кровопостачання клітин та правильний обмін речовин; і коли кисню не вистачає, організм стикається з серйозними викликами, яким він мусить давати раду на рівні клітин, органів та систем. Зрозуміло, що при цьому запускаються різноманітні механізми,які дозволяють впоратися з нестачею кисню з якнайменшими втратами. Приміром, зростання інтенсивності дихання – чи не найпростіша фізіологічна відповідь організму на гіпоксію.
До слова, «стрибки» рівня кисню можуть бути спричинені деякими хворобами, інтенсивністю дихання, якістю повітря – наприклад, рівнем його забрудненості тощо. Всі ці фактори вже понад століття добре відомі науковцям, як і те, що гіпоксія перешкоджає нормальній роботі усіх систем. Проте ще одне важливе питання протягом тривалого часу непокоїть учених: як клітинам вдається адаптуватися до кисневих «коливань» та продовжувати функціонувати в нормальному режимі?
Ідеальне рішення
HIF є своєрідною демонстрацією креативності людського організму. Традиційний алгоритм розв’язання такої проблеми, як гіпоксія, міг би мати такий вигляд. Під час зниження рівню кисню білки-сенсори запускали б експресію гена, завдяки чому його рівень поступово зростав би, що активізувало б «цільові» HIF-залежні гени. Проте цей алгоритм мав би великий мінус: це займало б чимало часу, тоді як при гіпоксії організму необхідно реагувати на кризу дуже швидко. А постійний виробіток HIF ідеально вирішує цю проблему.
Питання у ретроспективі
Аспектами процесу дихання науковці зацікавилися вже давно. Важливим часовим відрізком на таймлайні є 1880-ті, пов’язані з дослідженнями відомого французького вченого Поля Бера, який вивчав реакцію організму на стрибок рівня кисню при сходженні на гору. Він з’ясував, що під час підйому на висоту в крові людини зростає кількість еритроцитів, що й допомагає організму адаптуватися. Це явище пов’язане зі стимуляцією утворення в нирках еритропоетину – гормону, який відповідає за вироблення еритроцитів кістковим мозком. Уже на початку ХХ століття стало зрозумілим, що під час гіпоксії збільшується кількість еритроцитів. Дослідження процесу дихання тривали, а їхні автори були неодноразово відзначені Нобелівським комітетом. У 1931 році Нобелівську премію отримав німецький фізіолог Отто Варбург, який досліджував цитохромоксидазу (фермент, що бере участь у процесі дихання на клітинному рівні), а у 1938-му – його бельгійський колега Корней Гейманс, який з’ясував значення каротидних тіл у регуляції дихання. У 1970–1980-х роках вчені виділили ген еритропоетину. Однак точний механізм, завдяки якому організм починає продукувати червоні кров’яні тільця, залишався до кінця не зрозумілим.
«Це те, що робить наукову діяльність такою захопливою, – ти ніколи не знаєш напевно, куди приведе дослідження». «Я думаю, {в науці} дійсно важливі люди, які працюють «на перетині» між дослідженнями та {практичною} медициною – це полегшує відкриття знань, що в кінцевому підсумку сприятиме покращенню клінічної практики».
На клітинному рівні
Зіткнувшись із дефіцитом кисню, організм змушений одразу ввімкнути режим компенсації, отримавши відповідний сигнал від клітин. Як саме реагує клітина? Вивчаючи це питання, минулорічні нобелівські лауреати – Семенза, Реткліфф та Келін-молодший – виявили вельми значущі генетичні аспекти. Експерименти на мишах, які здійснював Грег Семенза, показали, що дефіцит кисню чинить вплив на ті ділянки ДНК, що контролюють утворення еритропоетину.
Грег Семенза, США (1956 р. н.)
Американський педіатр та генетик, професор університету Джона Гопкінса, член Національної академії наук США та Національної медичної академії США. З 1986 року Семенза обіймає посаду постдокторанта з медичної генетики в Університеті Джона Гопкінса. Працює у школі медицини цього університету на кафедрах: медицини, педіатрії, онкології, радіаційної онкології, біохімії. Він також є професором C. Michael Armstrong Professor, шеф-редактором журналу Journal of Molecular Medicine, членом редколегій багатьох інших відомих галузевих видань та лауреатом кількох почесних премій. Семенза вважає, що дослідження, які привели до здобуття Нобелівської премії, були в певному сенсі «головоломкою», вирішення якої потенційно здатне вплинути на здоров’я людей, що є найважливішою складовою процесу
Одночасно з американським науковцем вивченням цього питання займався сер Пітер Реткліфф у Великій Британії. З 1989 року він досліджував процес регулювання вироблення еритропоетину клітинами нирок. Реткліфф та його колеги зрозуміли, що посилення продукування гормону є не єдиною можливою реакцією організму на гіпоксію: робота десятків типів клітин так чи інакше змінюється при дефіциті кисню. Зрештою вчений дійшов висновку, що не лише у нирках, а майже у всіх тканинах діє механізм, який допомагає клітинам відчути нестачу кисню й відреагувати.
Пітер Реткліфф, Велика Британія (1954 р. н.)
Молекулярний біолог, співробітник Інституту Френсіса Кріка у Великій Британії.
Спеціаліст із гіпоксії та oxygen sensing (як клітини відчувають кисень).
У 1990 році заснував в Оксфорді лабораторію гіпоксії, яку очолював понад 20 років. Реткліфф – лауреат багатьох премій, член Лондонського королівського товариства, почесний іноземний член Американської академії мистецтв і наук.
Нестабільний чинник
З огляду на те, що різні типи клітин схоже реагують на гіпоксію, Семенза шукав відповідь на питання: що дає старт роботі генів різних клітин за умови браку кисню? І в 1995 році він відкрив HIF (Hipoxia-inducible factor) – «фактор, що індукує гіпоксія», який кодується геном HIF-1A, а також білок HIF1A (HIF-1α). У подальших дослідженнях Семензи та його колег це відкриття мало важливе значення.
«...Я думаю, це важливе питання – те, що ми створюємо знання. Я займаюся цим як науковець, якого фінансує держава. Ці знання мають лише одну якість, яку можна визначити насправді: це хороші знання, вони правдиві, вони правильні. Ідея, що деякі знання можуть бути більш цінними, ніж інші, напевно, є слушною, але оцінити її в перспективі надзвичайно складно, і це приклад, коли ми вирушили в подорож без чіткого розуміння цінності цих знань; і я думаю, вони набули значення...»
Прагнучи реконструювати процеси, що відбуваються в організмі на молекулярному рівні, Семенза та Реткліфф передусім ретельно дослідили склад молекули комплексу HIF1. Вони з’ясували, що з початком гіпоксії кількість HIF1 в організмі відразу зростає. Молекули цього білка починають зв’язуватися з геном, який контролює продукування еритропоетину – а він у свою чергу стимулює утворення нових еритроцитів. Далі належало з’ясувати, як регулюється кількість HIF1 у клітині.
«Ми вирішили проблему регулювання еритропоетину (ЕPO), яка могла здатися – і декому здавалася – загадкою, але я вважав, що цей аспект може бути простеженим, а отже, й вирішеним. Це дуже важливо, що задача має потенціал бути розв’язаною. І, звичайно, як і майже в будь-якій науці, пов’язаній з відкриттями, значення стає очевидним пізніше, і ми не передбачили, наскільки широким може бути «охоплення» цієї системи, коли починали роботу».
На шляху до розгадки
До з’ясування цього питання наблизили дослідження Вільяма Келіна-молодшого, вченого, який займався спадковою хворобою Гіппеля-Ліндау (VHL). Науковець прискіпливо вивчав сімейний анамнез багатьох хворих і виявив, що геномом родин, де траплявся цей синдром, мандрувала «бракована» копія одного гена. Далі вчений помітив цікаву деталь: ці хворі клітини зі «зламаним» геном демонстрували ознаки гіпоксії. Тому стало очевидним, що всі шляхи ведуть до кисню, але належало зрозуміти, в чому конкретно полягає його роль.
Вільям Келін-молодший, США (1957 р. н.)
Американський онколог, професор Dana-Farber Cancer Institute у Гарварді, член Національної академії наук США та Національної медичної академії США.
Спочатку Келін займався дослідженнями, які, на перший погляд, мало пов’язані з відкриттями Семензи та Реткліффа. Зокрема, його цікавили генетичні аспекти появи ретинобластоми, а також хвороби Гіппеля-Ліндау (VHL) – рідкісної патології, яка підвищує ризик розвитку онкологічних процесів у організмі. Згодом Вільям Келін приєднався до досліджень Семензи та Реткліффа, присвячених гену VHL та його ролі у пригніченні росту пухлин.
Роки досліджень привели Келіна до вагомого відкриття, пов’язаного з білком VHL, який нині відомий як пухлинний супресор pVHL. Уже всередині 90-х років науковці з його групи, досліджуючи карциному нирки, з’ясували, що білок VHL, який кодується геном VHL, має здатність до супресії (пригнічення) росту пухлин.
Келін-молодший помітив, що злоякісні клітини активізують продукування надзвичайної кількості генів, регульованих гіпоксією. Звернув він увагу й на те, що ситуація повторюється при введенні гена VHL. Таким чином, Келін віднайшов беззаперечний аргумент на користь того, що дія гена-супресора пухлин прямо пов’язана з дефіцитом кисню.
«…Як незалежний дослідник, я зосередився насамперед на білку-супресорі пухлин Гіппеля-Ліндау (pVHL), який є дефектним при найпоширенішій формі раку нирки. Ми показали, що pVHL є частиною комплексу убіквітін-лігази, який у присутності кисню «націлюється» на транскрипційний фактор HIF з метою протеасомної деградації. Більше того, ми показали, що зв’язування pVHL з HIF вимагає, щоб HIF був проліл-гідроксілованим О2-залежними ферментами, забезпечуючи тим самим механізм, за допомогою якого клітини відчувають і адаптуються до змін кисню».
Тим часом Реткліфф разом зі своїми колегами продовжували дослідження і зробили ще чимало відкриттів, зокрема, про приналежність VHL до частини комплексу, який «позначає» білки, що повинні бути зруйновані. Згодом наукова група Реткліффа підтвердила, що за умови нормального рівня кисню в крові білок VHL взаємодіє з комплексом HIF-1А. Вчені з’ясували, який фрагмент молекули білка HIF-1А вирішальний, коли йдеться про його руйнування за допомогою білка VHL. Реткліфф та Келін-молодший дійшли висновку, що ця частина молекули може визначати чутливість до кисню. Таким чином, їхні дослідження допомогли визначити, як клітини адаптуються до коливань рівня кисню у крові.
У пошуках практичного застосування
Онкологічні захворювання залишаються однією з невирішених проблем людства, й ідея пошуку нових, досконаліших методів подолання раку є лейтмотивом досліджень багатьох нобелівських лауреатів. Так, у 2018-му нагороду отримали Джеймс Аллісон і Тасуко Хондзьо, які розробили нову методику імунотерапії онкологічних патологій.
Цілком імовірно, до практичних здобутків у боротьбі з раком призведуть і відкриття лауреатів 2019-го. До світової слави Семенза, Реткліфф та Келін ішли наполегливо й довго. За мотивами 20-річної хроніки їхніх відкриттів можна було б створити цілий науковий детектив із численними ребусами, що поставали на шляху дослідників і які вони блискуче розгадували. Зрештою вони отримали найважливіший результат: розуміння того, як клітини реагують на кисень, що безумовно відіграє вагому роль у боротьбі з онкологічними захворюваннями.
Вони припускають: маючи можливість впливу на цей механізм, можна було б перешкоджати утворенню нових судин, які з’являються у злоякісних новоутвореннях і живлять їх. Адже будучи частиною живого організму, злоякісне утворення також відчуває потребу дихати. Подібно до того, як брак О2 відчувають клітини м’язів людини під час фізичних навантажень або, скажімо, весь організм альпініста під час сходження на високогір’я, пухлина також переживає «стрес», зіткнувшись із нестачею кисню. Завдання вчених – використати цю її «слабкість» у боротьбі проти раку, тобто навчитись регулювати HIF-1A, що пов’язаний зі змінами рівня кисню.
HIF-1 керує експресією понад 300 генів, і практично всі аспекти онкологічних процесів відбуваються за його участю. Стало зрозуміло, що інгібітори гена є потенційно ефективними протираковими препаратами – це дозволяє припустити, що саме він має стати ціллю протиракової терапії.
Яке значення мають дослідження Семензи, Реткліффа та Келіна у контексті лікування онкологічних захворювань? Революційне, з огляду на той важливий факт, що кисень сприяє швидкому росту тканини, зокрема й агресивному збільшенню злоякісних утворень. Варто «перекрити» пухлині кисень і Û зростання буде уповільнене або й зовсім припиниться.
