Століттями ми розуміємо фундаментальне значення кисню, але як саме клітини адаптуються до змін його рівня, невідомо. Вільям Каелін-молодший, сер Пітер Дж. Раткліфф та Грегг Л. Семенца виявили, як клітини можуть відчувати й адаптуватися до змін доступності кисню. Вони визначили молекулярний механізм, який регулює активність генів у відповідь на різний рівень кисню. Відкриття цьогорічних лауреатів Нобелівської премії представило механізм одного з найважливіших адаптаційних процесів у житті та проклало шлях до перспективних нових стратегій боротьби з анемією, раком та багатьма іншими захворюваннями.

Кисень у центрі уваги

Кисень (формула O₂) становить близько ¹/₅ атмосфери Землі. Він використовується мітохондріями для перетворення їжі в корисну енергію. Отто Варбург (Otto Warburg), лауреат Нобелівської премії з фізики та медицини 1931 р., виявив, що це перетворення є ферментативним процесом.

У каротидному синусі містяться спеціалізовані клітини, що відчувають рівень кисню в крові. Корнель Хейманс (Corneille Heymans) був нагороджений Нобелівською премією з фізіології та медицини 1938 р.  за відкриття, за результатами якого показано, як вимірювання кисню в крові через каротидний синус контролює частоту дихання у людини.

Гіпоксія-індукований фактор

Окрім швидкої адаптації каротидного синуса до низького рівня кисню (гіпоксія), існують і інші механізми. Ключовою фізіологічною відповіддю на гіпоксію є підвищення рівня гормону еритропоетину, що призводить до еритропоезу. Важливість гормонального контролю еритропоезу була відома вже на початку XX ст., але залишалося загадкою, як цей процес сам контролювався за допомогою O₂.

Семенца вивчав ген еритропоетину і те, як він регулюється під час зміни рівня кисню. Використовуючи генно-модифікованих мишей, було показано, що специфічні сегменти дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), що містяться поруч із геном еритропоетину, опосередковують відповідь на гіпоксію. Раткліфф також вивчав O₂-залежну регуляцію гена еритропоетину, і обидві групи дослідників виявили, що механізм сприймання кисню наявний практично у всіх тканинах, а не лише у клітинах нирок, де зазвичай виробляється еритропоетин. Це були важливі результати, які показали, що механізм є загальним у багатьох різних типах клітин.

Г.Л. Семенца бажав виявити клітинні компоненти, що опосередковують цю відповідь. У культивованих клітинах печінки він знайшов білковий комплекс, який зв’язується з ідентифікованим сегментом ДНК залежно від рівня кисню. Цей комплекс був названий гіпоксія-індукований фактор (hypoxia—inducible factor — HIF). З того часу зроблені великі зусилля щодо виокремлення комплексу HIF, і в 1995 р. Г.Л. Семенца опублікував деякі результати, включаючи ідентифікацію генів, які кодують HIF. Встановлено, що HIF складається із двох різних ДНК-зв’язувальних білків, так званих факторів транскрипції, які тепер називаються HIF-1α та ARNT. Відтоді науковці почали визначати, які додаткові компоненти задіяні, а також, як працює механізм.

Хвороба фон Гіппеля — Ліндау

При високому рівні кисню клітини містять дуже мало HIF-1α. У разі низького рівня кисню кількість HIF-1α збільшується, у результаті чого комплекс  зв’язується і таким чином регулює ген еритропоетину, а також інші гени (рисунок). Кілька груп дослідників показали, що HIF-1α, який зазвичай швидко руйнується, захищений при гіпоксії. При нормальному рівні кисню клітинний апарат, який називається протеасомою, руйнує HIF-1α. За відкриття протеасоми Аарон Цехановер (Aaron Ciechanover), Аврам Гершко (Avram Hershko) та Ірвін Роуз (Irwin Rose) отримали Нобелівську премію з хімії у 2004 р. У таких умовах невеликий пептид, убіквітин, приєднується до білка HIF-1α. Убіквітин функціонує як мітка для білків, призначених для руйнування в протеасомі. Як убіквітин зв’язується з HIF-1α залежно від кисню — залишається головним запитанням.

Відповідь надійшла несподівано. Приблизно в той же час, коли Г.Л. Семенца і П.Дж. Раткліфф працювали над регуляцією гена еритропоетину, В. Каелін-молодший вивчав хворобу фон Гіппеля — Ліндау (von Hippel — Lindau’s — VHL). Це генетичне захворювання призводить до різко підвищеного ризику виникнення певних онкологічних захворювань у родинах зі спадковими мутаціями VHL. Вчений показав, що ген VHL кодує білок, який запобігає виникненню раку. А також визначив, що ракові клітини, яким не вистачає функціонального гена VHL, експресують аномально високі рівні регульованих гіпоксією генів. Але коли ген VHL був знову введений у ракові клітини, нормальний рівень відновився. Це було важливою підказкою щодо участі VHL у контролі реакцій на гіпоксію. Додаткові дані отримано від декількох груп дослідників, які показали, що VHL є частиною комплексу, що мітить білки убіквітином, маркуючи (відмічаючи) їх для руйнування у протеасомі. Далі П.Дж. Раткліфф та його дослідницька група зробили ключове відкриття: продемонстрували, що VHL може фізично взаємодіяти із HIF-1α і потрібен для його руйнування при нормальному рівні кисню. Це остаточно встановило зв’язок VHL із HIF-1α.

Рівновага завдяки кисню

Все ще бракувало розуміння того, як рівні O₂ регулюють взаємодію між VHL та HIF-1α. Пошуки були зосереджені на певній частині білка HIF-1α, про яку відомо, що вона є важливим для VHL-залежного руйнування, і В. Каелін-молодший, і П.Дж. Раткліфф підозрювали, що ключ до чутливості до O₂ знаходиться десь у цьому домені білка.

У 2001 р. у двох одночасно опублікованих публікаціях було показано, що при нормальному рівні кисню гідроксильні групи додаються у двох конкретних положеннях до HIF-1α (див. рисунок). Ця модифікація білка називається пролілгідроксилювання (prolyl hydroxylation), дозволяє VHL розпізнавати і зв’язуватися з HIF-1α і, таким чином, пояснює, як нормальні рівні кисню контролюють швидке руйнування HIF-1α за допомогою киснечутливих ферментів (так званих пролілгідроксилаз ). Подальші дослідження П.Дж. Раткліффа та інших визначили відповідальні пролілгідроксилази. Також показано, що функція активації генів HIF-1α  регулюється певним процесом — гідроксилюванням, що, у свою чергу, залежить від кисню.

Рисунок. Коли рівень кисню низький (гіпоксія), HIF-1α захищений від руйнування та накопичується в ядрі, де він з’єднується з ARNT та зв’язується зі специфічними послідовностями ДНК (HRE) у генах, які регулюються гіпоксією (1). При нормальному рівні кисню HIF-1α швидко розщеплюється у протеасомі (2). Кисень регулює процес руйнування шляхом додавання гідроксильних груп (OH) до HIF-1α (3). Потім білок VHL може розпізнавати і утворювати комплекс з HIF-1α, що призводить до його руйнування залежно від рівня кисню (4)

Перспективи

Завдяки новаторській роботі цих Нобелівських лауреатів ми знаємо набагато більше про те, як різні рівні кисню регулюють основні фізіологічні процеси. O₂-чутливий механізм дозволяє клітинам пристосовувати свій метаболізм до низького рівня кисню: наприклад, у наших м’язах під час інтенсивних фізичних вправ. Цей механізм виявився важливим під час розвитку плода для контролю нормального утворення кровоносних судин та розвитку плаценти. Крім того, він виконує важливу роль у хворих на рак для стимулювання утворення кровоносних судин та перетворення обміну речовин для ефективної проліферації ракових клітин. Інтенсивні постійні зусилля в академічних лабораторіях та фармацевтичних компаніях зараз зосереджені на розробці препаратів, які можуть втручатися в різні хворобливі стани, або активуючи, або блокуючи киснево-чутливий механізм.

Долучайтеся до нас у Viber-спільноті, Telegram-каналі, Instagram, на сторінці Facebook, а також Twitter, щоб першими отримувати найсвіжіші та найактуальніші новини зі світу медицини.

Катерина Давіденко
за матеріалами пресрелізу офіційного ресурсу Нобелівської премії
(www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019)