Как узнать «место производства» эритропоэтина, почему будущим нобелиатам отказали в публикации в Nature и что «выключает» гипоксию — в рассказе Indicator.Ru о лекции лауреата Нобелевской премии 2019 года сэра Питера Рэтклиффа.

Без адаптации клеток организма к различным уровням кислорода наше существование было бы невозможным. Причем это процесс настолько базовый, что с молекулярной точки зрения он идентичен для всех типов тканей. За открытие его звеньев в 2019 году удостоились Нобелевской премии по физиологии или медицине Грегг Семенза из Университета Джонса Хопкинса, сэр Питер Рэтклифф из Оксфорда и Института Френсиса Крика, а также Уильям Кэлин-младший из Гарварда и Института исследований рака Дана — Фарбер. Наши корреспонденты побывали на Нобелевской неделе в Швеции, прослушали лекции всех трех обладателей «медицинского Нобеля» и делятся со своими читателями их краткими резюме.

Сэр Питер Рэтклифф, который открыл связь между белком — продуктом гена-супрессора опухолевого роста (VHL) и гипоксия-индуцированным фактором (HIF-1α), начал свое выступление с рассказа об экспедиции группы исследователей из Оксфорда и Йеля на Пайкс-Пик — гору высотой в четыре тысячи метров из цепи Скалистых гор, расположенную в штате Колорадо, США. В ходе экспедиции, состоявшейся более сотни лет назад, в 1911 году, ученые хотели исследовать то, как вследствие гипоксии происходит адаптация человека к высотам. Одной из ученых была Мейбл Фицджеральд, единственная женщина, вошедшая в состав участников поездки.

Ей предстояло собирать данные одной, без сопровождения мужчин, в шахтерских городах, расположенных на средних высотах. И справилась она со своей задачей отлично. Она показала, насколько сильно колебались уровни гемоглобина и углекислого газа в крови в зависимости от высотности, и доказала, что они различались у людей, живущих в низинах и на высоте, так же как и различались у мужчин и женщин. Это была не первая демонстрация того, как мы способны приспосабливаться под условия различной высотности, но очень яркая демонстрация чувствительности изменений показателей крови в ответ на увеличивающуюся гипоксию.

Рэтклифф как раз был специалистом по почкам, которыми он занимался с молодости. По его словам, перед учеными встала проблема — выделить из органа клетки, которые вырабатывают эритропоэтин. Но как понять, какие клетки выделять? Для этого Рэтклифф воспользовался стратегией маркерных генов и выяснил, что производят ЭПО интерстициальные фибробласты (клетки соединительной ткани). Он отметил, что в этом успехе есть большая заслуга Франклина Бонда, который изучал в конце 1980-х годов регуляцию экспрессии эритропоэтина в двух линиях опухолей печени человека.

Исследователи пошли дальше и выделили ген, отвечающий за регуляцию эритропоэтина, а также впервые составили карту его «контрольных» последовательностей, которая стала отправной точкой для более глубокого погружения в регуляцию работы гена. Это позволило обнаружить энхансер гена ЭПО — тот участок ДНК, с которым должен связаться фактор транскрипции, чтобы стартовал процесс считывания информации с гена и производства РНК, на основе которой затем будет синтезирован белок.

По словам лектора, ученые пришли к тому, что в конечном итоге при правильных условиях любая клетка организма имеет подобное свойство. Причем они поняли, что на любое, даже самое незначительное изменение в содержании кислорода идет незамедлительный ответ. Рэтклифф говорит, что это открытие показалось ученым настолько удивительным и важным, что было решено отправить научную статью, в которой описывались результаты этой работы, в один из самых известных научных журналов — Nature.

Исследователь даже не сомневался, что редактор оценит по достоинству полученные данные, так же, как и он сам. Он считал, что статья должна быть непременно опубликована в кратчайшие сроки, может быть, через два дня, или неделю, ну или в крайнем случае после Пасхи. Но через четыре месяца он получил письмо редактора, в котором говорилось, что «у нас были огромные трудности с получением отчетов от рецензентов», поскольку статья оказалась слишком широкой.

«Это значило — попробуйте сузить область исследования и ваша жизнь станет намного легче. И в публикации отказали», — заметил Рэтклифф под многочисленные смешки из зала.

Позже на одной из конференций Питер Рэтклифф встретил Грегга Семензу, который провел потрясающую работу, продемонстрировав структуру HIF и две его субъединицы, одна из которых не реагирует на уровень кислорода, а другая как раз к нему очень чувствительна и запускает транскрипцию гена эритропоэтина и других генов гипоксии. Эти данные еще не были опубликованы, и он как раз показал их на конференции, так же, как и Рэтклифф презентовал свои неопубликованные данные. Вернувшись оттуда, исследователи договорились опубликовать совместную статью, посвященную регулируемым кислородом «контрольным» участкам ДНК (на модели гипоксии у мушки дрозофилы). Тем не менее и в этот раз статья сначала была потеряна, потом отклонена редактором журнала Biology chemistry и только потом принята в печать.

Очень скоро это научное поле буквально взорвалось, и открылись совершенно новые горизонты биологии гипоксии. Но Питер Рэтклифф и Грегг Семенза хотели пойти против течения и найти те гены, которые определяют, когда HIF нужно перестать действовать. В этом сильно помогло открытие гена-супрессора опухолевого роста (VHL), который удалось обнаружить благодаря изучению болезни фон Гиппеля — Линдау (Von Hippel–Lindau disease, VHL). Этой частью, кстати, занимался третий нобелевский лаурет — Уильям Кэлин-младший. Питер Рэтклифф со своими коллегами выяснил, что VHL может связываться с HIF-1α и в этом случае происходит распад субъединиц белкового комплекса и их дальнейшая деградация в клеточной «фабрике» по переработке ненужных белков — протеасоме.

«Это был тот самый момент эврики в моей лаборатории», — отметил ученый.

Выяснилось, что фактически VHL играет роль своеобразного маркера деградации белкового комплекса HIF. Исследователи установили все подробности этого соединения на молекулярном уровне и только потом смогли ответить на вопрос — что заставляет VHL присоединяться к HIF-1α и разрушаться только при нормальном уровне кислорода в клетке? Для этого должно произойти несколько биохимических реакций, во время которых к VHL присоединяются две гидроксильных группы, образующихся из кислорода.

Рэтклиффу было интересно, насколько биохимически различаются все эти процессы у животных и растений, поскольку во всех эукариотических царствах происходит окисление белка и протеолиз, которые сигнализируют об уровне кислорода. После открытия регуляции реоксигенации и публикации ряда знаковых статей по этому поводу его научная группа занялась растениями. Впрочем, кардинально ничего нового они не увидели, обнаружив практически те же самые механизмы сохранения и поддержания уровня кислорода.

Материалы к лекции: https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/ratcliffe-lecture-slides.pdf