» » Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013

Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013


Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года (слева направо: Томас Зюдхоф, Рэнди Шекман, Джеймс Ротман). Изображение из сообщения о присуждении Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года на сайте журнала Nature


В 2013 году самая престижная научная премия вручена Рэнди Шекману, Джеймсу Ротману и Томасу Зюдхофу за раскрытие механизмов везикулярного транспорта — главной транспортной системы в наших клетках. Разнообразные молекулы, упакованные в пузырьки-везикулы, постоянно пересылаются из одного отдела клетки в другой, а также секретируются наружу. Точная доставка возможна благодаря комплексу белков, которые выступают как в качестве «адреса», так и в качестве «почтового отделения» в каждом клеточном отделе. Работы свежеиспеченных Нобелевских лауреатов позволили прояснить этот механизм в деталях: какие гены кодируют компоненты системы везикулярного транспорта, что за белки в этом участвуют и, наконец, как регулируется внутри- и межклеточный трафик.

Работа, удостоенная Нобелевской премии в этом году, не является результатом одного гениального открытия, или научным прорывом. Это — результат многолетнего кропотливого труда, благодаря которому удалось в деталях изучить один из базовых процессов в клеточной физиологии — внутриклеточный транспорт. Трое ученых — Рэнди Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф — внесли каждый свой вклад в эту работу, используя разные подходы — генетический (Шекман), биохимический (Ротман) и физиологический (Зюдхоф).

Джеймс Ротман (James E. Rothman) родился в 1950 году в штате Массачусетс, США. Он получил докторскую степень (PhD) в 1976 году в Гарварде, затем работал в не менее знаменитом Массачусетском технологическом институте, а потом в Стэнфордском университете, где он и начал исследования в области везикулярного транспорта. В настоящее время он является профессором Йельского университета, где возглавляет кафедру клеточной биологии. Рэнди Шекман (Randy W. Schekman) родился в 1948 году в штате Минессота, США. Докторскую степень он получил в Стэнфорде, под руководством Артура Корнберга — Нобелевского лауреата 1959 года, открывшего механизм синтеза нуклеиновых кислот. Затем Шекман перешел в Калифорнийский университет в Беркли, где и работает до сих пор в статусе профессора кафедры молекулярной и клеточной биологии. Томас Зюдхоф (Thomas C. Sudhof) родился в 1955 году в Геттингене, Германия. В отличие от своих коллег по премии, он получил степень доктора медицины (1982), а затем степень в области нейрохимии. Однако Зюдхоф недолго пробыл немецким ученым: уже в 1983 году он перебрался в Техасский юго-западный университет в Далласе (США), где работал вместе с Майклом Брауном и Джозефом Голдстейном — лауреатами Нобелевской премии 1985 года за изучение метаболизма холестерина. В настоящее время он является профессором кафедры молекулярной и клеточной физиологии в Стэнфордском университете.

Так как эукариотическая клетка — сложно организованная структура со множеством «отделов», в процессе ее жизнедеятельности возникает необходимость передавать грузы из одного отдела (компартмента) в другой, а также посылать их за пределы клетки. Такая необходимость обусловлена разделением труда между компартментами: например, белки часто синтезируются на рибосомах, расположенных в эндоплазматическом ретикулуме, а используются в каком-нибудь другом отделе или вообще секретируются наружу. Чтобы груз был доставлен по адресу, его нужно упаковать в пузырек — везикулу (рис. 2) и снабдить специальным сигнальным белком. В качестве грузов могут выступать самые разнообразные молекулы: гормоны (в том числе инсулин), ферменты, строительные белки и др. Отдельным немаловажным примером клеточного транспорта является передача сигнала между нейронами — она осуществляется посредством выброса в синаптическую щель нейромедиаторов, упакованных в такие же везикулы.


Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013

Рис. 2. Слева: везикула представляет из себя пузырек, окруженный билипидным слоем — такой же мембраной, как та, что ограничивает клетку. Справа: электронная микрофотография синапса в месте контакта двух нейронов; хорошо видны синаптические пузырьки-везикулы, содержащие молекулы нейромедиатора. Изображения с сайта en.wikipedia.org и с сайта Стэнфордского университета


Изучение везикулярного транспорта имеет не только фундаментальное значение: среди болезней, связанных с нарушением процессов переноски грузов, диабет второго типа и эпилепсия. Бактерии из рода Clostridium, которые являются возбудителями ботулизма и столбняка, при помощи своих токсинов как раз портят белки, участвующие в формировании везикул в синаптических щелях. В результате этого блокируется выброс нейромедиаторов между нейронами либо между нейроном и мышцей, что приводит к параличу.

О существовании внутриклеточного транспорта было известно еще с начала ХХ века (везикулы можно разглядеть в обычный световой микроскоп). Однако с молекулярной точки зрения детали этого процесса начали проясняться с выходом в свет работы Шекмана в 1979 году в журнале PNAS. Работая на пекарских дрожжах, Шекман вместе со своим коллегой Питером Новиком идентифицировал гены, продукты которых обеспечивают нормальный внутриклеточный транспорт. Ученые проанализировали сотни штаммов мутантных дрожжей и выбрали среди них носителей так называемых термочувствительных мутаций (такие клетки нормально растут при комнатной температуре, но если их содержать при температуре 37°С, в них начинают накапливаться поломки). Отобранные мутанты были неспособны нормально экспортировать наружу ферменты для размещения на клеточной стенке. При повышении температуры в этих клетках начинали накапливаться везикулы, хорошо заметные в микроскоп (рис. 3).


Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013

Рис. 3. Электронные микрофотографии дрожжевых клеток, растущих при нормальной температуре (B) и при температуре активации мутаций (D). Заметно значительное накопление везикул, содержащих выделяемые ферменты, внутри клетки. Рисунок из статьи: P. Novick & R. Schekman. Secretion and cell-surface growth are blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharomyces cerevisiae // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979. V. 76(4). P. 1858–1862


Шекман проанализировал генотип полученных мутантов по везикулярному транспорту и в конечном итоге идентифицировал 23 гена, которые можно было разделить на три группы, в зависимости от того, откуда и куда должны были направляться везикулы, — транспорт, ассоциированный с эндоплазматическим ретикулумом, с комплексом Гольджи или с поверхностью клетки. В своих последующих работах он обнаружил промежуточные стадии в формировании везикул и связал их с мутациями в конкретных генах (гены были обозначены аббревиатурой sec — от secretory).

Джеймс Ротман в своих работах подошел к изучаемому вопросу с другой стороны. В Стэнфордской лаборатории несколькими годами позже он с коллегами восстанавливал процесс транспорта in vitro, то есть в пробирке. Ученые пытались воссоздать процесс транспортировки белка вируса везикулярного стоматита в комплекс Гольджи в клетках млекопитающих (вирусный белок был выбран потому, что при инфекции он накапливается в клетках в больших количествах, и с ним удобно работать). В нескольких последовательно вышедших статьях Ротман описал в деталях клеточный транспорт белка и попутно выделил ключевые компоненты, необходимые для формирования и транспорта везикул. Первым найденным белком оказался NSF (N-ethylmaleimide-sensitive factor), затем был идентифицирован SNAP (soluble NSF-attachment protein). В совместной работе с Шекманом они установили, что белки NSF и SNAP соответствуют продуктам ранее идентифицированных Шекманом генов sec17 и sec 18. Таким образом, оказалось, что процесс внутриклеточного транспорта универсален среди эукариот и совпадает в деталях как у дрожжей, так и у млекопитающих.

Продолжая работу по выделению ассоциированных с везикулами белков, Ротман обнаружил еще три ключевых белка: синаптобревин, SNAP-25 и синтаксин. Эти белки были ранее найдены другими учеными в синапсах (областях контакта между нейронами), однако их функции оставались неизвестными. Ротман объединил их в группу SNARE (soluble NSF-attachment protein receptors). Синаптобревин был ассоциирован с везикулами, а SNAP-25 и синтаксин — с клеточными мембранами. Это открытие позволило Ротману сформулировать SNARE-гипотезу — ключевую гипотезу, объясняющую принцип внутри- и межклеточного транспорта. Согласно ей, в процессе формирования и доставки везикул участвуют белки, принадлежащие к двум группам — v-SNARE (v — от vesicle ‘везикула’) и t-SNARE (t — от target ‘мишень’), которые специфически узнают друг друга. Благодаря специфическому узнаванию, доставка осуществляется точно в нужное место (рис. 4). Гипотеза была подтверждена в дальнейших работах как Ротмана, так и других научных групп. (Синаптобревин, помимо прочего, является мишенью при развитии ботулизма и столбняка.)


Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2013

Рис. 4. Схема, поясняющая принцип везикулярного транспорта (SNARE-гипотезу) между разными отделами клетки. Пузырьки (везикулы) отпочковываются от мембраны одной из органелл (например, эндоплазматического ретикулума) и получают «ключ» — один из белков семейства v-SNARE. Точная доставка осуществляется благодаря тому, что на целевой органелле есть специфический белок семейства t-SNARE, выступающий в роли «замка». Изображение с сайта www.zoology.ubc.ca


Томас Зюдхоф по образованию был нейрофизиологом и изучал, каким образом происходит передача сигнала в синапсах между нейронами. Его заинтересовал процесс выброса нейромедиатора в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора упаковываются в везикулы и точно в определенное время должны выделиться в пространство между мембранами двух нейронов (рис. 2, справа). Оказалось, что этот процесс зависит от внутриклеточных колебаний концентрации кальция. Зюдхоф сосредоточил свое внимание на двух белках — комплексине и синаптотагмине. В это время (начало 90-х годов) уже получила распространение технология, позволяющая выращивать нокаутных (см.: Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2007, «Элементы», 12.10.2007) по определенному гену животных. Изучая мышей с нарушенной функцией генов, кодирующих комплексин или синаптотагмин, он определил, что эти два белка реагируют на концентрацию кальция и являются «привратниками», предотвращающими постоянное неконтролируемое образование везикул. Оказалось, что синаптотагмин, с одной стороны, является сенсором кальция, а с другой стороны, взаимодействует с SNARE-белками и запускает механизм формирования везикулы. Зюдхоф также идентифицировал белок Munc18, мутация в котором соответствовала дрожжевому фенотипу sec1-1, описанному Шекманом. Этот белок, и семейство, к которому он принадлежит, получили общее название SM-белков (от Sec/Munc). Оказалось, что вместе с SNARE-белками они участвуют в процессе формирования везикул.

Таким образом, работы Шекмана, Ротмана и Зюдхофа стали частями одной мозаики, описывающей транспортную систему клетки с участием пузырьков-везикул. Они во многом определили, как пузырьки формируются, как они находят свое место доставки и каким образом регулируется их образование точно в определенное время. Однако можно заметить, что в мозаике не хватает кусочка: везикулы внутри клетки не плавают сами по себе, а путешествуют по цитоскелету вдоль микротрубочек при помощи специальных моторных белков — динеина и кинезина. За изучение моторных белков и транспорта с их участием в 2012 году другая троица американских ученых получила престижную премию Ласкера. Эту премию считают предвестником Нобелевcкой, так что, возможно, недостающее звено в картине внутриклеточного транспорта в ближайшие годы тоже будет удостоено высочайшей награды (надо сказать, что и лауреаты этого года в разное время становились лауреатами премии Ласкера).

Источники:
1) Пресс-релиз на сайте Нобелевского комитета.
2) J. Zierath, U. Lendahl. Machinery Regulating Vesicle Traffic, A Major Transport System in our Cells. Статья на сайте Нобелевского комитета.

Дарья Спасская


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Нобелевская премия по химии — 2012

Лауреатами Нобелевской премии по химии стали американцы Роберт Лефковиц (Robert Joseph Lefkowitz) и Брайан Кобилка (Brian Kobilka) — за работы по исследованию рецепторов, сопряженных с G-белком.

Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2012

8 октября 2012 года началась очередная Нобелевская неделя. Лауреатами премии по физиологии и медицине стали британец Джон Гёрдон (John Bertrand Gurdon) и японец Синъя Яманака (Shinya Yamanaka). Как

Обнаружен белок, отвечающий за слияние мышечных клеток в мышечные волокна

При формировании мышц во время эмбрионального развития одним из ключевых событий является слияние мышечных клеток в единое многоядерное мышечное волокно. Однако механизм, координирующий это слияние,

Экзосомы опухолей, страдающих от гипоксии, стимулируют рост сосудов и миграцию клеток

Экзосомы (мембранные пузырьки), выделяемые опухолевыми клетками, позволяют определить степень гипоксии в опухоли и сделать предсказание об ее агрессивности. Оказалось, что экзосомы из страдающих от

Как клетки выбирают путь спасения при стрессе

Два механизма помогают нашим клеткам выжить при стрессе — белки теплового шока (задача которых — сохранить структуру других белков) и аутофагия (самопереваривание частей клетки). Связаны ли эти
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?На МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над АнтарктидойКаким будет мир с населением 10 миллиардов человек?Самые красивые города на воде