» » Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК


Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК
Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Рис. 1. Лауреаты премии Breakthrough Prize по биологии и медицине (Breakthrough Prize in Life Sciences) за 2021 год. Слева направо: Деннис Ло, Кэтрин Дюлак, Ричард Йоул, Дэвид Бейкер. фото с сайтов pnas.org, mcb.harvard.edu, Forbes.com, depts.washington.edu


 

В этом году в списке лауреатов премии Breakthrough Prize по биологии и медицине — четыре имени: Кэтрин Дюлак, Ричард Йоул, Деннис Ло и Дэвид Бейкер. Несмотря на то, что премия задумывалась как поощрение исследований, направленных на «лечение болезней и продление жизни», далеко не все разработки, которые отметило жюри, нашли свое применение на практике: некоторые из них еще остаются красивыми теориями. Другие, напротив, уже получили свое признание и их даже пытаются использовать в борьбе с коронавирусной инфекцией. Области, в которых работают лауреаты 2021 года, тоже совсем не похожи друг на друга: родительское поведение животных, внутриклеточные проблемы болезни Паркинсона, пренатальная диагностика и компьютерное моделирование белков.

О «Премии за прорыв», Breakthrough Prize, гораздо меньше знают и реже говорят, чем о Нобелевской премии, хотя первая почти в три раза больше второй. Приз в три миллиона долларов, который получает каждый лауреат (в отличие от Нобелевской премии, где лауреаты делят сумму между собой), вне зависимости от того, сколько их всего в номинации, делает Breakthrough Prize самой «дорогой» научной премией в мире.

Когда-то младшая сестра Нобелевской премии задумывалась как утверждение: ее основатели (в числе которых бизнесмены Марк Цукерберг, Сергей Брин и Юрий Мильнер) хотели таким образом обратить внимание на важные области фундаментальных наук физики, математики, биологии и медицины), которые остаются в тени, и людей, которые совершают научные прорывы, не получая при этом «признания и фанфар». Правда, среди первых лауреатов премии в 2013 году оказался Синъя Яманака, который к тому времени уже получил Нобелевскую премию за технологии репрограммирования клеток (см. Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2012, «Элементы», 10.10.2012). Да и многие другие лауреаты (четверка 2021 года не исключение) оказывались отнюдь не новичками, а широко известными в своей области специалистами с несколькими десятками лет исследований за спиной.

Тем не менее, на списки Breakthrough Prize до сих пор оглядываются аналитики, когда составляют прогнозы на Нобелевскую премию — в поисках имен, которые приобрели вес и признание в последние годы. Так, в 2018 году Нобелевским лауреатом в области физиологии и медицины стал иммунолог Джеймс Эллисон (см. Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2018, «Элементы», 04.10.2018), чью работу жюри Breakthrough Prize отметило четырьмя годами раньше. Теперь же журналисты ждут, пока Нобелевскую премию получит Дженнифер Дудна (за разработку системы редактирования генома CRISPR/Cas9) — Breakthrough Prize ей достался в 2015 году.

За семь лет существования самой дорогой научной премии изменилась и ее идея. Когда она только появилась на свет, в 2013 году, ее основатели декларировали, что, присуждая премию в области наук о жизни, хотят поддержать исследования в области «лечения болезней и продления человеческой жизни». Но если в первый раз все лауреаты действительно занимались человеческими болезнями, то потом в списке начали появляться и фундаментальные работы: например, о регуляции экспрессии генов или структуре рибосом. А в 2016 году премию получил Сванте Пэабо, который реконструировал геном неандертальца. Сейчас на сайте премии значится совсем другой девиз: приз в области наук о жизни присуждают за успехи в «продлении человеческой жизни» и «понимании устройства живых систем». 10 сентября были объявлены лауреаты Breakthrough Prize за 2021 год (да, именно так: каждый раз премия вручается за следующий год) по биологии и медицине. Давайте посмотрим, что изменили в нашем понимании их работы.


Родители, дети и феромоны

Забота о потомстве у млекопитающих может принимать самые разные формы, но все их не так уж просто объяснить с точки зрения нейрофизиологии. В отличие от коротких социальных взаимодействий между всеми остальными членами общества, родители проводят с ребенком гораздо больше времени и тратят на него куда больше ресурсов. При этом взаимодействие «родитель-ребенок» всегда однонаправленно: родитель ничего не получает взамен. Следовательно, должен существовать какой-то нейронный контур, который запускает родительское поведение (вероятно, не без помощи гормонов) и поддерживает его в течение всего периода развития детеныша, которое у млекопитающих может длиться годами. Кроме того, этот механизм должен работать по-разному у самок и самцов, — иначе как объяснить, что последние чаще проявляют агрессию и склонны убивать потомство, как свое, так и чужое?


Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Рис. 2. Разные варианты заботы о потомстве у млекопитающих. У коал за детенышами ухаживают самки, у перуанских прыгунов — самцы, у калифорнийских хомячков — оба родителя, а у гиеновидных собак — вся стая. Изображение из статьи J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective


К ответу на этот вопрос Кэтрин Дюлак (Catherine Dulac) шла несколько десятков лет. Она начинала научную карьеру под руководством Нобелевского лауреата Ричарда Аксела, специалиста по обонянию млекопитающих. В его лаборатории она занималась генами обонятельных рецепторов. Но поскольку каждый обонятельный нейрон экспрессирует свой набор рецепторов, чтобы в них разобраться, ей пришлось научиться секвенировать РНК в каждом нейроне по отдельности и соотносить набор РНК с положением клетки в ткани (см., например, J. R. Moffitt et al., 2018. Molecular, spatial, and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region).

С помощью этого метода Дюлак открыла сначала одно (C. Dulac, R. Axel, 1995. A novel family of genes encoding putative pheromone receptors in mammals), а потом еще одно (E. Pantages, C. Dulac, 2000. A Novel Family of Candidate Pheromone Receptors in Mammals) семейство рецепторов, которые реагируют на феромоны — летучие вещества, выделяемые животными и участвующие в социальных взаимодействиях. А затем занялась непосредственно проблемой родительского поведения, поскольку у нее появилась возможность выяснить, в какой степени родители реагируют на запах детеныша и из чего он состоит.

Результатом работы Дюлак стала модель нейронного контура, которая объясняет особенности поведения взрослых особей по отношению к детенышам (J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective). У самок поведение зависит от входящих сигналов. Феромоны распознает вомероназальный орган, который через миндалину запускает агрессию вплоть до инфантицида. Другие же запаховые сигналы действуют на основной обонятельный эпителий и когда к ним присоединяются звуковые и тактильные стимулы, то начинает работать медиальная преоптическая область гипоталамуса, которая подавляет работу «агрессивного контура» и запускает заботу о потомстве. Этот механизм торможения агрессии работает даже у самок-девственниц и усиливаются после спаривания — таким образом, гормоны здесь играют не ключевую роль.


Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Рис. 3. Модель нейронного контура, который отвечает за родительское поведение и агрессию. VNO — вомероназальный орган, AOB — вомероназальная луковица, MeA — медиальная миндалина, MOE — основной обонятельный эпителий, MPOA — медиальная преоптическая зона гипоталамуса, X — область, которую еще предстоит установить. Изображение из статьи J. Kohl et al., 2016. The neurobiology of parenting: A neural circuit perspective


А вот у самцов ситуация иная. Несмотря на то, что их родительское поведение изучено гораздо хуже, известно, что у млекопитающих самцы часто склонны к инфантициду сами по себе. Сигналом к нему становится визуальный стимул в виде детеныша в сочетании с сигналами от феромонов (Y. Isogai et al., 2018. Multisensory Logic of Infant-Directed Aggression by Males). Однако это меняется после спаривания: самцы переключаются на заботу о детенышей, правда, не сразу, а через какое-то время, приблизительно равное сроку беременности самки.

Можно долго рассуждать о том, каким образом инфантицид может быть выгоден для популяции, но из работ Дюлак однозначно следует, что это не аномальное поведение, а запрограммированное. Из них же следует, что существует и программа для подавления инфантицида, которая у самок включена по умолчанию, а у самцов запускается, когда они становятся родителями. И хотя большинство исследований Дюлак с коллегами проводили на грызунах, а у людей забота о потомстве устроена куда сложнее (хотя бы потому, что период детства гораздо длиннее), на базе их работ можно рассуждать о механизмах родительства у людей и профилактике связанных с ним психических расстройств, например, послеродовой депрессии.


Негодные митохондрии

Ричард Йоул (Richard J. Youle) много лет искал ответ на другой вечный вопрос: чем вызывается болезнь Паркинсона? Несмотря на то, что ее симптомы и характерные патологии описаны давно, о причинах до сих пор мы знаем довольно мало.

Одна из популярных теорий связывает болезнь Паркинсона с митохондриями. Поскольку передача нервного импульса — дело крайне энергозатратное, то митохондрии в нейронах работают особенно интенсивно, генерируют много свободных радикалов как побочный продукт обмена веществ и часто ломаются. Однако сама по себе эта теория не позволяет объяснить, почему одни люди заболевают, а другие нет, и как можно было бы помочь больным.

В то же время, известны характерные мутации, которые часто обнаруживают у пациентов с болезнью Паркинсона. Некоторые из них часто находят у людей с ранним началом болезни (до 40 лет). В первую очередь это мутации в генах PARK2 и PINK1, которые кодируют соответствующие белки — Parkin и Pink1. Йоулу удалось выяснить, как эти белки участвуют в работе митохондрий и как их функции связаны с развитием болезни (D. Narendra et al., 2009. Parkin-induced mitophagy in the pathogenesis of Parkinson disease).

Оказалось, что белок Pink1 служит показателем качества митохондрий. Главное, что должна уметь эта органелла в здоровой клетке — поддерживать электрический потенциал на внутренней мембране, что необходимо для синтеза АТФ. Но от этого потенциала зависит не только количество энергии, но и транспорт Pink1 сквозь внутреннюю мембрану. Если потенциала недостаточно, чтобы транспортер для Pink1 работал в полную силу, то Pink1 оказывается на внешней мембране митохондрии, подавая тем самым сигнал тревоги.


Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Рис. 4. А — норма: транспортеры на внутренней мембране митохондрий протаскивают «хвост» Pink1 внутрь. Время от времени его молекулы расщепляет протеасома. В — патология: мембранного потенциала недостаточно, чтобы Pink1 погрузился в мембрану митохондрии, поэтому он оказывается доступен для фосфорилирования и привлекает Parkin. Изображение из статьи S. Pickles et al., 2018. Mitophagy and Quality Control Mechanisms in Mitochondrial Maintenance


На этот сигнал реагирует Parkin. Он связывается с белками на поверхности митохондрий и привлекает новые молекулы Parkin, пока органелла не оказывается покрыта «черными метками» — за Parkin хватается лизосома, обволакивая митохондрию своей мембраной и обрекая на переваривание (S. Pickles et al., 2018. Mitophagy and Quality Control Mechanisms in Mitochondrial Maintenance). Этот процесс — уничтожение поврежденных митохондрий — называют митофагией, это одна из форм аутофагии, самопереваривания клетки. Она позволяет избавиться от дефектных органелл и дать более «здоровым» митохондриям возможность поделиться, чтобы восполнить недостаток.

Мутации в PINK1 и PARK2 приводят к тому, что митофагия не работает, и в нейронах накапливаются поврежденные митохондрии. Энергии не хватает, свободные радикалы продолжают образовываться — развивается митохондриальный стресс. На поврежденные клетки и выделяемые ими сигнальные молекулы реагируют иммунные клетки, и в нервной ткани начинается воспаление (D. A. Sliter et al., 2018. Parkin and PINK1 mitigate STING-induced inflammation) — еще один симптом болезни Паркинсона и одна из причин нейродегенерации.

Открытия Йоула пока не получили практического применения — ни один из возможных препаратов-активаторов Pink1 или Parkin (см. S. Miller, M. M. K. Muqitb, 2019. Therapeutic approaches to enhance PINK1/Parkin mediated mitophagy for the treatment of Parkinson’s disease) еще не преодолел стадию испытаний на животных. Тем не менее, они позволили выстроить картину происходящего внутри нейронов у людей с болезнью Паркинсона. Кроме того, эти знания могут однажды пригодиться для продления жизни, поскольку многие исследователи связывают старение с дисфункцией митохондрий и поломками клеток по всему организму — не только нервных, но и, например, стволовых (N. Sun et al., 2016. The Mitochondrial Basis of Aging).


Гадание на крови

О том, что ДНК встречается не только внутри клеток, но и в межклеточной среде, стало известно еще до того, как Уотсон и Крик расшифровали ее структуру, в 1948 году (P. Mandel, P. Metais, 1948. Les acides nucleiques du plasma sanguin chez l'homme). С тех пор внеклеточные нуклеиновые кислоты удалось найти не только в человеческой крови, но и в других животных, и даже в среде культивирования самых разных клеток. Споры о том, откуда ДНК и РНК появляются в межклеточном пространстве, и играют ли они какую-то роль в жизни клеток, продолжаются и сейчас. Но несмотря на это, мы уже умеем анализировать их состав и по нему делать выводы о том, чем может быть болен человек, у которого их обнаружили.

Этим умением современные диагносты обязаны гонконгскому исследователю Деннису Ло (Dennis Lo). Ло начал свой путь в науке как раз в то время, когда метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) (с помощью которого сегодня измеряют все подряд, включая экспрессию генов в клетках и количество коронавируса на слизистых оболочках) только набирал свою популярность. Ло ухватился за идею вылавливать с помощью ПЦР небольшие количества ДНК из среды и подумал, что метод можно применить для беременных женщин. Он предположил, что в их крови можно найти ДНК плода и, действительно, там ее обнаружил (D. Lo et al., 1997. Presence of fetal DNA in maternal plasma and serum).

Для начала идея Ло позволила определить пол будущего ребенка — по наличию или отсутствию последовательностей, характерных для Y-хромосомы (которых у матери быть не должно в любом случае). Затем ученый переключился на резус-фактор (D. Lo et al., 1998. Prenatal Diagnosis of Fetal RhD Status by Molecular Analysis of Maternal Plasma). Резус-отрицательным матерям важно выяснить резус-группу плода, чтобы по возможности избежать резус-конфликта и вовремя распознать гемолитическую желтуху у ребенка после родов. Наконец, Ло занялся патологиями плода и научился определять синдром Дауна — по непропорционально высокой концентрации последовательностей с 21-й хромосомы в материнской крови (R. Chiu et al., 2011. Non-invasive prenatal assessment of trisomy 21 by multiplexed maternal plasma DNA sequencing: large scale validity study).

Технологию, которую придумал Ло, можно применять и к другим болезням. Например, впоследствии ученый занялся диагностикой рака. Однако эти методы пока находятся в разработке, а премию ученый получил именно за метод определения синдрома Дауна. Сейчас его постепенно начинают использовать в клиниках — это гораздо проще и безопаснее, чем использовавшиеся ранее методы, для которых нужна биопсия зародышевых тканей.


Белок по чертежу

Расшифровка генетического кода позволила людям восстанавливать последовательность аминокислот в белке по «тексту» кодирующего его гена. Однако в главной догме молекулярной биологии ничего не сказано о форме, которую принимает аминокислотная цепь, а функция и работоспособность белка зависят именно от нее.

Иногда структуру белка можно предсказать, если в его состав входят характерные домены — функциональные участки (например, для связывания с ДНК или ионами металлов), которые раньше находили в других белках. В остальных же случаях ученым остаются кристаллография и спектроскопия — долгая кропотливая работа, которую для каждого белка приходится начинать с нуля.

Дэвид Бейкер (David Baker) придумал дорогу в обход. Вместе с коллегами он создал программу Rosetta, задача которой была искать в аминокислотной последовательности «знакомые» участки, похожие на другие белки, и на этом основании предсказывать форму целой молекулы. Позже программу усовершенствовали: ее научили оценивать силу притяжения и отталкивания между отдельными аминокислотами в цепочке и искать для цепочки наиболее энергетически выгодную форму. На базе алгоритмов Rosetta был запущен проект распределенных вычислений [email protected] (любой желающий может скачать необходимое ПО и предоставлять вычислительные мощности своего компьютера для определения структуры белков), а позже — игра Foldit, в которой игроки, решая пространственные головоломки, на самом деле помогают расшифровывать структуру белков.

Алгоритм оказался удивительно успешен: его предсказания довольно точно сбывались, их удавалось подтвердить классическими методами. И с его помощью Бейкер и коллеги построили модели для тысячи белков с ранее неизвестной структурой. А потом пришло времени создавать собственные белки.

Этим, конечно, занимались и до Бейкера. Были, например, химерные белки, сшитые из отдельных доменов нескольких белков. Были методы направленной эволюции, которые отметил в 2018 году Нобелевский комитет (см. Нобелевская премия по химии — 2018, «Элементы», 06.10.2018): в последовательность гена вносят случайные и неслучайные мутации и отбирают самые удачные варианты, которые кодируют наиболее активные белки. Однако все эти технологии основывались на естественных, природных молекулах.

Алгоритмы Бейкера позволяют построить белок с нуля, а точнее, спроектировать аминокислотную последовательность, которая могла бы принимать заданную форму. Применений у такой технологии множество: например, лаборатория Бейкера пытается создать белки, которые бы связывали гадолиний (его часто используют как контрастное вещество при томографии) или расщепляли глютен, а также ищет лекарство от гриппа — молекулу, которая будет связываться с гемагглютинином на поверхности вирусной частицы и мешать ей проникнуть внутрь клетки.


Breakthrough Prize присудили за дизайн белков, рецепторы феромонов, утилизацию митохондрий и внеклеточную ДНК

Рис. 5. Модель взаимодействия одного из миниингибиторов (LCB1) и RBD — домена S-белка SARS-CoV-2, который связывается с поверхностью клетки. Рисунок из статьи L. Cao et al., 2020. De novo design of picomolar SARS-CoV-2 miniprotein inhibitors


В 2020 году Бейкер и коллеги переключились на SARS-CoV-2 и, по аналогии с гриппом, занялись подбором миниингибитора — белка, единственная функция которого состоит в том, чтобы заблокировать поверхностный белок коронавируса. В начале сентября они отчитались в журнале Science о десяти миниингибиторах с разной активностью и предложили использовать их как отправную точку для разработки лекарств (L. Cao et al., 2020. De novo design of picomolar SARS-CoV-2 miniprotein inhibitors), что не могли не оценить члены жюри Breakthrough Prize.

Полина Лосева


24 сентябрь 2020 /
  • Не нравится
  • +1
  • Нравится

Похожие новости

У животных, впадающих в спячку, нервные клетки обогреваются белком термогенином

Известно, что нервная система животных, впавших в спячку, продолжает реагировать на некоторые раздражители — звуковые, тактильные или тепловые. Но было непонятно, как нейроны могут работать при такой

Криоэлектронная микроскопия показала различия рибосом в митохондриях и в цитоплазме

Две международные команды ученых исследовали структуру митохондриальных рибосом с помощью криоэлектронной микроскопии. Этот метод позволяет увидеть структурные элементы с высочайшим разрешением.

В бактерию без циркадных ритмов встроили «часы» от цианобактерии

Ученые снабдили молекулярными циркадными часами бактерию, у которой не было природных циркадных ритмов. К таким часам можно подключить любые гены, и их работа станет зависимой от времени суток. С

Нобелевская премия по химии — 2018

Нобелевской премии по химии в 2018 году удостоены американка Фрэнсис Арнольд «за направленную эволюцию ферментов», а также Джордж Смит и Грег Уинтер из Великобритании — «за фаговый дисплей пептидов и

Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2018

В 2018 году лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине стали Джеймс Эллисон из США и Тасуку Хондзё из Японии, независимо открывшие и изучавшие один и тот же феномен. Они обнаружили два

Маленькие митохондрии усиливают взаимодействие между нейронами

Митохондрии в дендритах и в аксонах нейрона неодинаковы: первые сильно удлинены, а вторые, как правило, имеют форму небольших шариков. Для формирования мелких аксональных митохондрий нужен белок MFF.
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 клиномКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКаким будет мир с населением 10 миллиардов человек?Самые красивые города на воде