Перекрыть раку кислород. Объясняем суть Нобелевской премии по медицине в 100 и 500 словах

Слева направо: Уильям Келин, Питер Рэтклифф и Грег Семенца

Нобелевскую премию 2019 года по физиологии и медицине разделили два американских ученых – Грегг Семенца из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе и Уильям Келин-младший из Института рака Дэйны-Фарбера в Бостоне – и их британский коллега сэр Питер Рэтклифф из Оксфорда.

В заявлении Нобелевского комитета говорится, что премия присуждена “за открытие механизмов, при помощи которых клетки ощущают изменения в уровне доступного кислорода и адаптируются к ним”.

Ученые проводили свои исследования независимо друг от друга, однако все вместе они “указывают путь для разработки новых многообещающих способов борьбы с анемией, раком и другими заболеваниями”, говорится в сообщении.

Русская служба Би-би-си коротко (в 100 словах) и чуть подробнее (в 500 словах) объясняет, в чем суть их открытий.

100 слов

Чтобы превратить пищу, которую мы едим, в энергию, поддерживающую работу наших органов и позволяющую нам двигаться, организму необходим кислород.

Уровень кислорода в крови постоянно меняется под действием множества факторов. Как наши клетки адаптируются к этим изменениям и продолжают нормально функционировать, долгое время оставалось загадкой.

При недостатке кислорода у человека и других животных развивается гипоксия – кислородное голодание, которое мешает нормальной работе органов.

Работы Семенцы, Кейлина и Рэтклиффа помогли обнаружить генетический механизм реакции на гипоксию и понять, как клетки ощущают дефицит кислорода и адаптируются к нему – в том числе как организм “запускает производство” гормона, отвечающего за образование новых переносящих кислород красных кровяных клеток.

500 слов

От уровня кислорода в организме зависит нормальное кровоснабжение клеток, здоровый обмен веществ и количество энергии – ее вырабатывают митохондрии (они есть почти во всех живых клетках) из питательных веществ, поступающих в организм с едой, также с участием кислорода.

При этом количество доступного клеткам кислорода не является постоянным: оно может падать или повышаться в зависимости от множества факторов – от интенсивности дыхания и самого воздуха, которым мы дышим (например, он может быть загрязненным или разреженным), до гормональных выбросов и различного рода заболеваний.

Самый простой пример, с которым сталкивался каждый из нас, – это пережатие кровеносных сосудов за счет слишком тесно прилегающей одежды или при наложении жгута.

Когда кислорода становится недостаточно, нашему организму приходится адаптироваться – он включает сберегающие и компенсационные механизмы.

Женщина в кислородной маске

Но для этого клетки сначала должны “почувствовать”, что им не хватает кислорода, с помощью какого-то специального механизма – а как именно это происходит, ученые не могли понять десятилетиями.

Притом что вопрос это отнюдь не праздный, ведь нарушение работы этого механизма имеет самые серьезные последствия: продолжительное кислородное голодание может в итоге привести к необратимым изменениям в тканях.

Особенно чувствительны к кислородной недостаточности сердце, печень, почки и центральная нервная система.

При чем здесь рак?

Ученым давно известно, что уровень кислорода в организме в целом отслеживают специальные рецепторы, прилегающие к сонной артерии – каротидные тельца. Когда кислорода становится недостаточно, они посылают в мозг сигналы, регулирующие частоту дыхания. Поэтому, например, мы начинаем чаще дышать при быстрой ходьбе или других физических нагрузках.

Eще в начале прошлого века ученые выяснили, что при гипоксии происходит выброс гормона эритропоэтина. Он вырабатывается в почках и стимулирует производство эритроцитов – красных кровяных клеток, переносящих молекулы кислорода. Какой механизм обеспечивает эту реакцию, долго оставалось загадкой.

Проведя эксперименты на мышах, Грегг Семенца выяснил, что недостаток кислорода как-то влияет на участки ДНК, отвечающие за производство эритропоэтина.

Сэр Питер Рэтклифф изучал этот феномен параллельно – и оба ученых обнаружили, что механизм, позволяющий клеткам чувствовать недостаток кислорода, работает практически во всех тканях, а не только в почках, где вырабатывается нужный гормон.

Семенца продолжил исследования и открыл белковый комплекс, который так и назвал HIF – “фактор, индуцируемый гипоксией”. Он связывается с ДНК и может тормозить или стимулировать выработку эритропоэтина.

Но от чего зависит, какой будет реакция?

Серповидные клетки и нормальные эритроциты

На этот вопрос помог ответить онколог Уильям Келин, пытаясь решить совершенно другую проблему. Он изучал довольно редкое генетическое заболевание (болезнь Гиппеля-Линдау), которое серьезно увеличивает риск развития рака.

В процессе работы он обнаружил, что это происходит из-за сбоя в работе гена VHL. При этом раковые клетки с поврежденным геном очень чутко реагировали на недостаток кислорода, но при введении туда здорового VHL реакция приходила в норму.

Так выяснилось, что VHL отвечает за распад одного из компонентов белкового комплекса HIF и меняет его форму в зависимости от насыщенности кислородом – что и приводит к изменениям в экспрессии ДНК. Клетки “чувствуют” недостаток кислорода и компенсируют этот дефицит за счет скорости обмена веществ.

Если гипоксия продолжается длительное время, организм реагирует на кислородное голодание строительством новых кровеносных сосудов и активным производством эритроцитов. Так, например, готовятся к высотным восхождениям альпинисты.

Pовно тот же механизм включается и при быстром росте новой ткани – например, агрессивной раковой опухоли. Если его отключить, этот рост можно замедлить или даже полностью остновить. Именно поэтому открытия Келина, Рэтклиффа и Семенцы могут найти широкое применение в онкологии.

Николай Воронин
Корреспондент по вопросам науки

BBC NEWS Русская служба

 

Leave a Reply