Ёсинори Осуми
В последние десятилетия Нобелевскую премию по физиологии и медицине редко присуждают одному исследователю, обычно ее получают коллективы увлеченных ученых. Однако фундаментальные открытия-озарения (а они обычно строятся на основе предыдущих исследований, а также опыта и прозорливости) по-прежнему совершают одиночки.
Более 130 лет назад из уст российского ученого впервые прозвучал выведенный им термин «фагоцитоз». За исследование связи фагоцитоза с иммунитетом Илья Ильич Мечников получил Нобелевскую премию. В середине 1950-х годов другой нобелевский лауреат, бельгийский биохимик Кристиан де Дюв, ввел термин «аутофагия» (от греческих слов αὐτός «сам» и φαγεῖν «есть» – самопоедание). Термин потребовался де Дюву для описания процесса, который он с коллегами обнаружил с помощью электронного микроскопа, а именно – доставку в определенные клеточные отделы различных фрагментов, находящихся как внутри клетки, так и вне ее. Концепция «самопоедания» появилась, когда исследователи впервые заметили, что клетка может уничтожить собственное содержимое, заключив его во фрагмент мембраны и образовав мешковидные пузырьки, которые далее транспортируются для утилизации в клеточную органеллу, – ее ученые назвали лизосомой.
Трудности в изучении аутофагоцитоза заключались в отсутствии экспериментальной модели, на которой можно было бы с помощью увеличительных приборов наблюдать это явление, а также в идентификации генов, отвечавших за этот процесс. В начале 1990-х годов Ёсинори Осуми из Японии провел серию блестящих экспериментов на дрожжевых культурах и показал, что в наших клетках осуществляются аналогичные механизмы. Также он идентифицировал гены, ответственные за этот процесс, и таким образом нашел решение сразу обеих задач. В 2016 году Осуми получил Нобелевскую премию «за открытие механизмов аутофагии».
Одна из важных функций любой живой системы – переваривание и утилизация собственных отходов. В первой половине XX века было известно, что в живой клетке пищеварительную функцию выполняют лизосомы, содержащие ферменты, которые переваривают белки, углеводы и липиды. Новые наблюдения в 1960-х годах показали, что в лизосомах иногда можно найти большое количество внутриклеточного содержимого и даже целые клеточные органеллы. Дальнейший биохимический и микроскопический анализ выявили новый тип органелл, доставляющих клеточные грузы в лизосому для утилизации. Кристиан де Дюв назвал их аутофагосомами. Как же клетка избавляется от крупных белковых комплексов и изношенных органелл?
Ёсинори Осуми проводил исследования в самых разных областях, но, когда создал в 1988 году собственную лабораторию, сосредоточился на деградации (процесс, обратный синтезу) белка в вакуоле дрожжей – органелле, которая соответствует лизосоме в клетках человека. Осуми столкнулся с серьезной проблемой: дрожжевые клетки малы, а их внутренние структуры трудно различить под микроскопом. Ученый даже не был уверен, происходит ли в них аутофагия. Осуми предположил, что если нарушить процесс деградации в вакуоли, пока там идет активный процесс переваривания, то аутофагосомы должны накопиться в ней и стать видимыми под микроскопом. Поэтому он культивировал мутировавшие дрожжи, не имевшие ферментов для деградации. Культивируя их на бедных питательных средах, Осуми одновременно стимулировал аутофагию. Результаты были поразительными! В течение нескольких часов вакуоли наполнились небольшими пузырьками, которые еще не деградировали. Эти пузырьки были аутофагосомами, а эксперимент Осуми доказал, что аутофагия происходит в клетках дрожжей. В процессе своего формирования аутофагосома поглощает клеточные отходы – поврежденные протеины и остатки органелл. В итоге она сливается с лизосомой, и ее содержимое, благодаря лизирующим ферментам, распадается до аминокислот. Этот процесс обеспечивает клетки питательными веществами и строительным материалом для обновления.
Но гораздо важнее то, что у ученого теперь был метод выявления и характеристики ключевых генов, участвующих в этом процессе. Во время своей нобелевской лекции Осуми признался: «Я смотрел в микроскоп на вакуоли каждый день по многу часов. Думаю, что в эти годы в наблюдении за клетками дрожжей я провел больше времени, чем кто-либо еще!»
Настойчивые наблюдения привели Осуми к обнаружению генов, ответственных за аутофагию. Вот как это произошло. Осуми искусственно создал штамм дрожжей, в котором аутофагосомы были накоплены в результате недостаточного питания. Осуми обработал дрожжевые клетки препаратом, вызывавшим произвольные мутации во многих генах, а затем инициировал аутофагию. Его стратегия сработала! Уже в год своего открытия он сумел определить первые гены, необходимые для аутофагии. В последующих сериях исследований были определены функциональные характеристики белков, закодированных этими генами. Результаты показали, что аутофагия регулируется каскадом белков и белковых комплексов, каждый из которых управляет отдельными стадиями инициации и развития аутофагосомы.
Благодаря Осуми количество исследований, посвященных аутофагосомам, стало нарастать лавинообразно. Если в 1992 году, когда он сделал открытие, в научных журналах выходило примерно 20 статей на эту тему, то в последующие годы – примерно 5000.
Теперь известно, что аутофагия – это механизм, необходимый нашим клеткам. Он контролирует те важные физиологические функции, при которых клеточные компоненты должны быть разрушены и переработаны. Аутофагия может быстро обеспечить клетку топливом и предоставить строительные блоки для восстановления клеточных компонентов – вот почему она необходима для клетки во время голодания или в других стрессовых ситуациях. В случае заражения аутофагия может устранить вторжение внутриклеточных бактерий и вирусов. Аутофагия способствует развитию эмбрионов и дифференциации клеток. Также клетки используют механизм аутофагии, чтобы освободиться от дефектных белков и органелл.
Было открыто, что нарушение процесса аутофагии связано с болезнью Паркинсона, диабетом второго типа и другими расстройствами, которые обусловлены накоплением неутилизированных веществ. Чаще всего эта проблема встречается у пожилых людей. Мутации в генах, регулирующих аутофагию, могут вызвать генетическое заболевание. Нарушения в механизме аутофагии также ассоциированы с возникновением рака. Все это побудило научно-исследовательские группы к интенсивным разработкам препаратов для лечения различных тяжелых заболеваний. А ключ к этим разработкам дало открытие Ёсинори Осуми.
Когда один из авторов этой книги рассказала о нем на своей страничке в фейсбуке, посыпались вопросы на тему: правда ли, что голодание в течение 16 часов и более способствует не только похудению, но и защите от опухолей и возрастных изменений. Пока можно сказать определенно, что при культивировании клеток на низкопитательных средах значимо увеличивается число аутофагосом – следовательно, усиливается процесс утилизации белковых фрагментов и других «мусорных» частиц в клетках. Предположительно, это действительно может дать положительный эффект.
ГЛАВА 2. Гены в XX веке: от открытия до редактирования
Создание хромосомной теории наследственностиТомас Морган
С древних времен человек замечал, что обычно дети внешне и по характеру напоминают своих родителей, а братья и сестры могут быть очень похожи. Люди пытались найти этому объяснение, разгадать механизм передачи признаков из поколения в поколение и выяснить, откуда у человека могут появиться черты, не свойственные его предкам. Многие сотни лет представления о наследственности носили сугубо мистический характер и не приближали человечество к правильной разгадке.
Древнегреческий ученый Гиппократ писал, что ребенок наследует качества из разных частей организма отца и матери. Это мнение разделял и Аристотель. С незначительными изменениями такое предположение было общепринятым вплоть до конца XIX века, а единственной теорией, которая соперничала с ним, был так называемый преформизм, берущий свое начало в религиозных учениях. Согласно этой теории, в момент создания первой женщины все последующие поколения уже были сформированы в ее чреве, а мужское семя представляет собой очень маленьких людей, впоследствии сильно вырастающих. В модифицированном виде преформизм был популярен в биологии XVII–XVIII веков. Именно в то время появлялись идеи о возможности создать в лаборатории гомункулуса, так забавлявшие интернет-сообщество в середине 2010-х годов.
Исследования вопросов наследственности начались в середине XIX века. Основу исследований заложил монах ордена Святого Августина Грегор Мендель, опубликовавший в 1866 году результаты своих экспериментов по гибридизации растений. В том же году в США родился Томас Морган, ставший впоследствии последователем Менделя и основоположником целой плеяды генетиков.
Открытия Менделя имели революционное значение. Они показали полную несостоятельность старых теорий, однако остались совершенно неоцененными современниками. Выводы, которые делал Мендель, скрещивая несколько сортов садового гороха, формулируются в двух его законах о наследственности. Первый – правило расщепления. Его суть такова: если два разных наследственных фактора объединить в одном поколении для получения определенного качества (например, размера растения), то в следующем поколении они разделятся. Второй закон Менделя – правило свободных комбинаций: в каждом следующем поколении различные наследственные факторы могут создавать независимые друг от друга новые комбинации. Если, например, высокое растение с красным цветком скрестить с маленьким и белоцветным, то факторы «красные» и «белые» могут быть унаследованы независимо от факторов «большие» и «малые». Во втором поколении, кроме высоких красноцветных и коротких растений с белыми цветками, получатся короткие красноцветные и высокие белоцветные.
Мендель заслужил благодарность пришедших ему на смену генетиков за точную регистрацию характерных признаков и последующее их проявление из поколения в поколение. Исследователь обнаружил относительно простые, повторяющиеся численные пропорции, которые дали ученым ключ к истинному пониманию механизма наследования. Экспериментальная генетика XX века доказала, что правила Менделя применимы ко всем многоклеточным организмам: ко мхам и цветущим растениям, к насекомым, моллюскам, крабам, амфибиям, птицам и млекопит