И.Э. ЛАЛАЯНЦ

Консервативный каскад

Первую Нобелевскую премию по медицине и физиологии в далеком 1901 г. получил немецкий врач Эмиль фон Беринг, который придумал как «пассивно» иммунизировать детей от дифтерии. Созданный им «анатоксин» – антитоксические белковые антитела (но тогда этого еще никто не знал) спас десятки тысяч детских жизней.

В год столетнего юбилея Нобелевской премии ее лауреатами в области медицины и физиологии стали два британских биолога П.Нерс и Т.Хант, а также американец Л.Хартвелл. Формула награждения, обнародованная экспертами Каролинского института в Стокгольме, гласит: «За исследования в области изучения клеточного цикла и его контроля, а также выявление дефектов, в частности хромосомных нарушений, проявляющихся в раковых клетках, что может в перспективе открыть путь к лечению рака». Расшифровке этой весьма абстрактной формулы и посвящен наш рассказ.

В норме клетка находится в стабильном состоянии, так называемом гомеостазе. Термин этот был предложен еще в 1929 г. и в переводе с греческого означает «однообразие», одно и то же состояние. Однако клетки способны к возбуждению, или активации.

У животных наиболее известно возбуждение нейронов. Лимфоциты иммунной системы также способны к активации. При связывании антигена со специфическим мембранным рецептором лимфоцит начинает бурно делиться. Его потомство, или «клон», может достигать 8 тыс. клеток, и все они «штампуют» одинаковые белки-антитела к одному и тому же антигену (их называют моноклональными).

В обоих случаях достигается многократное усиление слабого сигнала в иммунной или нервной системе. Биохимическое усиление слабых химических и физических воздействий – универсальное свойство клеток. Обычно оно достигается за счет каскадов биохимических реакций, напоминающих цепные реакции. Наиболее часто встречаются каскады фосфорилирования белков, осуществляемые специальными ферментами – протеинкиназами, или просто киназами.

На входе такого каскада могут быть самые разные стимуляторы и раздражители. В сетчатке это фотон, во вкусовых и обонятельных нейронах – молекулы и ионы. В растущем организме рецепторы клеток связывают различные ростовые белковые факторы, в частности инсулин и гормон роста. Клетки слизистой и кожи, сменяющиеся каждые 3–5 дней, активируются и делятся под влиянием различных белковых ростовых факторов, или митогенов, стимулирующих митоз. Деление и размножение клеток, их дифференцировка, т.е. специализация для выполнения конкретной функции, также управляются каскадом реакций. То, что мы сегодня знаем о его существовании, – заслуга нынешних лауреатов. А начиналось все весьма скромно.

П.Нерс работал в Эдинбурге, славящемся своей генетической школой (достаточно сказать, что овечка Долли появилась на свет именно там). Это были далекие 1970-е, когда в распоряжении ученых были лишь микроскопы и методы биохимических анализов. Нерс объектом своих исследований выбрал примитивные дрожжи. Не верилось тогда, что дрожжи могут быть моделью изучения сложной генетики и физиологии клеток млекопитающих.

Митохондрии в клетках дрожжей

Нерс обратил внимание на то, что дрожжевые клетки разных штаммов делятся с неодинаковой скоростью, а те, что делятся быстрее, со временем становятся меньше по размеру. Именно это наблюдение привело в конечном итоге к раскрытию механизмов клеточного контроля деления.

Меньшие размеры быстро делящихся дрожжевых клеток связаны с тем, что они просто не успевают набрать массу из-за высокой частоты деления. Но почему это происходит? Понимание того, что в основе всех жизненных процессов лежат генетические закономерности, подсказало: речь идет о мутантах, у которых нарушен контроль над процессом деления. Остальное было делом техники, которая со временем становилась все изощреннее и совершеннее. Появились, в частности, моноклональные антитела, с помощью которых из клетки стало возможно «вытаскивать» интересующие исследователей белки (чуть ниже станет понятно, почему это так важно).

Анализ мутантов позволил предположить, что существует особый ген контроля скорости и частоты деления клеток. Естественно, что у гена должен был быть белковый продукт. Вскоре он был идентифицирован и выделен. Им оказался цитоплазматический белок cdc (от англ. cell division cycle – цикл клеточного деления).

Внедрение в практику методов прочтения генов позволило в 1987 г. выделить человеческий аналог дрожжевого гена cdc. Вот как сам лауреат рассказывает о своем открытии.

«Поначалу мы не могли поверить своим глазам, но когда вывели генетические последовательности на дисплей компьютера, то увидели, что они совпадают! Это был пример эволюционной консервативности, свидетельствующий о том, что у дрожжей и у человека клеточный цикл регулируется одинаково. Это был момент, когда можно было воскликнуть: «Эврика!».

Фазы клеточного цикла эукариотической клетки

К тому времени Нерс работал уже вместе с Тимом Хантом в Имперском фонде раковых исследований, где они организовали лабораторию по изучению механизмов контроля клеточного цикла. Хант тоже шел в своей работе от простого к сложному: начинал с дрожжей, но затем, будучи на биостанции в Массачусетсе неподалеку от Бостона, переключился на морских ежей, имеющих очень крупную яйцеклетку (икринку), послужившую прекрасной моделью для исследований.

Он обратил внимание на то, что перед клеточным делением происходит активное расщепление особого белка, уровень которого довольно высок, когда клетка не делится. Так был открыт циклин, протеиновый продукт гена cdc. Колебания его количества в клетке строго соответствовали разным фазам клеточного цикла деления.

Некоторые события клеточного цикла и их отношение к генам cdc у почкующихся дрожжей: А – общая схема цикла (цифрами обозначены специфические мутации cdc, приводящие к остановке клеток в данной точке цикла); Б – блокированные состояния мутантов cdc. (ПТВ – полюсное тельце веретена)

В настоящее время открыто уже более 10 циклинов. Читатель, наверное, догадался, что они представляют собой киназы цитоплазматического каскада реакций. Хант показал также, что циклины контролируют активность других киназ, которые важны для передачи сигнала от цитоплазматической мембраны в ядро. Характеризуя важность открытия британских лауреатов для современной биологии, один из членов Нобелевского комитета сказал: «Это фундаментальное открытие, которое важно для всего, что растет и делится».

С дрожжами начинал работу и американец Хартвел. Еще в 1960–1970-е гг. он экспериментировал с рентгеновским облучением дрожжей – классическим методом мутагенеза. Как ни примитивны были методы генетического контроля в то время, он сумел доказать, что облучение приводит к увеличению в ДНК числа разрывов, вызывающих мутации.

Удивительно, но клетки каким-то образом «понимали», что что-то не так и реагировали соответственно: они приостанавливали свой рост и прекращали делиться. По прошествии некоторого времени клеточный цикл возобновлялся. Хартвелу удалось выделить более сотни генов, управляющих ростом и делением клеток.

Особое внимание ученые уделяют так называемой репарации – системе починки поврежденной ДНК. Специальные ферменты постоянно контролируют целостность цепей ДНК и точность ее воспроизведения при дублировании во время подготовки к делению. Система эта универсальна и существует около 3 млрд лет.

Когда в геноме накапливается пороговое количество мутаций, гены-протекторы блокируют дальнейшее прохождение клеточного цикла. Клетка начинает «починку» ДНК. Если же мутаций слишком много, гены-протекторы включат систему запрограммированной смерти клетки, или апоптоза. Все это связано с предупреждением развития рака и других опухолей. Вот почему Нобелевский комитет подчеркивает, что со временем эти открытия лягут в основу разработки методов лечения опухолевых заболеваний.

Нерс говорит, что никак не мог поверить сообщению, пришедшему из Стокгольма на его мобильный телефон. Он позвонил Ханту, и они поверили информации об их награждении только тогда, когда увидели ее в печатном виде на Нобелевском сайте. «Я начал бегать по лаборатории как курица с отрубленной головой, – делится своими впечатлениями Нерс, – и всему персоналу пришлось успокаивать меня».

Так уж получилось, что сообщение о награждении пришло в тот день, когда открылась конференция, в которой участвовали не только Нерс и Хант, но также и Джеймс Уотсон, «отец» двойной спирали ДНК. Конференция была посвящена проблеме сохранения августинского монастыря в Брно, где в середине позапрошлого века некий монах по имени Грегор Мендель… Ну, а дальше вы все сами знаете.