Между нами, клетками

Когда речь идет о нобелевских открытиях, реальность часто оказывается гораздо интереснее самой невероятной научной фантастики. Возьмем клетки нашего тела: это тысячи и тысячи крошечных фабрик — с собственным сырьем, технологиями и рабочей силой. Объем выполняемых работ поистине гигантский, а век короток: каждый день в организме взрослого человека умирает от 50 до 70 миллиардов клеток. Всю эту махину нужно утилизировать и при этом создать столько же новых фабрик. Трое американских ученых, которым Нобелевский комитет присудил самую престижную премию по медицине и физиологии 2013 года, сумели понять, как устроено транспортное предприятие, обслуживающее это грандиозное производство. Оказывается, в наших клетках есть собственная служба доставки, перевозящая грузы туда-сюда.

Транспортный цех

Профессор из Беркли Рэнди Шекман, ставший свежеиспеченным нобелевским лауреатом, в конце 70-х годов прошлого века идентифицировал гены, отвечающие за клеточный транспорт. Каждая клетка нашего тела представляет собой сложную структуру. Окружающая ядро цитоплазма содержит мембранные мешочки — органеллы. Такие перегородки защищают клетку: если в нее попадут молекулы какого-нибудь опасного вещества, то не смогут свободно по ней перемещаться. Однако те же самые мембраны создают определенные сложности для происходящих в клетке процессов. У каждой органеллы своя специализация. Чтобы выполнить работу, они должны обмениваться разными веществами. Некоторые вещества при этом приходится отправлять даже за пределы клетки. Как молекулам проникнуть через мембраны? Для этого существует особая служба доставки. Крошечные пузырьки — везикулы — переносят внутри себя самые разнообразные вещества: белки, гормоны, цитокины, энзимы, нейромедиаторы. Донеся молекулы до нужного места, они, как настоящие грузовики, сгружают содержимое, выпуская его наружу. Об этих пузырьках знали и раньше: их можно увидеть с помощью электронного микроскопа. Одно было непонятно: как везикулы узнают, куда именно доставить груз? И кто отвечает за точность доставки?

Рэнди Шекман вместе с коллегой Питером Новиком на примере пекарских дрожжей решил исследовать гены, регулирующие внутриклеточный транспорт. Из сотен штаммов дрожжей ученые выбрали такие, которые нормально размножаются при комнатной температуре, но при небольшом нагревании начинают накапливать генетические мутации. Потом отобрали мутанты с поломками в механизмах везикулярного транспорта. «Такие вещи можно хорошо увидеть с помощью электронного микроскопа: в специализированных отделах клеток скапливаются заторы из пузырьков», — рассказывает сотрудник Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова член-корреспондент РАН Лев Магазанник. В конце концов ученым удалось определить 23 транспортных гена, которые они разделили на три группы в зависимости от того, в каких отделах клетки возникали пробки из везикул при мутациях. Одни гены отвечали за доставку веществ в эндоплазматический ретикулум — мембранную сеточку внутри клетки, где происходит биосинтез белков. Другие регулировали перемещение веществ в аппарате Гольджи — целой системе мембранных мешочков: там происходит созревание синтезированных белков. Третьи регулировали доставку молекул на поверхность клетки. Чем не транспортная служба, обеспечивающая работу целой клеточной фабрики? Позже Рэнди Шекман пошел еще дальше и сумел понять, как происходит «сборка грузовиков» для доставки веществ — обнаружил промежуточные стадии формирования везикул и связал их с работой конкретных генов. Но это было только начало. Ученым предстояло подобраться еще ближе к работе клеточных машин.

Куда разгружать?

клетка«Один из главных уроков в биохимии, клеточной биологии и молекулярной медицине заключается в том, что, когда мы рассматриваем работу белков внутри клетки, они в определенном смысле ведут себя как механические устройства, — рассказывает другой нынешний лауреат, Джеймс Ротман, возглавляющий кафедру клеточной биологии в Йельском университете. — Это просто поразительно… Когда мы изучаем правила химии, электроны и тому подобное, то оперируем атомами и молекулами. Но, достигнув уровня наноразмеров, выясняем, что все эти объекты работают как механизмы». Несколькими годами позже, чем Шекман, он в лаборатории Стэнфордского университета попытался воссоздать процесс транспортировки в клетках in vitro, в пробирке. Ему хотелось понять, почему клеточный транспорт приходит на разгрузку точно в предназначенный для него порт. Для этого ученые заразили клетки млекопитающих вирусом везикулярного стоматита. Инфицированные клетки производили большие количества вирусного белка VSV-G. Джеймс Ротман проследил путь этого белка по мембранным мешочкам аппарата Гольджи и выделил участвующие в процессе белки. Первыми были выделены два белка — NSF и SNAP. Поразительно, но эти протеины из клеток млекопитающих соответствовали двум генам транспортировки, ранее идентифицированным Рэнди Шекманом в ДНК пекарских дрожжей. Так стало ясно, что ученым удалось обнаружить универсальную и в эволюционном смысле очень древнюю систему транспорта веществ, общую для клеток млекопитающих и грибов.

Ротман продолжал изучать белки, участвующие в процессе стыковки везикул с мембранами — «докинга». В ткани мозга, в синапсах — областях контакта между нейронами — еще раньше было обнаружено три белка с неизвестными функциями. Оказалось, один из них находится на поверхности везикул, а два других — в клеточных мембранах. Ученый выдвинул гипотезу: при клеточной транспортировке соответствующие белки везикул и мембран, которые для них являются мишенями, должны подходить друг другу как две половинки застежки-молнии. Они взаимодействуют между собой по принципу ключ — замок. Сейчас эти вещи настолько вошли в плоть и кровь науки, что многие воспринимают их как нечто само собой разумеющееся. Однако тогда, чтобы доказать свою гипотезу, Джеймсу Ротману пришлось воспроизвести этот процесс в пробирке. Выяснилось, что он был прав — везикулы действительно взаимодействовали с мембранами. Так стало ясно, каким образом клеточные «грузовики» находят мембранные мишени. Поскольку вариантов таких белков много и они взаимодействуют друг с другом только в специфических комбинациях, служба доставки работает безошибочно. Ученые выяснили, что этот механизм действует и внутри клетки, и когда везикула направляется к внешней мембране, чтобы выпустить наружу свое содержимое.

По звонку

Третьим ученым, которому присудили премию по медицине и физиологии этого года, стал уроженец Германии Томас Зюдхоф. Сейчас он работает в США, в престижном Стэнфорде. Когда в 80-е годы он приступил к изучению везикул, основные открытия Ротмана и Шекмана были уже сделаны. Зюдхоф был нейробиологом и изучал передачу сигналов между нейронами. «К тому моменту в целом было ясно, что при этом происходит. Здесь работает тот же самый механизм транспорта веществ в клетках. В синапс — промежуток между мембранами нейронов всего в 30—50 нанометров — впрыскивается содержимое так называемых синаптических везикул, находящихся внутри окончаний нерва: они хорошо видны в электронный микроскоп, — рассказывает Лев Магазанник. — Из них выходит нейротрансмиттер — биологически активное химическое вещество, посредством которого осуществляется передача сигнала от одной нервной клетки к другой». Однако перед учеными оставалась неразрешимая проблема. Нейротрансмиттер должен выделиться из синаптических везикул и появиться в синаптической щели за считаные миллисекунды. Что обеспечивает такую скорость? «Нужно было получить ответ на вопрос: как работает белковый механизм, обеспечивающий слияние мембран пузырька и нервной клетки в месте высвобождения нейротрансмиттера, — говорит Магазанник. — Высказывалось много предположений. Некоторые, например, считали, что происходит взаимодействие по принципу kiss and run — «поцеловал и беги». Однако Зюдхоф доказал, что здесь действует иной физический механизм». Было известно, что этот процесс как-то связан с колебаниями концентрации кальция в цитоплазме клетки. Поэтому ученый решил проверить, как кальций влияет на высвобождение нейротрансмиттера в нейронах. Используя генномодифицированных лабораторных мышей, ему удалось найти два белка, реагирующих на концентрацию кальция. Один из них ограничивал взаимодействие везикулы с клеточной мембраной, другой быстро запускал этот процесс. Кроме того, Зюдхоф нашел еще один белок — Munc18-1, роль которого в передаче сигналов между нейронами была решающей. Лабораторные мыши с выключенным геном, кодирующим этот белок, вообще не выделяли нейротрансмиттер. Так пазлы картинки совпали, и была разгадана еще одна загадка, связанная с древней транспортной системой клетки.

Понять и излечить

«Нынешние лауреаты сделали, пожалуй, самое интересное, о чем может мечтать ученый, — открыли элементарный механизм, лежащий в основе организации работы клетки», — говорит Лев Магазанник. «Многие вещи, связанные с этим открытием, настолько фундаментальны, что воспринимаются сегодня как нечто само собой разумеющееся, — считает руководитель отдела эпигенетики Института общей генетики РАН Сергей Киселев. — Однако дело обстояло совсем не так несколько десятилетий тому назад». Ученые не сомневаются: покопавшись в транспортной системе клетки, можно пролить свет на природу многих болезней. С ее нарушением, например, связана природа ботулизма и столбняка: вызывающие их бактерии портят белки, участвующие в формировании синаптических везикул. В результате блокируется выброс нейромедиаторов и возникает паралич. Руководитель лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ Георг Бюльдт связывает с нынешним нобелевским открытием определенные надежды. «Понимание механизмов везикулярного транспорта может приблизить нас к решению проблемы некоторых типов рака, включая рак легких, простаты, молочной железы. Есть надежда на новые подходы к лечению диабета второго типа», — считает он. Ведь эта болезнь возникает не только из-за дефектов выделения инсулина клетками поджелудочной железы, но и из-за нарушений транспорта глюкозы в мышцах и жировых клетках. Однако главные открытия будут связаны с передачей импульсов между нейронами. По-прежнему нет лечения от болезней Паркинсона и Альцгеймера, других нейродегенеративных заболеваний. Однако речь не только об этом. Нервная система связана с широким спектром функций организма: от контроля аппетита и кровяного давления до производства противовоспалительных цитокинов и выработки инсулина. Сейчас в США и Европе исследователи изучают эту проблему. Есть надежда, что вскоре будут созданы биоэлектронные лекарства, способные воздействовать на передачу импульсов между клетками. И без понимания механизмов клеточного транспорта тут, конечно, не обойтись. Тема очень горяча: в этом году будет учреждена премия за достижения в биоэлектронной медицине практически нобелевского веса — миллион долларов. Впрочем, это дела уже совсем другого поколения ученых. А нынешние лауреаты свою задачу выполнили.

Алла Астахова, Итоги