Аутофагия: за что дали Нобелевскую премию по медицине в 2016 году?

Профессор Токийского технологического института Ёсинори Осуми был на своём рабочем месте в лаборатории, когда ему позвонили из Нобелевского комитета с неожиданным известием: он стал лауреатом премии по физиологии и медицине в 2016 году. 71-летний японец по-прежнему активно работает над темой аутофагии, за изучение которой он и удостоился высшей научной награды. 

2016 Medicine Laureate Yoshinori Ohsumi says that he will come to Stockholm in December to receive the #NobelPrize pic.twitter.com/WGzELVpPvE

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 3 P>P:QQP1QQ 2016 P3.

 

Клеточная свалка

Аутофагия находится в центре научных интересов Осуми уже 27 лет. В конце 1980-х, когда он только начал свои работы по этой теме, было известно, что клетки каким-то образом избавляются от своих структур и отдельных молекул, ставших вдруг ненужными. Впрочем, было бы странно, если бы это было не так: все организмы способны удалять отходы жизнедеятельности.

Уже давно учёные знали, что в клетках находятся специальные органоиды под названием лизосомы. В них неоднократно обнаруживали полуразрушенные фрагменты других клеточных структур. Да и сам термин "аутофагия" предложили ещё задолго до работ Осуми. Это слово в 1963 году придумал Кристиан де Дюв — учёный, который и сам стал лауреатом Нобелевки по физиологии в 1974-м за открытие лизосом.

Кроме лизосом, биологи обнаружили аутофагосомы – "тележки" для подвоза фрагментов клетки к лизосомам. Когда какой-то компонент клетки становится ненужным, его окружает специальная мембрана, и получается пузырёк с органоидом (или его частью) внутри. Этот пузырёк подходит к лизосоме и сливается с ней. Там "мусорный" фрагмент клетки находит свой последний приют — особые ферменты расщепляют его на простые составляющие.

Долгое время лизосомы считали чем-то вроде "свалки" для всех ненужных структур клетки. Правда, такая точка зрения не давала ответа на вопрос: как клетка обновляет себя? Почему "свалка" не вырастает в размерах в десятки и сотни раз за всю долгую жизнь таких клеток, как, например, нейроны? И раз такие вопросы возникали, было логичным предположить, что клетки (в отличие от большинства людей) не зависят на сто процентов от внешних источников пищи и используют имеющиеся внутренние ресурсы по нескольку раз. Чтобы выяснить, как именно это происходит, нужно было отыскать вещества, запускающие и поддерживающие реакции переработки вышедших из строя органоидов и молекул.

Поэтому через несколько лет после обнаружения лизосом, в 1980-х, исследователи переключили своё внимание на заново открытые органоиды — протеасомы. Как следует из их названия, они имеют дело с протеинами — а попросту, с белками. Оказалось, что "путёвкой" в протеасому для белка служит "чёрная метка" — молекула убиквитина. Такой меченый белок попадает в протеасому и разлагается там за счёт ферментов-протеаз на аминокислоты. Затем эти аминокислоты клетка использует для построения других белков. В день человеку нужно 200—300 граммов протеина, но с пищей поступает только около 70. Остальное клетки получают, перерабатывая ненужные белки в протеасомах.

Изучение протеасом тем не менее не дало ответа на вопрос, как клетка перерабатывает фрагменты крупнее, чем отдельные молекулы белков. Что в лизосомах перерабатывает большие куски органоидов? Об этом до работ Ёсинори Осуми никто не знал.

Волшебные грибы

Осуми выбрал в качестве объекта для экспериментов дрожжи — одноклеточные грибы, которые быстро размножаются бесполым путём. Наблюдать за их ростом и развитием довольно легко, если иметь обычный световой микроскоп. С одной стороны, дрожжи — простые организмы, и все их клетки имеют более-менее одинаковую структуру. С другой, они, как и у всех грибов, по строению достаточно близки к животным, а значит, и к человеческим. В клетках грибов, как и в наших собственных, есть ядро, митохондрии (органоиды для выработки энергии), есть аппарат для производства белков и аппарат для их деградации (протеасомы). Есть у дрожжей и аналог лизосом животных — вакуоли. Они достаточно крупные, чтобы за их изменениями можно было наблюдать в микроскоп.

Когда Осуми начинал эксперименты с дрожжами, учёные уже умели отделять одни компоненты клеток от других с помощью очень быстро вращающихся центрифуг. Поэтому Ёсинори смог определить, какие ферменты, разлагающие белки, находятся в вакуолях клеток дрожжей. Каждый фермент кодируется собственным геном, благодаря чему стало ясно, за какими генами нужно "следить", чтобы определить роль каждого из ферментов вакуолей.

Осуми выводил дрожжей-мутантов, в клетках которых не работал тот или иной ген фермента для разложения белков (а в некоторых и весь механизм разложения белков был "отключён"). Раз в несколько часов учёный фотографировал "подопытные" клетки под микроскопом. В зависимости от условий, в которых находились дрожжи, результат был разным. Если клетки получали достаточно пищи, визуально они не слишком менялись. Зато, когда дрожжи росли на малопитательных средах, в их вакуолях быстро накапливались фрагменты клетки, окружённые мембранами. Это и были аутофагосомы.

Тот факт, что фрагменты клеток особенно быстро накапливаются в "голодающих" клетках, подтвердил предположение, что аутофагия помогает клетке заново использовать уже имеющиеся ресурсы в отсутствие притока новых (голоде). Кстати, при нехватке пищи первым делом аутофагии подвергаются белки. Это одна из главных причин, по которой голодание не приводит к моментальной и значительной потере жира.

От дрожжей к людям

Исследования грибов с мутантными генами позволили определить, какие именно гены отвечают за образование аутофагосом и их слияние с лизосомами. Их оказалось всего 15. Впрочем, механизмы аутофагии у дрожжей могли отличаться от "животных". Поэтому, чтобы выявить структуру процесса аутофагии в клетках других организмов, потребовались дополнительные исследования. Эти эксперименты выявили, что механизмы аутофагии у животных и грибов мало отличаются. В принципе, это не слишком удивительно: процесс "самопоедания" — свойство практически всех клеток, поэтому велики шансы, что он имел место и у древнейших общих предков животных, грибов и представителей других царств живого.

Научные статьи Осуми, вышедшие в 1992—1993 годах, запустили шквал интереса к теме аутофагии, хотя и с небольшой задержкой. Количество работ об аутофагии, выходящих ежегодно, за последние 20 лет выросло в пару сотен раз.

Тем не менее на первый взгляд не очень понятно, почему исследования японского профессора должны представлять большой интерес для Нобелевского комитета. Как тонкие процессы в клетках каких-то грибов могут повлиять на судьбу человечества?

А вот как. Аутофагия — это единственный процесс, за счёт которого клетка обновляется "по-крупному". Протеасомы со своими убиквитиновыми метками разрушают только белки, и то не все, а лишь те, которым и так на роду написана короткая жизнь. В аутофагосомы попадают большие фрагменты клеток, содержащие в себе не только белки, но и липиды, и нуклеиновые кислоты, и другие вещества. Когда ферменты лизосом, слившихся с аутофагосомами, переводят эти вещества в более доступную форму, клетка получает дополнительное питание.

Да, "самопоедание" имеет множество ограничений (нельзя есть себя непрерывно), но это лучше, чем ничего. Именно оно позволяет большинству тканей организма пережить недостаток ресурсов. Например, для раковых клеток аутофагия оказалась отличным оружием в борьбе за выживание. Даже если организм по каким-то причинам не снабжает опухоль питательными веществами, она не погибает — именно потому, что её клетки используют собственные энергетические запасы, опираясь на процессы аутофагии. Таким образом, остановив эти процессы, можно истощить ресурсы "осаждаемой" опухоли и остановить её развитие, а то и вовсе убить часть её клеток.

Впрочем, совсем останавливать процессы аутофагии в здоровых клетках не стоит. Ведь с их помощью клетки избавляются от своих потенциально опасных компонентов. Если какие-то органоиды работают не так, как надо, или какие-то молекулы белков имеют неправильную структуру, аутофагосомы уничтожают их. В большинстве случаев это хорошо, особенно для долгоживущих клеток. В частности, при нейродегенеративных заболеваниях в нервных клетках накапливаются неверно сложенные протеины, такие как альфа-синуклеин (при болезни Паркинсона), бета-амилоид (при болезни Альцгеймера) или хантингтин (при хорее Гентингтона). Это происходит именно потому, что аутофагосомы и лизосомы не успевают разлагать эти белки.

Для аутофагии не принципиально, какие белки разрушать — образованные в самой клетке или за её пределами. А это значит, что с её помощью можно избавиться и от вирусов и бактерий, попадающих в клетки и вызывающих различные болезни. Показано, что возбудители вирусных и бактериальных заболеваний в ходе эволюции вырабатывают сложные механизмы защиты, чтобы не попадаться под горячую руку аутофагосом или остановить их действие. Вообще аутофагия важна для множества процессов в иммунной системе, начиная от воспаления и заканчивая защитой от вирусов и бактерий.

Наконец, аутофагия полезна и в том случае, когда строение клетки нужно быстро и часто перестраивать. Такая потребность возникает при эмбриональном развитии. Изменения, которые происходят в тканях зародыша, развиваются стремительно именно за счёт активной аутофагии. Одни части клетки, которые выполнили свою функцию, разлагаются на составные элементы, и из них строятся новые, "более актуальные" органоиды. Нарушение процессов аутофагии у эмбрионов приводят к тому, что их развитие существенно замедляется.

Одинокий самурай

С 2011 года и до настоящего момента Нобелевская премия по физиологии и медицине ни разу не доставалась одному человеку. Всегда находилось несколько исследователей, чьи научные интересы лежали в одной области. А в случае Ёсинори Осуми это оказалось не так. Почему?

Вряд ли мы сможем в скором времени узнать точный ответ на этот вопрос: личности номинантов и людей, выдвинувших их кандидатуры в 2016 году, будут хранить в секрете ближайшие 50 лет. Но одно можно сказать точно: когда Осуми начинал свои исследования аутофагии, ею не интересовался почти никто. Однако все крупные учёные, которые внесли свой вклад в обнаружение лизосом, аутофагосом и исследование их функций, в 1990-х уже имели награды от Нобелевского комитета.

Осуми в своей научной карьере сделал ставку на малоизученную непопулярную тему и не проиграл. Правда, по признанию лауреата, он не ставил себе целью получить престижную премию. В одном из недавних интервью он отметил: "Не все молодые специалисты достигнут успеха в науке, но попытаться точно стоит". Как мы видим, его попытка оказалась успешной.