Нобелевскую премию 2012 года по химии вручили за открытие рецепторов GPCR

В этом году премию по химии Нобелевский комитет вручил за открытие особого класса белков, так называемых GPCR – рецепторов, связанных с ГТФазами. За не слишком понятным названием прячутся белки, которые позволяют нам видеть, ощущать вкус и запах, настраивают биение нашего сердца на нужную частоту, защищают нас в стрессовых ситуациях.

Во времена своего студенчества Роберт Лефковиц наверняка не мечтал о Нобелевской премии, по крайней мере о премии в области химии. Он мечтал стать кардиологом. Однако судьба распорядилась иначе: когда Лефковиц закончил институт, война во Вьетнаме была в самом разгаре и молодому человеку пришлось отдавать свой долг родине в Национальных институтах здоровья. Эта крупнейшая американская медицинская организация, помимо того что включает в себя множество госпиталей, где лечатся пациенты, является крупнейшим научным центром не только в медицине, но вообще в области наук о жизни (о широте тамошнего понимания здоровья говорит хотя бы тот факт, что там базируется крупнейшая в мире группа биоинформатиков и специалистов по происхождению жизни).



Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz ). Фотография с сайта лаборатории ученого.

Когда Лефковиц пришел работать в NIH, ему сразу поручили ни много ни мало отыскать рецептор гормона АКТГ – того самого, который стимулирует выброс надпочечниками адреналина и «отвечает» за физиологическую реакцию на страх или агрессию.

Адреналин был известен медикам еще с конца XIX века как вещество, которое стимулирует сердечные сокращения. Он до сих пор применяется в экстренной медицине в этом же качестве. Известны были также внутриклеточные физиологические последствия действия адреналина, и то, что разные клетки реагируют на него по-разному.

В соответствии с этой реакцией американский физиолог Раймонд Алквист (Raymond Ahlquist) предположил, что

в организме существуют два типа рецепторов, реагирующих на адреналин – альфа- и бета-рецепторы. Первые, по его мнению, должны были находиться в гладкой мускулатуре кровеносных сосудов, а вторые – в сердце. В каком-то смысле новая работа Лефковица действительно была связана с кардиологией – именно рецепторы из сердца ему поручили найти и выделить.

Такая задача даже сейчас является очень трудоемкой и вовсе не тривиальной. Необходимо понимать, что есть принципиальная разница в сложности между выделением, скажем, миоглобина – цитоплазматического белка клеток сердца – и рецептора из тех же клеток. Рецепторов в клетках в десятки тысяч, миллионы раз меньше, чем структурных белков.

Для решения непростой задачи Лефковиц со своим научным руководителем придумали оригинальный подход – они решили сначала не выделять рецептор, а доказать, что он существует, с помощью использования радиоактивно меченых гормонов. Кроме того, они сосредоточились не на самом адреналине, а на управляющем им гормоне – АКТГ. Ученые присоединили к гормону радиоактивный изотоп йода и наблюдали, как он связывается с экстрактом надпочечников. Они также наблюдали,

- во-первых, вытеснение меченого гормона не меченым и,
- во-вторых, отсутствие такого вытеснения посторонним меченым гормоном (не-АКТГ).



К тому моменту уже было известно, что активация чувствительных к гормону клеток сопровождается появлением в них особой сигнальной молекулы – циклического адезинмонофосфата (цАМФ). За ее открытие Эрлу Сазерленду вручили Нобелевскую премию в 1971 году. Именно мечение фермента, производящего цАМФ, позволило доказать, что рецептор гормона действительно существует и связывает меченый гормон и фермент, производящий цАМФ.

Полученные результаты позволили Лефковицу опубликоваться в престижном журнале Science и получить собственную лабораторию в Университете Дьюка в Северной Каролине. Это была весьма неожиданная награда за несколько лет экспериментов, которые не приносили никаких результатов.

Когда Лефковицу стало понятно, что мечтам о карьере кардиолога сбыться не суждено, он полностью посвятил себя поиску рецептора адреналина и гена, который этот рецептор кодирует.



Брайан Кобилка (Brian Kobilka). Фото Nature.

В начале восьмидесятых в его лабораторию как раз пришел молодой доктор Брайан Кобилка. Он заинтересовался механизмом работы адреналина после работы в реанимации, где благодаря инъекции гормона некоторых пациентов удавалось буквально вернуть к жизни.

Благодаря совместным усилиям Лефковицу и Кобилке удалось то, что не удавалось очень многим биохимикам, – обнаружить ген неуловимого рецептора адреналина. Для этого они решили использовать аффинную хроматографию – то есть пропускать клеточный материал сквозь колонку, заполненную зафиксированным на сорбенте гормоном. При этом рецептор связывался с гормоном, а остальные белки можно было смело смывать высокими растворами соли.

История умалчивает о том, сколько хомячков потребовалось на приготовление экстракта (рецептор выделяли из их легких), но в конце концов ученым удалось получить несколько микрограмм белка – достаточное количество, чтобы определить последовательность его первых аминокислот. Сейчас этого было бы достаточно для нахождения гена, так как геномы модельных организмов отсеквенированы, но в начале 80-х это было совсем не так.

Для того чтобы «вытащить» из генома ДНК, кодирующую рецептор, ученым пришлось тщательно рассчитывать, какие нуклеотиды могут кодировать несколько его известных аминокислот. Надо сказать, успехом ученые обязаны не только упорству, но и элементарному везению: например, удачно выбранному детергенту или тому, что в гене рецептора случайно не оказалось интронов – вырезаемых участков.

Как только последовательность гена рецептора была опубликована, она стала сенсацией. Оказалось, что рецептор адреналина – очень специфический мембранный белок, пронизывающий клеточную мембрану ровно семь раз (отсюда рецепторы GPCR получили свое второе название – 7TM). Строение адренергического рецептора удивительно напоминало строение родопсина, светочувствительного фермента из сетчатки глаза. Когда ученые проанализировали геном на наличие других подобных генов, стало ясно, что родопсин и адренергический рецептор – всего лишь пара из более чем тысячи похожих белков, закодированных в ДНК человека. Эти рецепторы отвечают за восприятие запахов, света, за вкусовые ощущения. Именно такое строение имеют рецепторы дофамина и серотонина, контролирующие самочувствие и настроение человека.

Неудивительно, что открытие сразу заинтересовало фармацевтические компании: подобрав к рецепторам соответствующий «ключ», можно специфическим образом остановить их работу или, наоборот, заставить работать сильнее.

По некоторым подсчетам, около 40 процентов всех рецепторов, на которые действуют лекарства – рецепторы типа GPCR, открытые Лефковицем и Кобилкой.

Надо сказать, что последним «крепким орешком» во всей системе гормональной передачи сигналов оказалось пространственное строение GPCR. К середине семидесятых ученые уже все знали о самих гормонах. Исследования ГТФаз к тому моменту очень много рассказали о том, что происходит во время активации клетки. Стало понятно, что передача сигнала активирует в клетке целый сигнальный каскад, в котором центральную роль выполняет цАМФ и фосфорилирование белков, а в конце концов передаваемый сигнал изменяет транскрипцию генов. Сейчас знания биологов по этой теме настолько увеличились, что рассказать вкратце о передаче сигналов в клетке стало невозможно. Навряд ли сегодня эту сложность представляют в полной мере даже специалисты: на основе публикаций по клеточной сигнализации сейчас составляются объемные базы данных, которые продают коммерческие компании.



И тем не менее, пространственная структура бета-адренергического рецептора уступила усилиям ученых только в 2011 году. И определить ее удалось именно Кобилке, который целенаправленно шел к этой цели более двадцати лет. Вполне возможно, что именно эта его последняя работа стала последним аргументом в пользу присуждения ему и Лефковицу Нобелевской премии.

Определение структуры – одновременно вопрос и фундаментальной научной значимости, и весьма конкретного практического применения. С одной стороны, структура помогла биологам понять, как именно связывание рецептором гормона активирует ГТФазы внутри клетки. С другой стороны, она позволяет осуществлять фармкомпаниям «молекулярный докинг» – подбирать к рецептору низкомолекулярные ключи, управляющие его работой. Эти ключи как раз и становятся со временем теми лекарствами, которых человечеству так не хватает. Остается надеяться, что ученым, которые будут проводить «молекулярный докинг», хватит упорства, чтобы получить результат, – как в свое время его хватило ученым, ставшим лауреатами Нобелевской премии по химии 2012 года.

Источник