Жизнь — очень энергозатратный процесс. Особенно когда организму приходится поддерживать не только свою сложную организацию, но и постоянную температуру, а иногда и способность к активному движению и — представьте себе — разумному поведению. Наши познания в эволюции жизни показывают, что вся эта фантастически энергозатратная деятельность, обеспечивающая существование многоклеточных животных с высоким уровнем активности, возможна только за счет высокоэффективного метаболизма, связанного с полным окислением органических веществ с помощью кислорода. Поэтому нехватка O₂ (гипоксия) становится серьезным вызовом, требующим значительных изменений обмена веществ и целого каскада реакций как на уровне клетки, так и на уровне всего организма и его отдельных систем. Подобную нехватку переживают клетки мышц человека при физической нагрузке, раковые клетки опухоли во время ее безудержного роста или весь организм — при подъеме в высокогорье или во время внутриутробного развития. Не удивительно, что каскады, обеспечивающие адаптацию к гипоксии, оказались встроены в число самых фундаментальных и базовых регуляторных путей клетки. Именно поэтому их открытие оказалось в центре внимания Нобелевского комитета и нашего обсуждения. Но — обо всем по порядку.

Вообще, нобелевская история изучения процессов дыхания и их регуляции довольно насыщенна. В 1931 году премию по физиологии или медицине присудили Отто Варбургу за открытие цитохромоксидазы — одного из центральных звеньев дыхательной цепи мембраны митохондрий. Спустя всего семь лет, в 1938 году, лауреатом премии стал бельгийский физиолог Корней Хейманс, открывший роль каротидных тел в регуляции дыхания.

В адаптации нашего организма к гипоксии принимают участие множество механизмов. Самый верхний из них — физиологическая реакция увеличения интенсивности дыхательных движений при гипоксии. За этот быстрый, рефлекторный ответ на гипоксию отвечают хеморецепторы, локализованные в уже упомянутых каротидных телах и в среднем мозге. При длительном воздействии гипоксии, например, при долгих физических тренировках у бегунов-марафонцев или при акклиматизации у альпинистов в условиях высокогорья, происходит увеличение содержания эритроцитов в крови. Делением и дифференцировкой предшественников-эритробластов в зрелые эритроциты управляет белковый гормон эритропоэтин. Ген этого центрального физиологического регулятора эритропоэза был клонирован и охарактеризован в 1985 году [1]. Сегодня рекомбинантный эритропоэтин используется для лечения самых разных анемий, однако истинную славу ему принесла роль одного из самых распространенных и универсальных допинг-препаратов.

То есть интенсивностью эритропоэза управляет эритропоэтин, но что определяет интенсивность его экспрессии? Тут мы и подбираемся к первому виновнику свеженькой Нобелевской премии — профессору Школы медицины при Университете Джонса Хопкинса Грэггу Семензе. Работая с клетками печени и почек, ему удалось показать, что в условиях гипоксии экспрессия эритропоэтина в них индуцируется благодаря одному и тому же транскрипционному фактору, связывающемуся с энхансером гена эритропоэтина (рис. 1) [2]. Вскоре структура этого фактора была установлена, а сам он был назван HIF-1α (сокр. от hypoxia-inducible factor 1). Строго говоря, активатором оказался гетеродимер из целых двух транскрипционных факторов: HIF-1α (или просто HIF-1) и HIF-1β (более известного как ARNT). Именно в виде двойного комплекса HIF-1α/ARNT способен к переносу в ядро и связыванию c ДНК-последовательностью-энхансером [3].

Одновременно регуляцией активности гена эритропоэтина занимался [4] и другой герой сегодняшнего рассказа — нынешний профессор Оксфорда, англичанин Питер Рэтклифф. К середине 1990-х работы научных групп, возглавляемых обоими нашими героями, показали, что HIF-1α является не просто активатором экспрессии эритропоэтина в отдельных клетках почек, а одним из важнейших транскрипционных факторов, управляющим множеством метаболических процессов во всех клетках тела [5], [6]. Более того, на рубеже 2000-х были опубликованы работы, продемонстрировавшие вовлечение HIF-1α в регуляцию пролиферации раковых клеток [7], ангиогенез, апоптоз и еще ряд других клинически значимых процессов [8]. Стало очевидно, что открытый не так давно белок уверенно входит в компанию пары дюжин ключевых для жизнедеятельности клетки транскрипционных факторов.

И тут, наконец, мы подходим к третьему герою нашего сегодняшнего рассказа — профессору Гарвардского университета Уильяму Келину. На рубеже веков основным направлением работы Келина было изучение болезни Гиппеля—Линдау. Это довольно редкое наследственное аутосомно-доминантное заболевание проявляется в предрасположенности пациента к целому набору различных сильно васкуляризированных опухолей, вырабатывающих большое количества фактора роста эндотелия сосудов. К тому моменту уже был идентифицирован белок [9], мутация в котором приводит к болезни Гиппеля—Линдау. Сегодня он известен как опухолевый супрессор VHL, или pVHL (сокр. от von Hippel—Lindau disease). Индуцировав синтез нормального pVHL в клетках карциномы почки, несущих мутантный ген VHL, исследователям из группы Келина еще в середине 90-х удалось добиться снижения производства целого ряда белков гипоксического ответа — VEGF, глюкозного транспортера GLUT1 и тромбоцитарного фактора роста PDGFβ [10]. Спустя несколько лет, уже знакомая нам оксфордская группа Рэтклиффа показала, что белок pVHL каким-то образом дестабилизирует транскрипционный фактор HIF-1, отправляя его на протеасомную деградацию [11]. Однако сам характер взаимодействия двух белков всё еще оставался неуловим. Удалось выяснить лишь то, что это взаимодействие каким-то образом зависит от присутствия достаточных количеств кислорода.

Кажется, что все элементы мозаики регуляторного каскада уже легли на стол перед учеными. Оставалось только собрать их в нужном порядке. Эту задачу выполнила опубликованная в 2001 году в Science работа гарвардской группы Уильяма Келина и его соавторов [12]. Оказалось, что pVHL является частью комплекса убиквитинлигазы E3, навешивающей на белки убиквитин и отправляющей их в клеточную машину разрушения — протеасому [13–15]. При этом сам pVHL выполняет роль своеобразного умного адаптера, заставляя убиквитинлигазу садится на HIF-1 и приговаривать его к смерти, но только тогда, когда на его поверхности появляется подходящая «посадочная площадка». А появляется эта посадочная площадка только под действием кислорода благодаря ферменту пролилгидроксилазе (а точнее — Fe(II)-/2-оксоглутаратзависимой HIF-пролилгидроксилазе [16]), гидроксилирующей ряд аминокислотных остатков на поверхности HIF-1 под действием кислорода. Этот фермент и является кислородным сенсором, отправляющим HIF-1 на деградацию в оксигенных условиях и прекращающим свое действие (и сохраняющим тем самым HIF-1) в условиях гипоксии (рис. 2). (Подробнее о гипоксии и кислород-чувствительных системах эукариот вы можете прочитать в обзоре «Гипоксия, негипоксическая гипоксия и иммунитет» [17].)

Позднейшие исследования показали, что открытый героями нашего рассказа механизм кислородной рецепции является довольно древним эволюционным приобретением; он консервативен для всех многоклеточных животных [18]. По-видимому, именно эта эволюционная древность сделала HIF-1 важным компонентов сразу нескольких регуляторных каскадов, поставив его буквально на перекресток гипоксии, воспаления и онкогенеза [19]. По современным данным, транскрипционный фактор HIF-1 управляет экспрессией более чем 300 различных генов (рис. 3). Сейчас HIF-1 рассматривается в качестве перспективной мишени противораковых препаратов [20]. По-видимому, именно это одновременно фундаментальное и потенциально прикладное значение открытия заставило Нобелевский комитет сделать свой выбор в пользу трио Келина, Рэтклиффа и Семензы.

Чтобы лучше разобраться в значении работ, удостоившихся столь высокой оценки, мы попросили прокомментировать этот вопрос Всеволода Белоусова — заведующего Отделом метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН. Всеволод дал «Биомолекуле» развернутый комментарий:

Значение регуляции HIF в биологии трудно переоценить. Во-первых, кислород является центральным условием существования аэробной жизни, а значит, от его доступности зависят практически все процессы в аэробных живых системах. Клетке очень важно чувствовать малейшие отклонения в уровне кислорода и быстро реагировать на них. Во-вторых, это открытие, несомненно, важно для медицины, поскольку ингибиторы HIF — потенциальные противораковые препараты, и в настоящее время ведется интенсивный поиск таких соединений. Нет практически ни одного аспекта онкогенеза, который не регулировался бы каскадом HIF, нет только хороших ингибиторов. В-третьих, HIF — это красивый пример того, как природа решила проблему быстрого ответа на гипоксию. Если бы ответ на гипоксию реализовывался “традиционным” образом, были бы белки-сенсоры на кислород, они бы при гипоксии связывались с промотором HIF, запускали бы экспрессию этого гена, уровень HIF постепенно возрастал бы, что приводило бы к активации таргетных HIF-зависимых генов. Просто, но долго. Но клетке важно очень быстро реагировать на гипоксию. Поэтому она постоянно синтезирует HIF, который тут же гидроксилируется и деградирует в протеасоме. При гипоксии его экспрессию не нужно активировать, она и так активна, HIF просто перестает гидроксилироваться и деградировать, мгновенно накапливается, идет в ядро и запускает свои таргетные гены.

Возможно, выбор Нобелевского комитета оставил кого-то в удивлении. Ведь пока не удостоились премии ни создатели нашумевшей системы CRISPR-Cas9 [21], ни отцы современных NGS-технологий [22] и прочих методов, изменивших лицо современных наук о жизни. Действительно, открытия наших сегодняшних героев не привели к революции в методах исследования и пока что не совершили переворот в медицине, как это было с лауреатами прошлого года [23]. Однако нет ни малейшего сомнения, что их фундаментальная работа сделала прорыв в понимании регуляторных механизмов клетки, дав мощный толчок множеству дальнейших, в том числе и прикладных, исследований, плоды которых нам еще предстоит увидеть.

Литература

1. F. K. Lin, S. Suggs, C. H. Lin, J. K. Browne, R. Smalling, et. al.. (1985). Cloning and expression of the human erythropoietin gene.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 82, 7580-7584;
2. G. L. Semenza, M. K. Nejfelt, S. M. Chi, S. E. Antonarakis. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 88, 5680-5684;
3. G. L. Wang, B. H. Jiang, E. A. Rue, G. L. Semenza. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 92, 5510-5514;
4. Patrick H. Maxwell, Mark K. Osmond, Christopher W. Pugh, Andrew Heryet, Lynn G. Nicholls, et. al.. (1993). Identification of the renal erythropoietin-producing cells using transgenic mice. Kidney International. 44, 1149-1162;
5. John D. Firth, Benjamin L. Ebert, Peter J. Ratcliffe. (1995). Hypoxic Regulation of Lactate Dehydrogenase A. J. Biol. Chem.. 270, 21021-21027;
6. Charles M. Wiener, Greg Booth, Gregg L. Semenza. (1996). In VivoExpression of mRNAs Encoding Hypoxia-Inducible Factor 1. Biochemical and Biophysical Research Communications. 225, 485-488;
7. Zhong H., De Marzo A.M., Laughner E., Lim M., Hilton D.A., Zagzag D. et al. (1999). Overexpression of hypoxia-inducible factor 1alpha in common human cancers and their metastases. Cancer Res. 59, 5830–5835;
8. Semenza G.L. (2000). HIF-1 and human disease: one highly involved factor. Genes Dev. 14, 1983–1991;
9. F Latif, K Tory, J Gnarra, M Yao, F. Duh, et. al.. (1993). Identification of the von Hippel-Lindau disease tumor suppressor gene. Science. 260, 1317-1320;
10. O. Iliopoulos, A. P. Levy, C. Jiang, W. G. Kaelin, M. A. Goldberg. (1996). Negative regulation of hypoxia-inducible genes by the von Hippel-Lindau protein.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 93, 10595-10599;
11. Patrick H. Maxwell, Michael S. Wiesener, Gin-Wen Chang, Steven C. Clifford, Emma C. Vaux, et. al.. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature. 399, 271-275;
12. M. Ivan, K. Kondo, H. Yang, W. Kim, J. Valiando, et. al.. (2001). HIFalpha Targeted for VHL-Mediated Destruction by Proline Hydroxylation: Implications for O2 Sensing. Science. 292, 464-468;
13. Вездесущий убиквитин;
14. «Вездесущий убиквитин» возвращается;
15. Как клетка убирает мусор;
16. John S. Scotti, Ivanhoe K. H. Leung, Wei Ge, Michael A. Bentley, Jordi Paps, et. al.. (2014). Human oxygen sensing may have origins in prokaryotic elongation factor Tu prolyl-hydroxylation. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 13331-13336;
17. Гипоксия, негипоксическая гипоксия и иммунитет;
18. William G. Kaelin, Peter J. Ratcliffe. (2008). Oxygen Sensing by Metazoans: The Central Role of the HIF Hydroxylase Pathway. Molecular Cell. 30, 393-402;
19. Kuppusamy Balamurugan. (2016). HIF-1 at the crossroads of hypoxia, inflammation, and cancer. Int. J. Cancer. 138, 1058-1066;
20. Georgina N. Masoud, Wei Li. (2015). HIF-1α pathway: role, regulation and intervention for cancer therapy. Acta Pharmaceutica Sinica B. 5, 378-389;
21. Как CRISPR/Cas работает не по специальности;
22. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
23. Иммунитет без тормозов: Нобелевская премия за антитела против рака (2018).