Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучшее новостное сообщение».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Вы слишком заработались. На небе сияет луна, когда вы идете домой по пустынным улицам. Вдруг позади вас раздаются шаги. Они быстро приближаются. «Ничего страшного, — говорите вы себе. — Просто еще один бедняга засиделся на работе». Но мурашки уже побежали у вас по спине. Сзади действительно кто-то есть... Вы мчитесь домой. В тот момент, когда вы открываете входную дверь, ваше тело бьет дрожь, сердце колотится, и вы тяжело дышите. В тот самый момент, как ваш глаз уловил приближающийся силуэт, ваше тело приготовилось к бегству (рис. 1). Мозг отправил первые предупреждающие сигналы вашему телу. Гипофиз вбросил в кровяное русло гормоны, которые разбудили надпочечники. А они, в свою очередь, принялись вбрасывать в кровь кортизол, адреналин и норадреналин, что стало вторым предупреждением: «Пора бежать!» Жировые и мышечные клетки, печень, сердце, легкие и кровеносные сосуды откликнулись немедленно. Кровь наполнилась сахарами и жирами, бронхи расширились, сердце застучало — все это для того, чтобы ваши мышцы получили больше энергии и кислорода. С единственной целью заставить вас бежать со всех ног, чтобы сохранить себе жизнь.

В организме человека взаимодействуют десятки тысяч миллиардов клеток. У большинства из них есть четкие роли. Некоторые накапливают жиры, другие регистрируют зрительное впечатление, производят гормоны или являются частью мышечной ткани. И для нашего существования принципиально важно, чтобы все клетки работали в унисон, чтобы они могли чувствовать свое окружение и знать, что происходит вокруг них. Для этого им нужны сенсоры. Сенсоры на поверхности клетки называются рецепторами. Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz) и Брайан Кобилка (Brian Kobilka) в 2012 году стали лауреатами Нобелевской премии по химии «за раскрытие подробной схемы того, как работают рецепторы, связанные с G-белком» (от англ. G-protein—coupled receptors, GPCRs). В этом семействе мы найдем рецепторы адреналина (также известного как эпинефрин), дофамина, серотонина, света, вкуса и запахов. Большинство физиологических процессов зависит от рецепторов этого семейства. Через них действует на нас около половины всех лекарственных препаратов, среди которых бета-блокаторы, антигистаминные препараты и различные психиатрические средства. Таким образом, информация о рецепторах семейства GPCR чрезвычайно полезна человечеству. Однако эти рецепторы долгое время ускользали от исследователей.

Рецептор — ускользающая загадка

В конце 19-го столетия, когда ученые начали экспериментировать с эффектами адреналина на организм, они обнаружили, что это вещество заставляет сердце биться чаще, кровяное давление — возрастать, а зрачки — расширяться. Чтобы проверить предположение о действии адреналина посредством нервных волокон, ученые искусственно парализовали нервную систему лабораторных животных. Однако эффект адреналина сохранялся. Ученые пришли к выводу: у клеток должны быть какие-то рецепторы, которые позволяют им чувствовать химические вещества — гормоны, яды или лекарства — в своем окружении. Но когда исследователи попытались обнаружить эти рецепторы, они натолкнулись на преграду. Захотелось понять, как рецепторы выглядят и как они передают сигнал внутрь клетки. Адреналин ведь применялся снаружи клетки, но это приводило к изменению в метаболизме внутри нее. Каждая клетка имеет оболочку — мембрану из молекул липидов, которая отделяет клетку от внешней среды. Как же проникает сигнал сквозь оболочку? Как может содержимое клетки знать о происходящем снаружи? Рецепторы не удавалось обнаружить в течение десятилетий, но, несмотря на это, ученые умудрились создать препараты, которые оказывали свое воздействие специфически через тот или иной тип рецепторов.

В 1940-х годах американский ученый Раймонд Олквист изучал, как различные органы реагируют на вещества, схожие с адреналином. Результаты работы натолкнули его на мысль о том, что должно быть два типа рецепторов адреналина: первый главным образом заставляет сокращаться клетки гладких мышц в стенках кровеносных сосудов, а второй — стимулирует сердце. Он дал этим рецепторам названия альфа и бета. Вскоре после этого ученые разработали первые бета-блокаторы, которые сейчас являются одними из наиболее часто употребляемых сердечных препаратов. Эти вещества, несомненно, оказывали действие на клетки, но как — оставалось тайной. Теперь мы знаем, почему рецепторы было так трудно обнаружить: они довольно немногочисленны и в основном находятся в клеточной мембране. Спустя пару десятилетий даже Олквист стал остывать к своей теории о двух типах рецепторов. Он писал: «Для меня они являются абстрактной концепцией, позволившей объяснить отклик тканей, который наблюдался у них при действии препаратов различного строения». Именно в этот момент, в конце 1960-х, в истории этих рецепторов появился Роберт Лефковиц, один из Нобелевских лауреатов этого года.

Выманивание рецепторов из потаенных мест

Молодой инициативный студент был настроен стать кардиологом. Однако он окончил университет в разгар Вьетнамской войны и проходил воинскую службу в федеральном исследовательском учреждении Министерства здравоохранения США — Национальных институтах здоровья. План работ у наставника Лефковица уже был готов — предстояло ввести радиоактивный изотоп йода в гормон, а затем, когда гормон свяжется с поверхностью клетки, радиоактивное излучение йода позволит проследить за рецептором. В дальнейшей работе Лефковицу следовало показать, что связывание гормона с мембраной клетки и в самом деле запускает процессы под ней. Если ему удалось бы добиться успеха, ни у кого не осталось бы сомнений, что он действительно обнаружил биологически функционирующий рецептор. Лефковиц начал работу с адренокортикотропным гормоном, который стимулирует производство адреналина в надпочечниках. Но казалось, что ничего не работает. Год проходит безрезультатно, и Лефковиц, который вовсе не был заинтересован в исследовательской работе как таковой, начинает падать духом. Он продолжает исследования, но мечтает о том, чтобы стать лечащим врачом. Некоторый успех приходит к Лефковицу лишь когда начинается второй год проекта.

В 1970 году Лефковиц публикует статьи в двух престижных журналах Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и Science, в которых описывает открытие активного рецептора. Это достижение дает ему почувствовать волнение исследовательской работы, и в итоге он оказывается в Дюкском университете в Северной Каролине. Не то чтобы он туда особенно стремился, но там ему сделали предложение, от которого он просто не мог отказаться. В новой лаборатории Лефковиц собирает свою собственную команду исследователей. И хотя уже было ясно, что он никогда не станет кардиологом, он все равно хочет заниматься болезнями сердца.

Итак, он концентрируется на рецепторах адреналина и норадреналина, так называемых адренергических рецепторах. Используя радиоактивно меченные вещества, включая бета-блокаторы, его группа изучает работу этих рецепторов, и после прецизионной настройки оборудования удается выделить ряд рецепторов из биологической ткани. Между тем, возросло понимание того, что происходит внутри клетки. Исследователи обнаружили то, что они назвали G-белками (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1994 год) и что активируется по сигналу со стороны рецепторов. В свою очередь, G-белок запускает цепь реакций, которые изменяют метаболизм клетки. С начала 1980-х к ученым стало приходить понимание пути, по которому сигнал передается снаружи клетки вовнутрь (рис. 2).

Ген — ключ к новым взглядам

В 1980-х Лефковиц решает, что его группе следует попытаться найти ген, который кодирует бета-рецептор. Это решение и привело к получению этой Нобелевской премии. Ген похож на детальный план. Он содержит код, прочитываемый клеткой, когда она соединяет аминокислоты, чтобы получить белок — например, рецептор. Идея состояла в том, что если группе удастся выделить ген бета-рецептора, то они смогут получить ключ к механизму его работы. Примерно в то же время Лефковиц приглашает на работу молодого специалиста, Брайна Кобилку. Его увлеченность адренергическими рецепторами началась с увиденного в отделении интенсивной терапии, где доза эпинефрина зачастую становилась гранью между жизнью и смертью. Гормон открывал спавшиеся дыхательные пути и ускорял сердцебиение. Кобилка захотел разобраться в силе эпинефрина до мельчайших молекулярных деталей и поэтому присоединился к Лефковицу и его команде.

Итак, Кобилка включается в охоту за гéном. Однако в 1980-х попытки найти определенный ген в необъятном генóме организма были похожи на поиск иголки в стоге сена. Тем не менее, Кобилка предлагает оригинальную идею, которая делает возможным его идентификацию. Полные надежд, исследователи начинают анализировать генетическую последовательность, из которой следует, что рецептор состоит из семи длинных гидрофобных цепочек — α-спиралей (рис. 3). Это навело на мысль, что рецептор, вероятно, семь раз извивается туда-сюда на своем пути через мембрану клетки. Семь раз. Именно столько цепочек и именно такой формы были выявлены в другом рецепторе, обнаруженном к тому моменту совсем в другом месте организма — рецепторе света родопсине в сетчатке глаза . Возникла мысль: могут ли два эти рецептора быть как-то связаны несмотря на то, что имеют совершенно разные функции? Позже Роберт Лефковиц скажет, что это была эврика в чистом виде. Он знал, что и адренергический рецептор, и родопсин взаимодействуют с G-белками внутри клетки. Он также знал еще около 30 рецепторов, которые функционируют с участием G-белков. Вывод был таков: должно быть целое семейство рецепторов, которые выглядят и функционируют сходным образом! С момента этого революционного открытия мало-помалу стала складываться вся мозаика, и теперь ученые имеют детальное представление о GPCR — как они работают и как регулируются на молекулярном уровне. Лефковиц и Кобилка оставались на переднем фронте в этом научном путешествии, и в прошлом (2011) году Кобилка и его команда сообщила об открытии, увенчивающем их многолетнюю работу.

На «биомолекуле» есть большой обзор, посвященный родопсину: «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет» [1]. В нем подробно рассказано о структуре и функционировании G-белоксопряженных рецепторов — Ред.

Визуализация эффектов адреналина

После успешного выделения гена, Брайан Кобилка перебрался на Медицинский факультет Стэнфордского университета в Калифорнии. Там он намеревался определить структуру рецептора, что, по мнению большинства в научном сообществе на тот момент, было совершенно недостижимой целью. И это стало для Кобилки занятием надолго.

Визуализация структуры белка — процесс, включающий в себя много сложных этапов. Белки слишком малы, чтобы их можно было разглядеть в обычный микроскоп, поэтому ученые используют метод, называемый рентгеновской кристаллографией. Они начинают с выращивания кристаллов, в которых молекулы белка плотно упакованы в виде симметричной решетки подобно тому, как молекулы воды упакованы в кристалле льда или атомы углерода в алмазе. Затем исследователи подвергают кристаллы действию рентгеновского излучения. Когда лучи ударяют по молекулам белка, они рассеиваются, и по характеру получающейся картины рассеяния ученые могут рассчитать, как выглядят белки на атомарном уровне. Первое изображение кристаллической структуры белка было получено в 1950-х годах, и с тех пор ученым удалось получить структуры тысяч белков. Однако большая часть из них относится к водорастворимым белкам, для которых вырастить кристалл относительно легко. Гораздо меньшему числу исследователей удалось получить изображение белков, расположенных в липидных мембранах клеток . Более того, рецепторы из семейства GPCR по своей природе очень подвижные (они передают сигнал посредством внутренних перестроек), но внутри кристалла они должны стать почти полностью статичными. Таким образом, уже сама по себе их кристаллизация является непростой задачей.

О структурных исследованиях белковых молекул мы писали в статье «Ловля бабочек, или чем структурная геномика поможет биологии» [2]. О роли липидных молекул в формировании мембраны и в самой жизни читайте в статье «Липидный фундамент жизни» [3]. — Ред.

Кобилке потребовалось более двух десятилетий, чтобы найти решение этих задач. Но, благодаря решительности, творческому подходу и молекулярно-биологическим приемам, Кобилка и его группа достигла, наконец, заветной цели в 2011 году: они получили изображение рецептора в тот самый момент, когда он передает сигнал от гормона снаружи клетки G-белку внутри нее (рис. 3) . Эта структура, опубликованная в журнале Nature, открыла новые подробности о рецепторах GPCR. Например, стало понятно, как выглядит активированный рецептор, когда он открывает полость для связывания G-белка (рис. 4). Такая информация окажется очень полезной в будущем для разработки новых фармацевтических препаратов.

О первом успехе лаборатории Кобилки в структурной биологии GPCR-рецепторов «биомолекула» писала в статье «Новый рубеж: получена пространственная структура β₂-адренорецептора» [4]. Первая работа, в которой удалось «увидеть» активированный рецептор, описана в заметке «Рецепторы в активной форме» [5]. — Ред.

В жизни необходима гибкость

Картирование генома человека выявило около тысячи генов, которые кодируют белки семейства GPCR. Около половины этих рецепторов реагируют на запахи и являются частью обонятельной системы. Одна треть — это рецепторы гормонов и сигнальных веществ, таких как дофамин, серотонин, простагландин, глюкагон и гистамин. Некоторые рецепторы улавливают свет, попавший нам в глаз, в то время как другие расположены на языке и дают нам ощущение вкуса. Более сотни рецепторов все еще представляют загадку для исследователей, поскольку их предназначение пока не определено. Ученые открыли, что некоторые рецепторы многофункциональны: один и тот же рецептор может распознавать несколько различных гормонов. Более того, внутри клетки они взаимодействуют не только с G-белками, но и, например, с белками, называемыми аррестинами. Кроме адренорецепторов к сегодняшнему дню получены структуры уже целой плеяды GPCR-белков: это дофаминовый, хемокиновый, аденозиновый, мускариновый, опиоидный рецепторы . И их число продолжает увеличиваться.

«Биомолекула» писала об этом роге изобилия в статье «Структуры рецепторов GPCR „в копилку“» [6], намекая, что число структур начало расти очень быстро, а обещанного прорыва в фармакологии все нет и нет. Ну вот теперь содержимое «копилки» принесло первооткрывателям хотя бы Нобелевскую премию. — Ред.

Осознание того, что эти рецепторы не всегда сопряжены с G-белком, привело ученых к переименованию их в семиспиральные трансмембранные рецепторы (7-ТМ), в честь семи α-спиральных сегментов, которые «змейкой» пересекают мембрану клетки. Большое число рецепторов и их гибкость позволили добиться той тонкой клеточной регуляции, которая необходима для жизни.

...Давайте вернемся на пустынную улицу. Когда кровь насытилась адреналином, различные ткани отреагировали по-разному. Приток крови к пищеварительной системе уменьшился, в то время как к мышцам — увеличился. Различные эффекты адреналина зависят от, как минимум, девяти различных рецепторов этого гормона в нашем организме. Какие-то включают клеточную активность, другие оказывают успокаивающий эффект. Поэтому когда в следующий раз вы испугаетесь, будете наслаждаться вкусом пищи или просто глазеть на звезды в небе, подумайте о своих рецепторах, сопряженных с G-белком. Без них ваши клетки страдали бы от противоречивых намерений, и хаос воцарился бы в вашем организме.

Перевод пресс-релиза нобелевского комитета.

Литература

1. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
2. Ловля бабочек, или Чем структурная геномика поможет биологии;
3. Липидный фундамент жизни;
4. Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора;
5. Рецепторы в активной форме;
6. Структуры рецепторов GPCR «в копилку».