Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года открыли загадку внутри- и межклеточного транспорта. Каждая клетка – это фабрика по производству молекул, которые она экспортирует в окружающее пространство. Такими продуктами служат гормоны, нейромедиаторы, ферменты, цитокины. Все эти вещества упакованы в маленькие пузырьки, в которых они окружены мембраной.
Три лауреата нынешней премии открыли молекулярные механизмы, которые лежат в основе упаковки веществ в везикулы, их транспортировки и высвобождения из везикул.
Бывший главный редактор одного из самых престижных междисциплинарных научных журналов Proceedings of the National Academy of Sciences (отдел науки «Газеты.Ru» регулярно знакомит своих читателей с работами, опубликованными в этом издании) Рэнди Шекман, ныне работающий в Университете Калифорнии в Беркли, открыл пул генов, которые требуются для этого клеточного транспорта. Профессор Йельского университета Джеймс Ротман раскрыл белковые механизмы, позволяющие везикулам сливаться с мишенями, чтобы выгружать свое содержимое. Уроженец Геттингена, работающий ныне в Стэнфорде, Томас Зюдхоф, открыл, какие внутриклеточные сигналы дают инструкции везикулам на высвобождение груза. За свои работы в этом году он был награжден Ласкеровской премией, а в 2010 году он получил премию Кавли.
В своих исследованиях Ротман, Шекман и Зюдхоф выявили исключительно точную систему контроля внутриклеточного транспорта и высвобождения полезного груза. Нарушения в этой системе ведут к серьезным последствиям и вносят вклад в развитие различных заболеваний, например диабета и иммунологических заболеваний.
Образно говоря, транспортная система в клетке работает в большом и загруженном «порту», где нужно доставить нужный груз в нужное место в нужное время. Гормоны, нейромедиаторы, ферменты, цитокины и прочие вещества должны быть доставлены к определенным мишеням именно тогда, когда это нужно.
Загрузка везикул полезными веществами и выгрузка их в месте назначения происходит путем слияния мембраны везикулы с мембраной клетки. Точность этих процессов в пространстве и во времени обеспечивает нервную и гормональную регуляцию работы организма.
Рэнди Шекман еще в 1970-х годах стал исследовать генетическую основу транспортной системы клетки на модели дрожжей. Он получал мутантные дрожжевые клетки, в которых возникал такой же «транспортный коллапс», что и в мегаполисе, если ломается общественный транспорт. Ученый описал три класса генов, контролирующих разные аспекты работы транспортной системы.
Джеймс Ротман в 1980-х и в 1990 гг. исследовал транспортную систему в клетках млекопитающих. Он открыл, что белковые комплексы позволяют везикулам парковаться в «доках» и сливать свою мембрану с мембраной клетки. Обратный процесс происходит снаружи клеточной мембраны. Этот механизм похож на работу двусторонней застежки-молнии, которая может расстегиваться как сверху, так и снизу. Ротман нашел у млекопитающих те же гены, что Шекман описал у дрожжей, и это говорит о древнем эволюционном возникновении данного механизма.
Томас Зюдхоф детально исследовал транспорт в нервных клетках, где нейромедиаторы, высвобождаются в составе везикул из пресинаптической мембраны, пересекают синаптическую щель и воздействуют на постсинаптическую мембрану. Таким путем через синапс – место контакта нейронов, передается нервный сигнал. Для этого процесса необходим ток ионов кальция через мембрану. Зюдхоф описал чувствительные к току кальция белки и изучил их слаженную и точную во времени работу.
Область исследований нынешних нобелевских лауреатов относится к фундаментальной клеточной физиологии, причем механизм клеточного транспорта универсален у разных организмов, от дрожжей до человека. Но эти исследования имеют крайне важное значение и для медицины, поскольку нарушение регуляции транспортной системы ввергает клетки в состояние хаоса и ведет к различным заболеваниям.
Прогноз экспертов в этом году не оправдался: Ротман, Шекман и Зюдхоф не назывались фаворитами нынешнего года.
В текущем году специалисты Thomson Reuters полагали, что Нобелевская премия будет вручена за одно из трех направлений. Первое — аутофагия: это внутриклеточное переваривание и утилизация поврежденных фрагментов клетки. Данный процесс происходит в специальных пузырьках-везикулах — аутофагосомах — и позволяет клетке восполнить недостаток питательных веществ и энергии и вернуться к нормальной жизнедеятельности. Нарушение процесса играет большую, но не до конца понятную ученым роль в развитии хронических заболеваний мышц (миопатий) и таких нейродегенеративных заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Второе направление — эпигенетика, которая исследует химические модификации ДНК и сопутствующих белков, не затрагивающих нуклеотидную последовательность ДНК. Третье направление — изучение молекулярных механизмов рака.
Некоторые эксперты полагали, что «Нобелевку» могут получить другие специалисты, работающие в области молекулярной онкологии. Еще один кандидат на премию — Джозеф Шлессинджер, специалист по внутриклеточным сигналам, изучение которых привело к созданию новых противораковых препаратов. В числе кандидатов называли также лауреатов премии за прорывы в области наук о жизни (одним из учредителей которой является российский бизнесмен Юрий Мильнер) Чарльза Сойерса, одного из разработчиков препарата против хронического миелоидного лейкоза, и Наполеона Феррара, первооткрывателя фактора роста эндотелия сосудов VEGF — белка, стимулирующего рост кровеносных капилляров. Было также мнение, что «Нобелевку» могут получить ученые, изучающие микро-РНК — короткие цепочки РНК, играющие важную роль в регуляции работы генов. Наконец, полагали, что премией будут отмечены работы по регенеративной медицине, в частности работы Энтони Атала, создателя биоинженерного мочевого пузыря и мини-почки
Эксперты, к которым корреспондент «Газеты.Ru» обратился за комментариями, также признали решение Нобелевского комитета неожиданным.
Со времени первого присуждения премии в этой номинации в 1901 году Нобелевской премией по физиологии и медицине был отмечен 201 человек.
Средний возраст лауреатов в этой номинации — 57 лет. Среди лауреатов было два русских ученых: Иван Павлов (1904 год) и Илья Мечников (1908 год). В прошлом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за «открытие возможности перепрограммирования дифференцированных клеток в плюрипотентные» получили британский исследователь Джон Гёрдон и японский исследователь Синъя Яманака.