Текст книги "30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину"

Дефицит холестерина – редкое заболевание, при котором происходят серьезные повреждения организма, особенно нервной системы. Гораздо более распространенная аномалия в метаболизме холестерина связана с его высоким содержанием. Избыточный холестерин накапливается в стенках артерий, образуя бляшки, которые могут закупорить артерии, вызвать сердечный приступ или инсульт. Накопление холестерина в стенках артериальных сосудов – медленный процесс, он может длиться десятилетия. Среди факторов, которые способствуют этому процессу, – высокое кровяное давление, недостаточная физическая активность, курение, длительный стресс и генетические особенности.

Изучая механизм семейной гиперхолестеринемии (СГ), Браун и Голдстайн обнаружили новый и неожиданный способ регуляции метаболизма холестерина. Они рассуждали следующим образом. Обычно клетки обладают высокой способностью синтезировать свой собственный холестерин. При низкой концентрации в крови холестерина низкой плотности («плохого» ЛПНП) клетки увеличивают количество ЛПНП-рецепторов на своей поверхности. Таким образом, концентрация ЛПНП в крови уменьшается. Чем больше ЛПНП циркулирует в кровообращении, тем он доступнее для клеток. Нобелевские лауреаты внедрили совершенно новые принципы лечения СГ, основанные на обнаружении ЛПНП-рецепторов. У лиц с мягкой гетерозиготной формой СГ они с помощью препаратов увеличивали количество ЛПНП-рецепторов. Это снижало уровень холестерина в крови. Однако при более тяжелой гомозиготной форме СГ, когда функциональные ЛПНП-рецепторы полностью отсутствуют, лекарство не помогало. Был проанализирован случай с трансплантацией печени у тяжелобольной шестилетней девочки с СГ. Поскольку она перенесла несколько сердечных приступов, ей были пересажены одновременно донорские печень и сердце. Через полгода после операции уровень холестерина в ее крови составил 3 г на литр – вместо 12 г на литр перед трансплантацией печени.

Открытия, сделанные Брауном и Голдстайном, резко расширили не только понимание метаболизма холестерина, но и медицинские возможности для профилактики и лечения атеросклероза и сердечных приступов. А людям, собирающимся сесть на строгую диету, они дали надежду на то, что сохранить сосуды можно и без мучительного самоограничения в еде.

Сердечно-сосудистые катастрофы – основная причина смерти в большинстве развитых стран, по этой причине люди умирают даже чаще, чем от онкологических заболеваний. Болезнь вызвана наследственными, экологическими и некоторыми другими факторами, которые вызывают снижение количества ЛПНП-рецепторов клеток. Это увеличивает уровень ЛПНП в крови и, следовательно, риск развития атеросклероза. Революционные результаты исследований Брауна и Голдстайна дали нам препараты, которые увеличивают количество ЛПНП-рецепторов, при этом к питанию больного предъявляется гораздо меньше ограничений. Так что скоро из-за плохого анализа на холестерин не придется отказываться от бутерброда с маслом и хорошего шашлыка.

Аутофагия внутри нас, или как наконец похудеть и защититься от рака
_{Ёсинори Осуми}

В последние десятилетия Нобелевскую премию по физиологии и медицине редко присуждают одному исследователю, обычно ее получают коллективы увлеченных ученых. Однако фундаментальные открытия-озарения (а они обычно строятся на основе предыдущих исследований, а также опыта и прозорливости) по-прежнему совершают одиночки.

Более 130 лет назад из уст российского ученого впервые прозвучал выведенный им термин «фагоцитоз». За исследование связи фагоцитоза с иммунитетом Илья Ильич Мечников получил Нобелевскую премию. В середине 1950-х годов другой нобелевский лауреат, бельгийский биохимик Кристиан де Дюв, ввел термин «аутофагия» (от греческих слов αὐτός «сам» и φαγεῖν «есть» – самопоедание). Термин потребовался де Дюву для описания процесса, который он с коллегами обнаружил с помощью электронного микроскопа, а именно – доставку в определенные клеточные отделы различных фрагментов, находящихся как внутри клетки, так и вне ее. Концепция «самопоедания» появилась, когда исследователи впервые заметили, что клетка может уничтожить собственное содержимое, заключив его во фрагмент мембраны и образовав мешковидные пузырьки, которые далее транспортируются для утилизации в клеточную органеллу, – ее ученые назвали лизосомой.

Трудности в изучении аутофагоцитоза заключались в отсутствии экспериментальной модели, на которой можно было бы с помощью увеличительных приборов наблюдать это явление, а также в идентификации генов, отвечавших за этот процесс. В начале 1990-х годов Ёсинори Осуми из Японии провел серию блестящих экспериментов на дрожжевых культурах и показал, что в наших клетках осуществляются аналогичные механизмы. Также он идентифицировал гены, ответственные за этот процесс, и таким образом нашел решение сразу обеих задач. В 2016 году Осуми получил Нобелевскую премию «за открытие механизмов аутофагии».

Одна из важных функций любой живой системы – переваривание и утилизация собственных отходов. В первой половине XX века было известно, что в живой клетке пищеварительную функцию выполняют лизосомы, содержащие ферменты, которые переваривают белки, углеводы и липиды. Новые наблюдения в 1960-х годах показали, что в лизосомах иногда можно найти большое количество внутриклеточного содержимого и даже целые клеточные органеллы. Дальнейший биохимический и микроскопический анализ выявили новый тип органелл, доставляющих клеточные грузы в лизосому для утилизации. Кристиан де Дюв назвал их аутофагосомами. Как же клетка избавляется от крупных белковых комплексов и изношенных органелл?

Ёсинори Осуми проводил исследования в самых разных областях, но, когда создал в 1988 году собственную лабораторию, сосредоточился на деградации (процесс, обратный синтезу) белка в вакуоле дрожжей – органелле, которая соответствует лизосоме в клетках человека. Осуми столкнулся с серьезной проблемой: дрожжевые клетки малы, а их внутренние структуры трудно различить под микроскопом. Ученый даже не был уверен, происходит ли в них аутофагия. Осуми предположил, что если нарушить процесс деградации в вакуоли, пока там идет активный процесс переваривания, то аутофагосомы должны накопиться в ней и стать видимыми под микроскопом. Поэтому он культивировал мутировавшие дрожжи, не имевшие ферментов для деградации. Культивируя их на бедных питательных средах, Осуми одновременно стимулировал аутофагию. Результаты были поразительными! В течение нескольких часов вакуоли наполнились небольшими пузырьками, которые еще не деградировали. Эти пузырьки были аутофагосомами, а эксперимент Осуми доказал, что аутофагия происходит в клетках дрожжей. В процессе своего формирования аутофагосома поглощает клеточные отходы – поврежденные протеины и остатки органелл. В итоге она сливается с лизосомой, и ее содержимое, благодаря лизирующим ферментам, распадается до аминокислот. Этот процесс обеспечивает клетки питательными веществами и строительным материалом для обновления.

Но гораздо важнее то, что у ученого теперь был метод выявления и характеристики ключевых генов, участвующих в этом процессе. Во время своей нобелевской лекции Осуми признался: «Я смотрел в микроскоп на вакуоли каждый день по многу часов. Думаю, что в эти годы в наблюдении за клетками дрожжей я провел больше времени, чем кто-либо еще!»

Настойчивые наблюдения привели Осуми к обнаружению генов, ответственных за аутофагию. Вот как это произошло. Осуми искусственно создал штамм дрожжей, в котором аутофагосомы были накоплены в результате недостаточного питания. Осуми обработал дрожжевые клетки препаратом, вызывавшим произвольные мутации во многих генах, а затем инициировал аутофагию. Его стратегия сработала! Уже в год своего открытия он сумел определить первые гены, необходимые для аутофагии. В последующих сериях исследований были определены функциональные характеристики белков, закодированных этими генами. Результаты показали, что аутофагия регулируется каскадом белков и белковых комплексов, каждый из которых управляет отдельными стадиями инициации и развития аутофагосомы.

Благодаря Осуми количество исследований, посвященных аутофагосомам, стало нарастать лавинообразно. Если в 1992 году, когда он сделал открытие, в научных журналах выходило примерно 20 статей на эту тему, то в последующие годы – примерно 5000.

Теперь известно, что аутофагия – это механизм, необходимый нашим клеткам. Он контролирует те важные физиологические функции, при которых клеточные компоненты должны быть разрушены и переработаны. Аутофагия может быстро обеспечить клетку топливом и предоставить строительные блоки для восстановления клеточных компонентов – вот почему она необходима для клетки во время голодания или в других стрессовых ситуациях. В случае заражения аутофагия может устранить вторжение внутриклеточных бактерий и вирусов. Аутофагия способствует развитию эмбрионов и дифференциации клеток. Также клетки используют механизм аутофагии, чтобы освободиться от дефектных белков и органелл.

Было открыто, что нарушение процесса аутофагии связано с болезнью Паркинсона, диабетом второго типа и другими расстройствами, которые обусловлены накоплением неутилизированных веществ. Чаще всего эта проблема встречается у пожилых людей. Мутации в генах, регулирующих аутофагию, могут вызвать генетическое заболевание. Нарушения в механизме аутофагии также ассоциированы с возникновением рака. Все это побудило научно-исследовательские группы к интенсивным разработкам препаратов для лечения различных тяжелых заболеваний. А ключ к этим разработкам дало открытие Ёсинори Осуми.

Когда один из авторов этой книги рассказала о нем на своей страничке в фейсбуке, посыпались вопросы на тему: правда ли, что голодание в течение 16 часов и более способствует не только похудению, но и защите от опухолей и возрастных изменений. Пока можно сказать определенно, что при культивировании клеток на низкопитательных средах значимо увеличивается число аутофагосом – следовательно, усиливается процесс утилизации белковых фрагментов и других «мусорных» частиц в клетках. Предположительно, это действительно может дать положительный эффект.

ГЛАВА 2. Гены в XX веке: от открытия до редактирования

Создание хромосомной теории наследственности
_{Томас Морган}

С древних времен человек замечал, что обычно дети внешне и по характеру напоминают своих родителей, а братья и сестры могут быть очень похожи. Люди пытались найти этому объяснение, разгадать механизм передачи признаков из поколения в поколение и выяснить, откуда у человека могут появиться черты, не свойственные его предкам. Многие сотни лет представления о наследственности носили сугубо мистический характер и не приближали человечество к правильной разгадке.

Древнегреческий ученый Гиппократ писал, что ребенок наследует качества из разных частей организма отца и матери. Это мнение разделял и Аристотель. С незначительными изменениями такое предположение было общепринятым вплоть до конца XIX века, а единственной теорией, которая соперничала с ним, был так называемый преформизм, берущий свое начало в религиозных учениях. Согласно этой теории, в момент создания первой женщины все последующие поколения уже были сформированы в ее чреве, а мужское семя представляет собой очень маленьких людей, впоследствии сильно вырастающих. В модифицированном виде преформизм был популярен в биологии XVII–XVIII веков. Именно в то время появлялись идеи о возможности создать в лаборатории гомункулуса, так забавлявшие интернет-сообщество в середине 2010-х годов.

Исследования вопросов наследственности начались в середине XIX века. Основу исследований заложил монах ордена Святого Августина Грегор Мендель, опубликовавший в 1866 году результаты своих экспериментов по гибридизации растений. В том же году в США родился Томас Морган, ставший впоследствии последователем Менделя и основоположником целой плеяды генетиков.

Открытия Менделя имели революционное значение. Они показали полную несостоятельность старых теорий, однако остались совершенно неоцененными современниками. Выводы, которые делал Мендель, скрещивая несколько сортов садового гороха, формулируются в двух его законах о наследственности. Первый – правило расщепления. Его суть такова: если два разных наследственных фактора объединить в одном поколении для получения определенного качества (например, размера растения), то в следующем поколении они разделятся. Второй закон Менделя – правило свободных комбинаций: в каждом следующем поколении различные наследственные факторы могут создавать независимые друг от друга новые комбинации. Если, например, высокое растение с красным цветком скрестить с маленьким и белоцветным, то факторы «красные» и «белые» могут быть унаследованы независимо от факторов «большие» и «малые». Во втором поколении, кроме высоких красноцветных и коротких растений с белыми цветками, получатся короткие красноцветные и высокие белоцветные.

Мендель заслужил благодарность пришедших ему на смену генетиков за точную регистрацию характерных признаков и последующее их проявление из поколения в поколение. Исследователь обнаружил относительно простые, повторяющиеся численные пропорции, которые дали ученым ключ к истинному пониманию механизма наследования. Экспериментальная генетика XX века доказала, что правила Менделя применимы ко всем многоклеточным организмам: ко мхам и цветущим растениям, к насекомым, моллюскам, крабам, амфибиям, птицам и млекопитающим, включая человека.

Однако законы Менделя ждала судьба многих других великих открытий, опередивших свое время. Их значение не было оценено по заслугам, и они ушли в небытие. А после того, как в 1884 году Мендель умер, никто их не вспоминал вплоть до начала следующего века.

Повторное открытие законов Менделя было сделано около 1900 года. Тогда научный мир уже был готов принять новую теорию и оценить ее значимость, ведь к тому времени были получены корректные сведения о строении клетки и ее ядра. О митотическом делении клеток и хромосомах – странных нитевидных структурах, появляющихся при митозе, – было известно уже в начале 1870-х годов. Наблюдая расхождение, блуждание и слияние хромосом на разных фазах клеточного деления, исследователи поняли, что хромосомы при митозе не появляются, а утолщаются и поэтому становятся хорошо видны. Мнение о том, что хромосомы – носители наследственной информации, впервые было четко и обоснованно высказано в 1903–1904 годах.

Словом, научная почва была хорошо подготовлена, и когда в 1910 году американский зоолог Томас Морган начал свои исследования, они в конечном счете привели его в 1933 году к Нобелевской премии «за открытие роли хромосомы в наследственности».

Успех Моргана объясняется несколькими причинами. Во-первых, он использовал сразу два, казалось бы, непересекающихся метода: статистически-генетический, принятый Менделем, и микроскопический. Морган со своей командой не только наблюдал за тем, как и какие признаки передаются из поколения в поколение, но параллельно старался фиксировать, какие микроскопические процессы в клетках и хромосомах приводят к тем или иным результатам скрещивания.

Другая причина успеха Моргана связана с удачным, прямо-таки гениальным выбором объекта для экспериментов. С самого начала Морган работал с мухой дрозофилой обыкновенной (Drosophila melanogaster). Эти мушки, ставшие теперь классическим модельным организмом, легко содержатся в лабораторных условиях и хорошо переносят большинство необходимых экспериментов. Дрозофилы непрерывно размножаются, новое поколение появляется примерно через каждые 12 дней, то есть не менее 30 раз в год. Самки откладывают за жизнь до 1000 яиц, а мужские и женские особи легко отличить друг от друга. Именно такой удачный выбор позволил Моргану обогнать других видных ученых-генетиков, которые начали аналогичные исследования раньше, но использовали в качестве экспериментальных объектов менее подходящих животных или растения.

Так же как и учение Менделя, открытие Моргана можно тезисно представить в виде правил или законов. Их четыре: правило комбинации, правило ограниченного числа комбинационных групп, правило пересечения, а также правило линейного расположения генов в хромосомах. Они принципиальным образом дополняют правила Менделя. Все они неразрывно связаны и образуют вместе тесное биологическое единство.

Правило сочетания Моргана, согласно которому некоторые наследственные признаки связаны друг с другом, в значительной степени ограничивает второе правило Менделя, по которому в новом поколении гены могут сочетаться независимо. Правило сочетания дополняется правилом ограниченного числа комбинационных групп, соответствующих количеству хромосом. С другой стороны, правило сочетания ограничено странным явлением, которое Морган назвал «кроссинговером», или обменом генов: Морган представлял его как реальный обмен частями между хромосомами. Эта теория встретила много возражений, однако была доказана посредством прямых микроскопических наблюдений.

Правило линейного расположения генов также казалось вначале фантастикой. Утверждение Моргана о том, что участки, отвечающие за различные наследственные признаки, расположены на хромосоме словно бусины, вызвала волну скепсиса. Дело в том, что Морган пришел к таким сенсационным выводам путем статистического анализа результатов скрещивания дрозофил, а не с помощью прямого исследования хромосом. Но более поздние работы полностью подтвердили правоту ученого.

Исследования Моргана не только заложили надежный фундамент для развития генетики, но и практически сразу приобрели прикладное значение. Сформулированные им правила позволили по-новому взглянуть на наследственные заболевания человека, значительно расширив возможности их лечения и профилактики. Так, например, стал понятен механизм передачи по наследству «царской» болезни гемофилии, которой страдали многие европейские принцы. Но не принцессы! Дело в том, что, в соответствии с правилом сочетания Моргана, ген, отвечающий за низкую свертываемость крови (причина гемофилии) находится на Х-хромосоме, которых у женщин две, а у мужчин всего одна. Болезнь проявляется (но не распространяется) по мужской линии. Обладая этими знаниями, люди могут заниматься планированием семьи или по крайней мере заранее подготовиться к рождению особенного ребенка.

Кстати

В английском языке термин «mendelism» означает всего лишь «учение Менделя». Но в СССР слово «менделизм» имело негативную коннотацию. До 1960-х годов «менделизмом-морганизмом» называли совокупность теорий Грегора Менделя и Томаса Моргана (как и в английском языке), вот только генетика считалась тогда в СССР «продажной девкой империализма» и ее основоположников принято было ругать.

Слово из трех букв: ДНК – ключевое открытие ХХ века
_{Фрэнсис Крик}
Джеймс Уотсон
Морис Уилкинс

Сразу после того, как была расшифрована структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), один из авторов исследования, британец Фрэнсис Крик, написал сыну: «…Джим Уотсон и я, вероятно, сделали самое важное открытие…» – и был совершенно прав. Установление структуры и функций ДНК считается одним из ключевых достижений не только молекулярной биологии, но и всей мировой науки. Хотя в своем письме сыну Крик упомянул только американца Джеймса Уотсона, важную роль в разгадке структуры ДНК играли еще двое ученых: подданные Британской короны Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.

К моменту великого открытия было известно, что ДНК состоит из фосфатной группы, сахара (дезоксирибозы) и четырех азотистых оснований: аденина, гуанина, тимина и цитозина. По сформулированным в 1951 году правилам Чаргаффа аденин с тимином и гуанин с цитозином содержались в ДНК попарно в равном количестве. В начале 1950-х годов сотрудники Королевского колледжа Лондона Морис Уилкинс и Розалинд Франклин получили рентгеноструктурные фотографии, указывавшие на то, что ДНК имеет форму, похожую на спираль. В ученой среде шло настоящее соревнование: кто на основе имеющихся данных построит верную модель ДНК.

Крик и Уотсон выдвинули свою первую гипотезу о структуре ДНК в 1951 году, но ошиблись. Их модель, предполагавшая, что центральный остов молекулы состоит из фосфатов, оказалась нежизнеспособной. В следующем году будущий лауреат двух Нобелевских премий (по химии и премии мира) Лайнус Полинг выдвинул собственную гипотезу, но тоже построил теорию на ошибочном предположении о фосфатном остове, располагающемся в центре молекулы. Удачной оказалась лишь очередная попытка Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, сделанная в 1953 году. Эти ученые учли предыдущие ошибки и предложили структуру ДНК, схему которой до сих пор размещают во всех учебниках биологии. Огромное влияние на формирование революционной теории оказала прекрасного качества фотография, сделанная Розалинд Франклин в конце 1952 года.

Сейчас это знает любой старшеклассник, заглянувший в учебник биологии. Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов (азотистое основание + сахар + фосфат), соединенных «мостиками» между фосфатом предыдущего нуклеотида и сахаром следующего. При этом цепочки комплементарно (то есть взаимно дополняя друг друга) соединены между собой водородными связями – аденин связывается с тимином, а гуанин с цитозином. Таким образом, цепочки как бы зеркально отражают друг друга. Именно благодаря открытию принципа комплементарности ученым в дальнейшем удалось построить теорию о том, каким образом при делении клетки удваивается количество генетического материала. Действительно каждую из цепей ДНК можно «достроить» до полноценной молекулы единственным способом.

Ученые, открывшие структуру ДНК, продолжили изучать передачу генетической информации – как при появлении новой клетки, так и в процессе жизнедеятельности старой. В 1958 году Фрэнсису Крику удалось сформулировать основную догму молекулярной биологии. Ученый установил, что генетическая информация в клетке удваивается в процессе репликации ДНК: молекула «расплетается», и каждая цепочка комплементарно достраивается вновь. Затем с ДНК снимается «копия» в виде одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты (РНК) – этот процесс называется транскрипцией. Наконец, в ходе трансляции в рибосомах (специальные органеллы в клетке) по «инструкции», содержащейся в РНК, из аминокислот собираются белки.

Работы Фрэнсиса Крика, Джеймса Уотсона и Мориса Уилкинса «за открытие молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значимости для передачи информации в живом материале» были отмечены Нобелевской премией в 1962 году. К сожалению, Розалинд Франклин, чей вклад в исследования на их начальном этапе был огромным, скончалась в 1958 году, поэтому не была удостоена премии. Как мы уже писали, по правилам Нобелевская премия не присваивается посмертно.

Установление истинной структуры ДНК и роли этой молекулы в жизни клетки определило ход научной мысли на многие годы вперед. Именно благодаря этому открытию стали возможны клонирование, получение генно-модифицированных организмов, установление родственных связей при помощи анализа ДНК и многие другие практически значимые технологии. Пожалуй, самым интересным научный путь получился у Джеймса Уотсона, самого молодого из ученых, определивших структуру ДНК. В 1990 году, через несколько десятилетий после своего нобелевского открытия, Уотсон возглавил всемирный проект «Геном человека», призванный расшифровать последовательность человеческой ДНК. Более того, ученый стал первым Homo sapiens, чей генетический код был полностью расшифрован. Это произошло в 2007 году.

Однако и здесь все непросто. Доктор Уотсон не захотел узнавать в подробностях информацию о своем геноме. Ученый просил не сообщать ему, если при секвенировании выяснится, что он носитель гена под названием ApoE4 (иными словами, аполипопротеин Е; аполипопротеин – это белок, переносящий липиды, то есть жиры). Наличие ApoE4 повышает шансы развития болезни Альцгеймера на 30–50 %. Большинство носителей гена узнают об этом обстоятельстве уже после появления первых симптомов, которые вынуждают их пройти генетический тест. Поскольку на современном этапе развития медицины болезнь Альцгеймера нельзя предупредить и вылечить, Джеймса Уотсона можно понять: зачем лишний раз расстраиваться, если ничего нельзя изменить? Лучше уж просто ничего не знать о своей проблеме!

В 2015 году Джеймс Уотсон приехал в Россию, и этот визит стал значимым событием не только для отечественной научной общественности, но и для самого ученого. Дело в том, что в 2014 году Джеймс Уотсон продал нобелевскую медаль, а деньги пожертвовал на нужды своего университета. На аукционе награду выкупил российский бизнесмен Алишер Усманов, а во время посещения Уотсоном Российской академии наук вернул ее ученому. Уотсон был очень тронут этим щедрым жестом.

Развитие молекулярной биологии, вирусологии, генетики, биоинформатики и еще нескольких десятков дисциплин стало возможным и получило бурное развитие благодаря открытию, сделанному Франклин, Уилкинсом, Уотсоном и Криком в далеком 1953 году. На принципах, заложенных этими учеными, базируются около половины научных достижений, описанных в этой книге. Вероятно, принципы эти послужат основой еще для многих нобелевских открытий в будущем.