Нобеля по медицине вручили за изучение транспортного механизма клеток

Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года стали американцы Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и немец Томас Зюдхоф

(фото Allan Ramsay/vista.no, Prashant Nair и с сайта pnas.org).

Ротман выяснил, что белковый комплекс заставляет везикулы сливаться с целевой мембраной. Белки на везикуле соединяются со специфическими комплементарными им белками на поверхности мембраны. Груз попадает точно по месту назначения

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

Сопоставив процессы в нормальных и мутантных клетках дрожжей, Шекман определил гены, кодирующие белки, которые регулируют перемещение везикул между органоидами и к границам клеток

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

Каждая клетка человеческого тела имеет свою собственную очень сложную транспортную систему. Каждый органоид √ как город на карте, а мембрана клетки как граница страны. Производимые молекулы расфасовываются по везикулам

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

Специалисты Каролинского института в Стокгольме назвали имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года. Ими стали американцы Джеймс Ротман (James E. Rothman) из Йеля и Рэнди Шекман (Randy W. Schekman) из университета Калифорнии в Беркли, а также немец Томас Зюдхоф (Thomas C. Südhof), ныне работающий в Стэнфорде.

Самую престижную научную премию мира в области физиологии и медицины вручили за изучение механизма движения везикул (особых пузырьков) в клетках человека. Поясним.

Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине 2013 года стали американцы Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и немец Томас Зюдхоф (фото Allan Ramsay/vista.no, Prashant Nair и с сайта pnas.org).

Каждая клетка – это большая фабрика, которая производит свои собственные молекулы и потребляет молекулы, приходящие извне. По клетке молекулы передвигаются внутри пузырьков, которые биологи именуют везикулами. Ротман, Шекман и Зюдхоф выяснили, как ценный груз доставляется в нужное время, в нужное место клетки или за её пределы.

Как известно, каждая клетка человеческого тела выполняет какую-то функцию, например, производит гормоны (помогают регулировать работу организма) или же нейромедиаторы (участвуют в передаче импульсов между нервными клетками), или же цитокины (информационные молекулы, помогающие клеткам взаимодействовать), или же ферменты (способствуют превращению одних веществ в другие в ходе биохимических реакций).

Каждая клетка имеет в своём составе свои собственные "органы" – биологи называют их органоиды. Органоидам необходимо обмениваться производимыми молекулами, либо отправлять их в пространство вне клетки. Транспорт "груза" осуществляют те самые везикулы, которые определяют, куда и когда отправить то или иное соединение. Похожие на пузырьки, окружённые мембраной, они перевозят молекулы между органоидами клетки, либо, сливаясь с мембраной клетки, выпускают ценные вещества наружу.

Ротман выяснил, что белковый комплекс заставляет везикулы сливаться с целевой мембраной. Белки на везикуле соединяются со специфическими комплементарными им белками на поверхности мембраны. Груз попадает точно по месту назначения (иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

Таким вот нехитрым способом эта транспортная система помогает самым разным клеткам взаимодействовать друг с другом (все системы работают сообща), нейронам передавать сигналы от мозга и обратно (человек может двигаться и думать), обмену веществ правильно работать (организм растёт, живёт и размножается), ферментам способствовать правильному пищеварению (человек не умирает с голоду), иммунитету бороться с патогенами (человек не болеет или выздоравливает).

Рэнди Шекман, изучая нормальные и мутантные дрожжи в 70-х годах прошлого века, определил три группы генов, влияющие на движение везикул.

Ротман исследовал клетки млекопитающих в 80-х и 90-х годах XX века и рассказал научному сообществу, как работают белки, обеспечивающие "стыковку" везикул с мембранами органоидов или клеток и передачу ценного груза по месту назначения. Так как белки на поверхности везикул и мембраны-цели совпадают, как зубчики на застёжке-молнии, то молекулы не могут быть доставлены не в том место.
В то же время Зюдхоф выяснил, какие сигналы получают везикулы, чтобы доставить молекулы не просто по месту назначения, но и вовремя. Он исследовал обмен информацией между клетками мозга. Везикулы выпускают содержимое наружу клетки, только если одна клетка подаст сигнал другой. Как контролируется данный процесс? В 90-х годах прошлого века Зюдхоф начал искать на поверхности нейронов белки, чувствительные к ионам кальция (они участвуют в процессе), и определил молекулярный механизм, отвечающий за реакцию на приток ионов кальция. Белки в ответ на это "раздражение" быстро пристыковывают везикулы к мембране нейрона, содержимое выпускается наружу. Таким образом, учёный определил команды, подаваемые составляющим клетки, и объяснил, как процессы выполняются с такой высокой точностью.

Сопоставив процессы в нормальных и мутантных клетках дрожжей, Шекман определил гены, кодирующие белки, которые регулируют перемещение везикул между органоидами и к границам клеток (иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

Как видно из предложенного выше объяснения, трое лауреатов этого года рассказали человечеству о фундаментальных процессах, проходящих в клетках всех живых организмов. Любые нарушения изученных процессов приводят к серьёзным заболеваниям нервной и иммунной систем, диабету.

Члены Нобелевского комитета по физиологии и медицине ответили на вопросы журналистов, прибывших на церемонию объявления лауреатов. Выяснилось, что все трое учёных вначале работали независимо, но позднее Ротман и Шекман узнали о работах друг друга и стали сотрудничать. Совместно они определили, что генетическая природа транспорта везикул у дрожжей и млекопитающих похожа, а значит, имеет общие корни. Зюдхоф же проводил свои исследования полностью независимо.

Как всегда не обошлось без вопросов о применении данного открытия в медицине. Гёран Ханссон (Göran K. Hansson), руководитель Нобелевского комитета по физиологии и медицине, отметил, что открытия тройки исследователей важны для понимания физиологии клетки, а значит, важны для понимания работы клеток всего организма человека. Эти знания не привели к появлению нового лекарства или метода лечения, но сложно недооценить вклад учёных в развитие физиологии и, как следствие, медицины.

Каждая клетка человеческого тела имеет свою собственную очень сложную транспортную систему. Каждый органоид – как город на карте, а мембрана клетки как граница страны. Производимые молекулы расфасовываются по везикулам, которые развозят их как грузовики по дорогам (иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета).

К примеру, токсин ботулизма убивает детей очень быстро за счёт нарушения транспорта визикул в клетке. Бактерии, попадая в организм, начинают вырабатывать токсин, он воздействует на нервную систему человека и нарушает процессы передвижения пузырьков, что приводит к параличу различных мышц, а затем к смерти. Изучая нормальную работу клеток и работу клеток поражённого организма, можно понять, что же происходит с человеком, а затем попытаться найти противоядие.

Появились ли новые медикаменты благодаря открытиям, которые отметил Нобелевский комитет? Лекарства – нет, зато были созданы методы диагностики многих заболеваний. Например, мы знаем, что инсулин вырабатывается в поджелудочной железе. Потом ему надо попасть в кровь и достичь клеток тела, чтобы запустить в них глюкозу (основной источник энергии, необходимый для осуществления метаболических процессов). Открытия Ротмана, Шекмана и Зюдхофа помогают медикам диагностировать различные нарушения в процессах доставки глюкозы в клетки.

Напомним, что победителей в каждой номинации, согласно завещанию самого Альфреда Нобеля, выбирает Каролинский институт в Стокгольме (Karolinska Institutet) — один из ведущих образовательных и научных медицинских центров мира, основанный в 1810 году.

Нобелевские комитеты до последнего момента ничего не сообщают ни о самих претендентах на награду, ни о тех, кто их выдвинул, поэтому экспертам остается только гадать на этот счёт. В нынешнем году к числу фаворитов причисляли немку Ингеборге Хохмайр, австралийца Грэма Кларка и американца Блейка Уилсона. Их работы помогли создать кохлеарный имплантат, который возвратил слух более 200 тысячам людей на планете.

Также по теме:
Нобелевская премия вручена за превращение обычных клеток в стволовые
Нобелевская неделя 2011 года