Нобелівська премія з фізіології та медицини - 2009 • Петро Петров • Новини науки на "Елементи" • Нобелівські премії, Медицина, Генетика

Нобелівська премія з фізіології та медицини – 2009

Лауреати Нобелівської премії з фізіології і медицині за 2009 рік (зліва направо): Елізабет Блекберн, Керол Грейдер і Джек Шостак. Фото з сайтів nihrecord.od.nih.gov, www.chronicle.pitt.edu, www.knaw.nl

Нобелівська премія з фізіології і медицині 2009 року присуджена Елізабет Блекберн, Керол Грейдер і Джеку Шостаку «за відкриття того, як теломери і фермент теломераза захищають хромосоми». Механізм захисту хромосом від укорочення при кожному діленні був вперше передбачений в 1971 році Олексієм Матвійовичем Оловніковим; згодом його теоретичні побудови були підтверджені на практиці експериментаторами, які і удостоїлися цієї Нобелівської премії. Теломери відіграють певну роль у вікових змінах клітин і всього організму і в розвитку злоякісних захворювань. Подальші дослідження їх динаміки і принципів роботи удлиняющего їх ферменту теломерази можуть допомогти знайти нові шляхи боротьби зі старінням і раком.

Премію з фізіології і медицині в цьому році знову, вже втретє поспіль, розділять троє вчених. вона присуджена «За відкриття того, як теломери і фермент теломераза захищають хромосоми» ( «For the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase»). Першовідкривачі теломерази і забезпечується цим ферментам механізму захисту хромосом від укорочення живуть і працюють в США.Це Елізабет Блекберн (Elizabeth H. Blackburn) з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско (University of California, San-Francisco), Керол Грейдер (Carol W. Greider) зі Школи медицини Університету Джонса Хопкінса (Johns Hopkins University) і Джек Шостак (Jack W. Szostak) з Гарвардської школи медицини (Harvard Medical School).

Елізабет Блекберн народилася в 1948 році в Австралії – в Хобарті, столиці Тасманії, – в сім'ї лікарів. Коли вона була школяркою, її сім'я переїхала в Мельбурн, де Блекберн вчилася в Мельбурнському університеті в коледжі і в магістратурі. Потім вона вступила до аспірантури в Кембридж і отримала там ступінь доктора філософії. Згодом Блекберн два роки працювала в Єльському університеті, після чого (в 1978 році) перейшла в Каліфорнійський університет в Берклі, де і були зроблені її найважливіші відкриття, пов'язані з теломеразой. У 1990-му вона перейшла в іншу філію того ж величезного університету – Каліфорнійський університет в Сан-Франциско, де працює і донині. Крім того, вона є співробітницею Інституту Солка (Salk Institute) в Сан-Дієго, а з 2002-го по 2004 рік працювала в складі Президентської ради з біоетики. Її виключення з цієї ради пов'язують з її позицією з питання досліджень ембріональних стовбурових клітин, яка була невгодна адміністрації Джорджа Буша-молодшого, який наклав вето на федеральне фінансування цих найважливіших досліджень.У квітні нинішнього року Блекберн була обрана президентом Американської асоціації онкологічних досліджень (American Association for Cancer Research) і в наступному році повинна очолити цю асоціацію.

Керол Грейдер народилася в 1961 році в Сан-Дієго (штат Каліфорнія). У 1983 році вона отримала ступінь бакалавра в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі, після чого перейшла в Каліфорнійський університет в Берклі, де її науковим керівником стала Елізабет Блекберн. Вже в 1985 році в журналі Cell була опублікована стаття Грейдер і Блекберн, що повідомляли про відкриття теломерази. Після отримання докторського ступеня в 1987 році, Грейдер стала співробітницею Лабораторії в Колд-Спрінг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory), а в 1997 році перейшла в Університет Джонса Хопкінса, де і до цього дня працює професором. Лабораторія, очолювана Керол Грейдер, продовжує дослідження теломер і теломерази.

Джек Шостак народився в Лондоні в 1952 році. Незабаром його батьки переїхали в Монреаль, де він навчався в коледжі Університету Макгілла і в 1972 році став бакалавром. Докторську ступінь він отримав в 1977 році в Корнеллі, де залишався ще два роки, після чого перейшов до Гарвардської школи медицини, де працює і сьогодні, професором відділення генетики.Крім Гарварду, Шостак є співробітником ще двох установ – Массачусетської неспеціалізованій лікарні (Massachussets General Hospital) і Медичного інституту Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Крім відкриття теломерази, Шостак першим синтезував штучні хромосоми дріжджів. Створення таких штучних хромосом знайшло широке застосування в картуванні генів тварин, в тому числі людини, і в розвитку технологій генної інженерії. В даний час Гарвардська лабораторія Шостака займається перш за все питаннями, пов'язаними з походженням життя, і працює над штучним синтезом живих клітин.

Теломери – кінцеві ділянки хромосом, що складаються з повторюваних послідовностей нуклеотидів, – були відкриті в п'ятдесяті роки XX століття. Теломери можна побачити навіть у світловий мікроскоп: готуються до поділу або діляться клітини можна забарвити таким чином, щоб теломери відрізнялися за кольором від центральних частин кожної хромосоми. Теломери є тільки у еукаріот (організмів, в клітинах яких є ядро), а у бактерій і архей хромосоми замкнуті в кільце і теломер не мають. Ці кінцеві ділянки хромосом не містять генів: записана на теломерах інформацію не зчитується на матричні РНК і нічого не кодує.Власне, інформації в теломерах міститься досить мало, адже вони складаються з повторюваних однакових послідовностей декількох нуклеотидів. Ці послідовності досить одноманітні. Зокрема, у всіх хребетних, а також у багатьох грибів і протистов це завжди ЦЦЦТАА, а у вищих рослин – мабуть, завжди ЦЦЦТААА.

Олексій Матвійович Оловников, співробітник Інституту біохімічної фізики РАН, в 1971 році сформулював теоретичну концепцію, яка передбачала існування ферменту, відкритого на початку вісімдесятих років Керол Грейдер і Елізабет Блекберн і вони назвали теломеразой. Дослідження цього ферменту, проведені в лабораторіях Блекберн і Шостака, підтвердили справедливість ряду теоретичних висновків Оловнікова. Фото з сайту moikompas.ru

Спочатку функції теломер були невідомі, що не була відома і послідовність входять до їх складу нуклеотидів. В кінці п'ятдесятих років був відкритий фермент ДНК-полімераза, що забезпечує подвоєння молекул ДНК. Щоб почати працювати, цей фермент повинен приєднатися до синтезується іншим ферментом праймеру – короткому сидить на ланцюжку ДНК фрагменту РНК, який згодом видаляється.При цьому ДНК-полімераза може рухатися по ланцюжку ДНК тільки в одному напрямку – від 5'-кінця до 3'-кінця. В результаті ДНК-полімераза не може повністю скопіювати всю молекулу ДНК: на одному з кінців, до якого вона прикріплюється, повинен залишатися нескопірованний фрагмент. На це вперше звернули увагу, незалежно один від одного, Олексій Матвійович Оловников (Оловников А.М. 1971. Принцип маргінотоміі в матричному синтезі полінуклеотидів // Доповіді АН СРСР. Т. 201. С. 1496-1499; Olovnikov A.M. 1973. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon // Journal of Theoretical Biology. V. 41. P. 181-190) і Джеймс Уотсон (Watson J.D. 1972. Origin of concatemeric T7 DNA // Nature New Biology. V. 239. P. 197-201). Виходило, що хромосоми повинні зменшуватися при кожному діленні клітини за рахунок некопіруемих кінцевих ділянок. Уотсон припустив, як ця проблема повинна вирішуватися у бактеріофагів, ДНК яких теж не замкнута в кільце, а Оловников описав, як вона може вирішуватися у еукаріот, і висунув гіпотезу про існування ферменту, здатного додавати до кінця хромосоми повторювані послідовності. Він також припустив, що регуляція роботи цього ферменту може грати ключову роль в старінні організму (за рахунок поступового укорочення кінцевих ділянок хромосом у клітин,які повинні розділитися лише обмежене число раз) і що неполадки в механізмі такої регуляції можуть бути причиною безконтрольного ділення клітин злоякісних пухлин.

Незабаром в теломерах деяких організмів були дійсно відкриті повторювані послідовності. Досліди, проведені в лабораторії Джека Шостака в Гарвардській школі медицини, показали, що чужорідні фрагменти ДНК, впроваджені в клітини дріжджів, здатні подвоюватися, але, на відміну від власної ДНК дріжджів, існують в клітинах, що діляться недовго. Елізабет Блекберн, будучи аспіранткою в Кембриджі, освоїла розроблені на той момент методики секвенування ДНК (читання послідовності нуклеотидів) і згодом в Єлі встановила, яка саме послідовність повторюється на кінцях хромосом у інфузорії Tetrahymena thermophila (ЦЦЦЦАА). Зустрівшись на конференції в 1980 році, Шостак і Блекберн задумали спільний експеримент, результати якого вказували на те, що саме теломери захищають власні хромосоми дріжджів від деградації при неодноразовому діленні клітин. Дослідники приєднали фрагменти з повторюваної послідовністю нуклеотидів, виявленої у інфузорії,до невеликих чужорідним фрагментами ДНК і впровадили отримані молекули в дріжджові клітини. Такі молекули успішно подвоювалися в дріжджових клітинах, поряд з власними хромосомами дріжджів, причому на їх кінцях в результаті виявлялася актуальна послідовність нуклеотидів, властива власним теломерам дріжджів. Публікація цих результатів в журналі Cell була першою роботою, експериментально показала захисну роль теломер.

Кінцева ділянка хромосоми – теломери (telomere). Кожна хромосома (chromosome), що міститься в ядрі (nucleus) клітини (cell), перед поділом клітини представлена ​​двома однаковими половинками – хроматидами, в основі кожної з яких лежить одна дуже довга, але компактно згорнута молекула ДНК, на кожному кінці якої розташовані ділянки з повторюванихпослідовностей. Ці кінцеві ділянки і є теломери. При підготовці до поділу, коли хроматиди подвоюються, кінці кожної хромосоми завжди коротшали б (механізм подвоєння ДНК не дозволяє їх копіювати), якби фермент теломераза не нарощувати на кінцях нові повторювані послідовності. Ілюстрація з сайту журналу Nature (Www.nature.com)

Шостак і Блекберн, слідом за Оловніковим, припустили, що нарощування теломер забезпечується певним ферментом. Почалися пошуки цього ферменту. У 1984 році його вперше змогла виділити Керол Грейдер, колишня тоді ще студенткою і працювала під керівництвом Елізабет Блекберн. У статті, також опублікованій в Cell, Грейдер і Блекберн вперше описали властивості відкритого ними ферменту і назвали його теломеразой. Вивчаючи цей фермент, вони виявили входить до його складу фрагмент РНК, на матриці якого і синтезуються повторювані послідовності нуклеотидів, що додаються теломеразой до кінцевих ділянок хромосом. Це відкриття було описано в статті, опублікованій в Nature.

Схема роботи ферменту теломерази (telomerase). Фермент нарощує кінцеві ділянки хромосом, додаючи до них однакові послідовності нуклеотидів. Цей процес включає дві чергуються стадії: (A) елонгація, тобто подовження, і (B) транслокация, тобто переміщення. Під час елонгації кінцева ділянка ланцюжки ДНК пов'язаний з РНК-матрицею (RNA template), що входить до складу ферменту, і подовжується за рахунок приєднуваних до нього нуклеотидів, комплементарних вільному ділянці матриці.Під час транслокації молекула ДНК зсувається на кілька нуклеотидів, знову звільняючи ділянку РНК-матриці, і цикл повторюється. При цьому нарощується тільки один ланцюжок ДНК, але комплекс інших ферментів, основу якого складає ДНК-полімераза, добудовує бпроБільшу частину другого ланцюжка. Одноланцюговим залишається тільки невеликий "хвіст" в самому кінці. Якби не теломераза, такі хвости скорочували б довжину двухцепочечной ДНК при кожному її подвоєнні, і будь-яка хромосома вкорочувалася б при кожному діленні клітини. Малюнок з сайту barleyworld.org

Подальші дослідження, проведені в лабораторіях Блекберн і Шостака, показали, що позбавлені теломерази клітини рано чи пізно припиняють ділитися і вмирають. Багато типів ракових клітин, навпаки, мають підвищену активність теломерази, що сприяє їх безконтрольного поділу і утворення злоякісних пухлин. Як і припускав Оловников, теломери виявилися важливим інструментом регуляції як старіння, так і виникнення раку. В даний час вже розроблені і проходять випробування лікарські препарати, які, можливо, дозволять боротися з рядом форм раку за рахунок придушення активності теломерази в ракових клітинах.

З роботою теломерази пов'язано також розвиток вродженого дискератоза (dyskeratosis congenita) – рідкісного спадкового захворювання, яке викликає передчасне старіння шкіри. Симптоми цієї хвороби пов'язані з порушеннями в регуляції довжини теломер. Природжений дискератоз поки не вміють лікувати, але подальші дослідження можуть дозволити знайти способи зупиняти його розвиток.

Хоча загальний принцип роботи теломерази вже ясний, ще належить з'ясувати багато важливих подробиць, зокрема механізми регуляції, що не дозволяють теломерам необмежено розростатися і визначають їх скорочення у старіючих клітин. Що стосується ролі теломер в старінні, тут теж, як і раніше багато чого залишається незрозумілим, хоча скорочення їх довжини дійсно характерно для старіючих еукаріотів.

Згідно із заповітом Альфреда Нобеля, кожну премію можуть розділити не більше трьох вчених. Шкода, що в число отримали цю премію не ввійшов Оловников, який передбачив зазначене нею відкриття. Разом з тим, Блекберн, Грейдер і Шостак, які присвятили багато років успішним експериментальним дослідженням теломер і теломерази, безсумнівно, гідні цієї нагороди.

В цьому році одну Нобелівську премію вперше в історії розділили дві жінки. Серед тих, хто досліджує теломери сьогодні, жінок надзвичайно багато. Можливо, що це не випадково: приклад Елізабет Блекберн і Керол Грейдер, які відкрили теломерази і які з'ясували структуру цього ферменту, надихає інших жінок продовжувати дослідження в цій області.

Основні джерела:
1) Alison Abbot. Chromosome protection scoops Nobel // Nature News. Published online 7 October 2009.
2) Gretchen Vogel. Three Americans win Physiology or Medicine Nobel // ScienceNOW Daily News. Published online 5 October 2009.
3) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009 (повідомлення на сайті Нобелівського комітету).

Cм. також:
1) Знайдено засіб проти нескінченного розподілу ракових клітин, «Елементи», 08.04.2005.
2) Нобелівська премія з фізіології та медицини – 2008, «Елементи», 09.10.2008.

Петро Петров


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: