Нобелівська премія з хімії - 2012 • Віра Башмакова, Олексій Паєвський • Новини науки на "Елементи" • Нобелівські премії, Кристаллография, Хімія, Молекулярна біологія

Нобелівська премія з хімії – 2012

Лауреати Нобелівської премії з хімії 2012 Роберт Лефковіц (Robert Joseph Lefkowitz) і Браян Кобилка (Brian Kobilka). Фото з сайтів dukecheck.com і www.zimbio.com

У середу, 10 жовтня, Нобелівський комітет оголосив лауреатів Нобелівської премії з хімії. Ними стали американці Роберт Лефковіц (Robert Joseph Lefkowitz) і Браян Кобилка (Brian Kobilka) – за роботи з дослідження рецепторів, сполучених з G-білком (або семіспіральних рецепторів). Непосвяченому людині може здатися, що премію дали за якусь дуже вузьку область досліджень, але завдяки цим унікальним молекулам, сім'ю білковими спіралями пронизливими клітинну мембрану, ми можемо відчувати, реагувати на зовнішні подразники і багато іншого.

Нобелівська премія з хімії у 2012 році присуджується в 104-й раз. Не було лауреатів в цій номінації в 1916-му, 1917-му, 1919-му, 1924-му, 1933-му, 1940-1942 роках. Лефковіц і Кобілка стали 161-м і 162-м нобелівськими лауреатами в цій номінації. Фредерік Сенгер – єдиний поки в історії людина, яка отримала премію з хімії двічі (1958 і 1980).

З 104 премій по хімії 63 дісталися одному лауреату, 23 були поділені між двома лауреатами, 18 – між трьома.

Середній вік лауреатів з хімії – 57 років, наймолодшим був Фредерік Жоліо, який отримав нагороду в 35 років (1935), найстаршим – Джон Фенн: на момент прийняття рішення нобелівським комітетом йому було 85 років (премія 2002 года).Серед лауреатів – чотири жінки, причому дві з них – мати і дочка. Це Марія Склодовська-Кюрі (премія з хімії 1911 роки; а також премія з фізики за 1903 рік) та Ірен Жоліо-Кюрі (премія 1935 роки), дружина наймолодшого лауреата з хімії. Дві інших – Дороті Кроуфут Годжкін (1964) і Ада Йонат (2009).

Крім уже згаданих Фредеріка Сенгера і Марії Кюрі серед Нобеліати з хімії є ще один "двічі лауреат" – Лайнус Полінг, крім премії з хімії за 1954 рік отримав ще й нобелівську премію миру в 1962 році.

Вибір цього року підтвердив дві тенденції, пов'язані з Нобелівською премією з хімії. По-перше, як зазвичай, ті, кого експерти і букмекери називали найбільш ймовірними кандидатами на премію, її не отримали. ( "Хімічного нобеля" пророкували Луїсу Брюсу – за квантові точки, Акіра Фудзісіма – за відкриття нових властивостей діоксиду титану, Масатаке Харута та Грему Хатчінгс – за каталітичні cвойства наночастинок золота.) І по-друге, в черговий раз замість премії з хімії можна було б рівно з тим же успіхом дати премію з фізіології і медицині. Про це говорить і спеціалізація обох лауреатів: Роберт Лефковіц має диплом кардіолога, а Браян Кобилка – випускник медичного факультету Єля.До того ж за відкриття і вивчення самих G-білків Нобелівська премія була присуджена саме з фізіології або медицини (її отримали в 1994 році Альфред Гілман і Мартін Родбелл).

Роберт Лефковіц (Robert Lefkowitz) народився в 1943 році в Нью-Йорку в родині єврейських емігрантів з Польщі. У 1962 році отримав ступінь бакалавра мистецтв в Колумбійському коледжі при Колумбійському університеті Нью-Йорка, а в 1966 році в Коледжі загальної терапії та хірургії при тому ж університеті отримав ступінь доктора медицини (MD). C 1968 го по 1970 рік працював в системі Національних інститутів здоров'я, потім прийшов до Головного госпіталь Массачусетсу в Бостоні (MGH). C 1973 року – в Університеті Дьюка, паралельно в 1973-1976 році займав позицію дослідника в американській кардіологічної асоціації (American Heart Association), з 1976 року – дослідник в Медичному інституті Говарда Хьюза. Нинішня лабораторія Лефковіц (Lefkowitz Lab) "базується" в Університеті Дьюка. У 2007 році удостоєний Національної медалі науки (National Medal of Science), що вручається указом президента США. У тому ж році удостоєний "азіатського нобеля" – премії Шоу (Shaw Prize).

Браян Кобилка (Brian Kobilka) народився в 1955 році в штаті Міннесота в сім'ї з німецько-польським корінням. Отримав ступінь бакалавра з біології та хімії в Міннесотського університету, потім ступінь доктора медицини (MD) на медичному факультеті Єльського університету.Пройшов інтернатуру в Вашингтонському університеті і почав працювати постдоком до Лефковіц. З 1987-го по 2003 рік – дослідник в Медичному інституті Говарда Хьюза. Нинішня лабораторія Кобілкі (Kobilka Lab) – в Стенфордському університеті. У 2007 році журнал Science назвав його дослідження структури cерпентінов одним з проривів року.

Дослідження Лефковіц почалися в 1968 році, коли він прийшов на позицію дослідника в системі Національних інститутів здоров'я (NIH). Його робота була пов'язана з вивченням рецептора до адренокортикотропного гормону (АКТГ).

Науковий керівник Лефковіц збирався використовувати в експериментах радіоактивно мічені ліганди (молекули, на які реагує рецептор): світиться молекула, "прилипнув" до рецептора, повинна була вказати на його положення.

Це був прекрасний план; але реалізувати його Лефковіц ніяк не вдавалося. Зараз ми розуміємо, як це важко: рецепторів мало, і вони не "вкопані" в мембрану, а плавають по ній туди-сюди. Через два роки безплідних експериментів з адренокортикотропним гормоном і рецептором до нього Лефковіц все ж вдалося домогтися деяких успіхів, хоча і не зовсім тих, на які він розраховував: він розробив методику дуже точного обчислення концентрації вихідного гормону в плазмі за допомогою радіогормона.(Lefkowitz RJ, Roth J, Pastan I, 1970. Radioreceptor assay for adrenocorticotropic hormone: new approach to assay of polypeptide hormones in plasma).

Після цього Лефковіц запросили працювати в Університет Дьюка. Він набрав собі команду і переключив свою увагу з АКТГ на адреналін і його рецептори. На цій ниві він і зробив свої головні відкриття.

Треба відзначити, що до того моменту про рецепторах було відомо вже досить багато. Наприклад, в 1960-х роках було виявлено, що дія адреналіну на клітини опосередковується особливим типом білків – G-білками (вони названі так тому, що здатні гідролізувати гуанозинтрифосфат – GTP).

Іншими словами, рецептор якимось чином зв'язується з адреналіном, що якимось чином впливає на G-білок, який якимось чином викликає в клітці ті чи інші каскади реакцій. Ключове питання тут – яким же чином все це відбувається, і ось на цей-то питання відповіді не було. У науковому світі ходили найрізноманітніші теорії для пояснення роботи рецепторів, аж до самих диких: наприклад, що ніякого рецептора немає і що сам адреналін примудряється якось проникнути всередину клітини і змінити її метаболізм.

І ось Лефковіц і його команда приступили до дослідження адреналінових рецепторів. На озброєнні у них була нова,розроблена Лефковіц методика точного обчислення концентрації гормону, а в даній області досліджень знання точної концентрації – це вже половина справи. Довгі роки вчені капали на клітини або клітинні екстракти адреналіном або його аналогами; копітко вимірювали співвідношення концентрацій різних речовин; підраховували термодинамічні константи; досліджували взаємодію білків. (За цей час було показано, що адреналінових рецепторів існує два типи, α і β, і що – більш того – кожен з цих типів складається з декількох підтипів; команда Лефковіц працювала переважно з β-адренорецепторами). І ось, через десятиліття одноманітних експериментів, в 1980 році, дослідникам нарешті вдалося розробити узгоджується з усіма отриманими даними теорію функціонування рецепторів, сполучених з G-білками. Теорія ця (в сучасному розумінні) така.

У мембрані клітини плаває адренорецептор. З внутрішньої сторони мембрани до нього слабо приєднаний (або не приєднаний зовсім) G-білок, що складається з трьох субодиниць – α, β і γ – і зчеплений з молекулою гуанозиндифосфат (GDP).Поки на рецептор зовні не сіла молекула адреналіну, він веде себе абсолютно мирно і необразливо.

Але варто рецептора зустрітися з адреналіном, як в ньому починаються складні конформаційні перебудови, що викликають спочатку міцне приєднання G-білка, а потім його активацію і відділення. Активація G-білка полягає в тому, що в ньому від такого потрясіння молекула гуанозиндифосфат (GDP) замінюється на молекулу гуанозінтріфосфата (GTP) і він розпадається на дві частини – α-субодиниця, поєднана з GTP, пливе в одну сторону, а зчеплені разом β і γ – в іншу. Можна сказати, що, з'єднавшись з лігандом, молекула рецептора спочатку притягує до себе G-білок, а потім штовхає його куди подалі так, що цей білок розвалюється на шматочки.

Дві отримані частини білка, зустрівшись з певними молекулами (таких молекул безліч видів, і вони називаються вторинними посередниками), викликають їх активацію (або, навпаки, деактивацію, залежить від типу посередника), що, в свою чергу, призводить до тих чи інших каскадах реакцій, які відповідним чином змінюють метаболізм і взагалі долю клітини. Переважно в ці ігри грає α-субодиниця, але і для βγ-димера певна активність теж відображено.Таким чином, приєднання однієї маленької молекули до одному маленькому рецептора може викликати гігантські клітинні перебудови.

Причому, зверніть увагу, наскільки ця система гнучка: в залежності від того, який вторинний посередник попадеться під гарячу руку (або що там у неї?) Відповідної частини білка, каскади в клітці можуть бути абсолютно різними.

Так, але що ж відбувається далі з субодиницями G-білка? Вони поступово "оговтуються". α-субодиниця рано чи пізно гидролизует GTP до GDP; це "вимикає" її активність, і вона "мириться" з βγ-димером і возз'єднується з ним. Після цього цілий, неактивний, пов'язаний з GDP G-білок підпливає до якого-небудь рецептора, до якого відчуває достатню афінність, і з'єднується з ним. Як правило, цей рецептор вже активований лигандом (до нього аффинность у G-білка найвища), і вся історія повторюється заново.

Це була грандіозна теорія. Хоча вона пояснювала тільки роботу адреналінового рецептора, це було чимало. Але це була тільки половина нинішнього нобелівського відкриття. Друга половина була ще попереду.

Мал. 1. Схема теорії трійчастого комплексу. Зображення з сайту www.nobelprize.org

Приблизно в той час, коли Лефковіц висунув цю теорію (вона була названа "теорією трійчастого комплексу"), в його лабораторію прийшов молодий постдок на ім'я Браян Кобилка. Лефковіц якраз поставив перед своїми співробітниками амбітне завдання знайти ген, який кодує адренорецептор, для того щоб отримати цей білок у великих кількостях, розібратися як слід в його структурі і зрозуміти, яким чином він зв'язується з лігандом, за рахунок чого "штовхає" G-білок і взагалі – чому плаває в мембрані.

Завдання це була не просто амбітна – на той момент розвитку науки розв'язати цю проблему було практично неможливо. Знайти один-єдиний ген в цілому величезному геномі було складніше, ніж відшукати голку в стозі сіна. Якби за це завдання взявся не Браян Кобилка, а хтось інший, то вона, можливо, так і не була б вирішена.

Але Кобілка відрізнявся незвичайним упертістю, терпінням і винахідливістю – у читача ще буде можливість в цьому переконатися. Він (разом з іншими співробітниками з лабораторії Лефковіц) навчився виділяти цей рецептор в великих кількостях, по частинах розшифрував його амінокислотну послідовність і вже на основі цієї послідовності по шматочках зібрав цілий ген і зміг його клонувати.Тепер у вчених була нуклеотидних послідовність гена β-адренорецептори, і до того ж вони могли шляхом клонування отримувати цей білок в необмежених кількостях.

І виявилося, що білок цей має сім трансмембранних доменів.

Сім доменів! Сім! – саме стільки, скільки було у зовсім іншого, абсолютно несхожі з β-адренорецепторів ні за якими статтями, що реагує на світло рецептора родопсину. Це могло означати приголомшливу річ. Це могло означати, що механізм роботи цих двох рецепторів однаковий і описується моделлю трійчастого комплексу.

Мал. 2. Зображення β-адренорецептори в момент зв'язування з лігандом і G-білком. З сайту www.nobelprize.org

Складно навіть описати, що означав для науки цей прорив. Дуже швидко стало зрозуміло, що за принципом трійчастого комплексу працюють не тільки β-адренорецептор і родопсин, а й бпроБільша частина інших відомих на той час рецепторів. (Зараз таких рецепторів відомо близько тисячі, вони опосередковують спілкування між клітинами; також завдяки їм ми бачимо, чуємо, нюхати, відчуваємо і відчуваємо смак.) Відразу ставала зрозумілою надзвичайна гнучкість клітин при їх реакціях на зміни навколишнього середовища: адже один і той же рецептор , з'єднаний з одним і тим же лигандом,може викликати в клітці абсолютно різні реакції в залежності від того, які саме субодиниці G-білків плавають в цитоплазмі (існує безліч варіацій цих субодиниць), який там присутній набір вторинних посередників, і так далі. Відразу відкривалися величезні перспективи впливу на ці рецептори в дослідних і медичних цілях (досить сказати, що майже половина вироблених в даний час ліків так чи інакше впливає на ці рецептори). І відразу хотілося вивчати ці рецептори далі.

І ось тут величезного успіху знову домігся Браян Кобилка. Він покинув лабораторію Лефковіц і перейшов працювати в Стенфордський університет. І там, протягом більш ніж двадцяти років він намагався отримати крісталлограмму β-адренорецептори в той момент, коли він зв'язується з лігандом. Для всіх, крім Кобілкі, це завдання було б нездійсненним. Справа в тому, що техніка отримання крісталлограмм добре відпрацьована тільки для водорозчинних білків. β-адренорецептор ж є жиророзчинних – він же повинен плавати в фосфоліпідної мембрані. Кобілка використовував зовсім карколомні техніки і нарешті в минулому році досяг мети: зображення працюючого β-адренорецептори було отримано.


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: :???: :?: :!: