Клетка привыкает к гипоксии

Потребность в кислороде для поддержания жизни стала очевидной с момента появления современной биологии, однако конкретные механизмы, лежащие в основе того, как клетки приспосабливаются к изменениям в снабжении кислородом, были неизвестны до исследований нынешних нобелевских лауреатов.

В ходе эволюции были разработаны механизмы, обеспечивающие достаточное снабжение кислородом тканей и клеток. Кислород необходим живому организму для окислительных реакций, которые приводят к превращению питательных веществ в АТФ. Почти во всех клетках животных способность быстро реагировать и приспосабливаться к изменениям, связанным с доступностью кислорода, имеет важное значение. И у клетки есть способы такой адаптации. В качестве примера можно привести колебания уровня кислорода в крови, которые наблюдаются у альпинистов на большой высоте. Низкий уровень кислорода фиксируется специализированными клетками наших почек, которые вырабатывают и выделяют гормон эритропоэтин (ЕРО). Этот гормон активирует синтез эритроцитов (эритропоэз) в костном мозге. Это приводит к повышению концентрации эритроцитов в крови, что, в свою очередь, помогает адаптироваться к уменьшению количества кислорода.

Способность клеток ощущать различные концентрации кислорода важна для всего организма. Активируемые кислородом сигнальные пути затрагивают по меньшей мере 300 генов, связанных с большим спектром регуляторных механизмов, и через них регулируют многие физиологические процессы, начиная с развития органов и метаболического гомеостаза до регенерации тканей и иммунитета, а также играют важную роль при многих заболеваниях, включая рак.

Ключевым физиологическим ответом на гипоксию является повышение уровня эритропоэтина, что приводит к увеличению продукции эритроцитов и повышению уровня гемоглобина. Грегг Семенца изучал ген EPO, в том числе влияние на его деятельность изменения количества кислорода. В исследованиях, проведенных в начале 1990-х, Семенца идентифицировал, а затем, в 1995 году, очистил и клонировал так называемый транскрипционный фактор, который регулирует ответ на изменение уровня кислорода в клетке. Семенца назвал его HIF (hypoxia-inducible factor — фактор, индуцируемый гипоксией) и показал, что он состоит из двух компонентов: одного нового и чувствительного к кислороду фрагмента, HIF-1α, и второго, ранее известного, но не связанного с регулированием кислорода — белка ARNT.

Сэр Питер Рэтклифф также изучил кислородозависимую регуляцию гена EPO, и обе исследовательские группы обнаружили, что механизм восприятия кислорода присутствует практически во всех тканях, а не только в клетках почек, где обычно вырабатывается EPO. Эти результаты свидетельствовали о том, что механизм — общий и функциональный во многих различных типах клеток. Но это было только началом пути. Нужно было выяснить, как именно HIF-1α связан с ЕРО и какие при этом происходят реакции в клетке.

Примерно в то же время, когда Семенца и Рэтклифф изучали регуляцию гена ЕРО, исследователь рака Уильям Келин-младший изучал довольно редкий наследственный синдром — болезнь фон Гиппеля — Линдау (болезнь VHL). Это генетическое заболевание приводит к значительному увеличению риска некоторых видов рака в семьях с наследственными мутациями гена VHL. Келин показал, что ген VHL в норме кодирует белок, который предотвращает возникновение рака. Когда же этот ген не работает, рак может развиться. Но в нашей истории важно другое открытие: в раковых клетках, где не работал ген VHL, экспрессировались аномально высокие уровни генов, регулируемых гипоксией. Прояснилась связь VHL и HIF-1α. Рэтклифф и Келин в начале 2000-х проследили цепочку, как и при каких условиях происходит регулирование уровня HIF-1α под влиянием VHL.

Механизм взаимодействий разъясняет молекулярный биолог, ведущий научный сотрудник биологического факультета МГУ Максим Скулачев. По его словам, в состоянии гипоксии фактор HIF-1α участвует в двух ответах: он дает сигнал ЕРО, как бы говоря, что нужно подкинуть кислорода, и второе — он предупреждает все клетки о том, что организм должен перейти в некое стрессоустойчивое состояние, чтобы пережить период гипоксии. В норме HIF-1α в организме мало, он очень нестабилен и быстро деградирует. Его деградации способствует белок VHL. Это необходимо для нормальной работы контроля состояния уровня кислорода в тканях. Иначе организм находился бы в постоянном стрессе по этому поводу. При этом деградация HIF-1α под действием VHL происходит в присутствии кислорода, который запускает процесс гидроксилирования HIF-1α. Если кислорода мало, то VHL не распознает HIF-1α и, соответственно, не запускает процесс деградации. При этом HIF-1α накапливается в цитоплазме клетки на некоторое время. Этого времени ему хватает на то, чтобы внедриться в ядро клетки и активировать ЕРО и другие гены, которые будут поддерживать стрессоустойчивость клетки на время гипоксии.

Открытия ученых не только позволили увидеть новые фундаментальные механизмы функционирования сложной живой системы, но и проложили путь к многообещающим новым стратегиям борьбы с некоторыми заболеваниями. Кислородное зондирование занимает центральное место в большом количестве заболеваний. К примеру, пациенты с хронической почечной недостаточностью часто страдают от тяжелой анемии из-за снижения уровня эритропоэтина. Гормон EPO вырабатывается клетками почки и необходим для контроля образования красных кровяных клеток. Кислородный механизм также играет важную роль в онкогенезе. В опухолях механизм, регулируемый кислородом, используется для стимуляции образования кровеносных сосудов и изменения метаболизма для эффективной пролиферации раковых клеток. Новое видение молекулярных процессов дает академическим лабораториям и фармацевтическим компаниям новые возможности для разработки инновационных препаратов, которые смогут воздействовать на различные состояния, активируя или блокируя чувствительный к кислороду механизм. Возможно, это позволит найти новые подходы к терапии анемии, рака и других заболеваний.