Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu 2019 za dešifrovanie mechanizmov, pomocou ktorých bunky

William Kaelin, Jr., Sir Peter J. Ratcliffe a Gregg L. Semeno sú nositeľmi tohtoročnej Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu za objasnenie jedného z najdôležitejších fyziologických mechanizmov tela - „ako bunky detekujú a reagujú na dostupnú hladinu kyslíka“.

Laureáti Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu 2019

Nobelove ceny sa udeľujú od roku 1901 tým osobnostiam, ktoré prinášajú najdôležitejšie objavy v prospech ľudstva.

Schopnosť buniek detegovať zmeny v kyslíku a následne meniť génovú expresiu je nevyhnutná pre prežitie. Traja laureáti identifikovali základné molekulárne dráhy, ktoré slúžia ako kontrolné tlačidlo na spustenie alebo zastavenie týchto mechanizmov. Výskum prispieva k pochopeniu niektorých patológií ako je anémia, rakovina alebo kardiovaskulárne choroby, všetko spojené so zmenami v dodávke kyslíka na bunkovej úrovni.

Thomas Perlmann, tajomník Nobelovho výboru, vyhlasuje laureátov Ceny za fyziológiu a medicínu

Ako bunky reagujú na zmeny kyslíka

Kyslík prispieva k premene živín na energiu pre bunky. Ak je prísun kyslíka nedostatočný, objavia sa adaptačné mechanizmy, pomocou ktorých je možné hladinu kyslíka zvýšiť. Jedným z takýchto mechanizmov je uvoľňovanie hormónu erytropoetín (EPO), ktorý stimuluje produkciu červených krviniek (buniek prenášajúcich kyslík v krvi).

Hladiny kyslíka sa môžu líšiť vo fyziologických aj patologických situáciách.

Počas intenzívneho fyzického cvičenia klesá kyslík v kostrovom svalstve. Znížený obsah kyslíka však môže byť tiež patologickou reakciou, ako je rakovina alebo infekcie.

Distribuovaný kyslík v tkanive má časové a priestorové oscilácie. Telo musí reagovať lokálne, aby vyrovnalo zmeny v okysličovaní remodelácia tkaniva ako je to napríklad v prípade regenerácie cievneho riečiska po úraze, ako aj na systémovej úrovni - zvýšiť ventiláciu počas cvičenia alebo vystavenia vysokej nadmorskej výške.

To, ako gény reagujú na výkyvy kyslíka v tkanivách, sa premieta do vplyvu na procesy, ako sú napr angiogenéza, zápal, imunita alebo vývoj plodu.

Do 1882 účinky sa pozorovali hypoxia (znížený prísun kyslíka do tkaniva), keď Paul Bert preukázal, že expozícia vo vysokých nadmorských výškach spôsobuje zvýšenie erytrocytov (polycytémia). O storočie neskôr sa identifikuje aj molekulárny základ, hypoxia spôsobuje zvýšenie expresie hormónu erytropoetín v obličkách.

V roku 1931 Otto Warbug získava Nobelovu cenu za identifikáciu enzymatických mechanizmov podieľajúcich sa na bunkovom dýchaní a jeho vedeckej činnosti Corneille Heymans získava Nobelovu cenu z roku 1938 za výskum toho, ako nervový systém riadi dychové frekvencie prostredníctvom receptorov karotického sínusu.

Pred 75 rokmi bola udelená Nobelova cena za dešifrovanie mechanizmov podieľajúcich sa na bunkovom dýchaní. V dobe „omických“ vied sa dešifrovali mechanizmy na úrovni génovej expresie.

HIF1 - objav molekulárneho ovládacieho tlačidla, ktoré vytvárazvyšuje alebo znižuje génovú expresiu v reakcii na hladinu kyslíka

Greg Semenza študoval Gén EPO a ako je regulovaný podľa prítomnosti kyslíka. Semenza aj Ratcliffe zistili, že citlivosť na kyslík sa vyskytuje vo všetkých tkanivách, nielen v obličkách, kde sa hormón produkuje. Semenza pokračovala vo výskume bunkových zložiek zapojených do tejto reakcie.

Gregg Semenza je profesorom na Lekárskej univerzite Jophna Hopkinsa a vedeckým pracovníkom na Ústave pre bunkové inžinierstvo

V 90. rokoch identifikoval faktor, ktorý reguluje kyslíkové závislé bunkové reakcie. Faktor bol izolovaný v roku 1995 a pomenovaný HIF (Hypoxia Inducible Factor). HIF riadi niekoľko génov podieľajúcich sa na delení buniek, tvorbe nových krvných ciev a produkcii erytrocytov. HIF sa skladá z dvoch špeciálnych molekúl viažucich DNA - nazývaných transkripčné faktory. HIF-1α a ARNT (transkripcia je prvým krokom v génovej expresii, keď sa informácie kopírujú z DNA do RNA).

Keď je zvýšené množstvo kyslíka, bunky vykazujú zlú expresiu HIF-la. Funkcia HIF je veľmi dôležitá najmä v prípade hypoxia (znížená hladina kyslíka). Keď dôjde k hypoxii, HIF-1α sa zvyšuje, takže sa produkuje vyššie množstvo erytropoetínu.

HIF-1 sa rýchlo degraduje normálne. Ak má kyslík normálnu koncentráciu, degraduje sa HIF-1α proteazóm (bunková zložka zodpovedná za odbúravanie bielkovín, ďalší objav, za ktorý bola v roku 2004 udelená Nobelova cena za chémiu). V prípade hypoxie je HIF-1 chránený pred degradáciou. Aby došlo k degradácii, musí byť HIF-1α značený inou kľúčovou molekulou, ubikvitín.

Zatiaľ čo Semenza a Ratcliff hľadali mechanizmus, ktorým sa ubikvitín viaže na HIF-1α, k obrazu prispieva výskum William Kaelin.

William Kaelin je profesorom na Harvardovej univerzite a vedeckým pracovníkom v Dana-Farbetovom rakovinovom centre, ktorého oblasťami záujmu je štúdium úlohy mutácií v supresorových génoch podieľajúcich sa na karcinogenéze.

„Ako výskumný pracovník som si bol vedomý, že ak mi o 5 ráno zavolá viacmiestne rameno, je možné prijímať dobré správy a potom mi začalo silnejšie biť srdce. Bolo to neskutočné. ““ - profesor Kaelin

Prof. Kaelin začal študovať dedičné genetické ochorenie, von Hippel-Lindauovu chorobu (VHL), ktoré zvyšuje neoplastické riziko u ľudí s mutáciami v géne VHL. Kaelin identifikuje gén von Hippel-Lindau (VHL) kódujúci proteín s úlohou supresora nádoru (ktorý zabraňuje nekontrolovanému deleniu a rastu buniek).

Proteín VHL je súčasťou komplexu, ktorý označuje proteíny ubikvitín a premení ich na ciele degradácie na proteazóm. Kaelin čím identifikuje chýbajúci kúsok skladačky. VHL interaguje s HIF-1α a je potrebná na svoju degradáciu, keď sú hladiny kyslíka normálne.

HIF a VHL proteíny - zásadná úloha v reakcii buniek na kolísanie kyslíka v tele. Zdroj fotografií - Simon Caulton

V prípade hypoxia, HIF-1a sa nerozkladá, ale hromadí sa v jadre, kde sa spája s RNA a viaže sa na špecifické sekvencie DNA v génoch kódujúcich rôzne proteíny rastového faktora, ako je VEGF, ktorý stimuluje tvorbu nových krvných ciev, byť adaptívnou odpoveďou.
Keď úroveň kyslík je normálny, HIF sa degraduje na proteazómy.
Do VHL choroba, zvyšuje hladinu HIF-1α, a preto zvyšuje hladinu rastových faktorov, VEGF PDGF, čo znamená napríklad tvorbu nových krvných ciev, tvorbu extracelulárnej matrix, stimuly spojené s karcinogenézou. Pozorovalo sa, že keď sa do bunky vloží normálny gén VHL, úroveň rastových faktorov zostáva normálna.

Výskum sira Petra Ratcliffeho z Inštitút Francisa Cricka vo Veľkej Británii prináša ešte viac podrobností o tejto interakcii HIF-VHL.

Špecifická zložka HIF-1α je zodpovedná za detekciu koncentrácie kyslíka. Ak má kyslík normálne hodnoty, dochádza k biochemickým zmenám (prostredníctvom enzýmov nazývaných prolylhydroxylázy) - v špecifických polohách HIF-1α sú pridané dve hydroxylové skupiny. Modifikácia HIF-1a umožňuje VHL rozpoznať a viazať sa na cieľ tak, aby sa HIF-1a degradoval.

Hydroxylácia proteínu VHL umožňuje bunkám veľmi rýchlo reagovať na kyslík. Ak je prítomný kyslík, zmenená forma VHL sa viaže na HIF a spôsobuje jeho degradáciu. Keď sú bunky zbavené kyslíka, aktivita HIF pokračuje. Bunky reagujú prakticky na zmeny kyslíka blokovaním HIF, čo môže trvať niekoľko minút. Zdroj fotografií - Nobelova cena

Ratcliff v roku 1999 demonštroval, že asociácia medzi VHL a HIF1 je v skutočnosti kovalentnou reakciou závislou od kyslíka. Ratcliffov príspevok do veľkej miery súvisí s identifikácia týchto na kyslíku závislých enzýmov (prolylhydroxylázy)

Sir Peter Ratcliffe, Francis Crick Institute, UK

Ukázalo sa teda, že zmeny v génovej expresii priamo súvisia s variáciami kyslíka na bunkovej úrovni.

Ako lekárska prax mení objavy?

Tohtoročný laureát Nobelovej ceny za výskum prispieva k pochopeniu toho, ako kyslík reguluje základné fyziologické procesy. Je to tiež dôležitý východiskový bod pre identifikáciu nové terapeutické ciele.

U pacientov s renálna insuficiencia anémia sa vyskytuje v dôsledku zníženej expresie EPO. Inhibítory prolylhydroxylázy sa študujú ako liečba anémie a srdcového zlyhania a prvé lieky už boli schválené v Číne.

Ak rakovina, Zhubné bunky používajú adaptívne mechanizmy na formovanie nových krvných ciev a na dodanie kyslíka potrebného na rast. Blokovanie tohto javu v nádorových bunkách môže byť stratégiou pre vývoj nových antineoplastických terapií. Podľa Nobelovho výboru sa úsilie v budúcnosti zameriava na hľadanie liečebných postupov, ktoré aktivujú alebo blokujú spôsoby, ktorými bunka detekuje zmeny kyslíka.