VIVOS VOCO: Нобелевская премия 2005 г. по химии

А. Цихановер

А. Хершко

И. Роуз

Нобелевская премия по химии за 2004 г. присуждена двум израильским биохимикам - А.Цихановеру и А.Хершко - и одному американскому - И.Роузу - “за открытие опосредующей роли убиквитина в деградации белков”.

Аарон Цихановер (Aaron Ciechanover) родился в 1947 г. в Хайфе. В 34 года получил докторскую степень по медицине в Израильском технологическом институте (Хайфа). Сейчас Цихановер - профессор отдела биохимии и директор Института медицинских исследований при Израильском технологическом институте.

Аврам Хершко (Avram Hershko) родился в 1937 г. в Карцаге, Венгрия. В 32 года стал доктором медицины в медицинской школе “Хадасса” Иерусалимского университета. В настоящее время Хершко - почетный профессор того же института, где директорствует Цихановер.

Ирвин Роуз (Irwin Rose) родился в Нью-Йорке в 1926 г., докторскую степень защитил в 1952 г. в Университете Чикаго. Специалист в области физиологии и биофизики, работает в Медицинском колледже Университета Калифорнии в Ирвине.

Еще не так давно жизнь трактовалась как способ существования белковых тел. И в самом, деле такими телами, вернее, молекулами, насыщена любая клетка живого организма. Это и ферменты, ускоряющие химические реакции; и гормоны, исполняющие роль сигнальных молекул; и сложные соединения, обеспечивающие иммунную защиту организма; и регуляторы многих внутриклеточных процессов. Наконец, сама форма клетки и ее структура поддерживаются именно белками. Почему-то повелось, что исследователей интересовало в первую очередь, как осуществляется и контролируется синтез белков в клетке, а их распаду не уделялось должного внимания. В противоположность этому, нобелевские лауреаты 2004 г. изучали как раз распад (расщепление, деградацию), причем не всякий - гидролиз протеазами с образованием в конечном счете аминокислот был известен. Будущих лауреатов привлекла утилизация белков, которая требует энергии. Первым начал исследования в этом направлении Хершко. В 1971 г. он стажировался в лаборатории г.Томкинса, где изучал деградацию фермента тирозинаминотрансферазы в культивирумых клетках гепатомы. По результатам исследователи предположили, что источником энергии на ранней стадии деградации фермента служит нуклеотид аденозинтрифосфат (АТФ).

В 1978 г. израильские биохимики работали с лизатом ретикулоцитов (содержимым этих клеток, полученным после их разрушения ферментами), в котором изучали зависимый от энергии протеолиз. Чтобы избавиться от гемоглобина, который загрязнял лизат и мешал анализу, они пропустили образец через колонку с целлюлозой и совершенно неожиданно для себя обнаружили, что в результате хроматографии образуются две фракции. По отдельности они не проявляли протеолитической активности, но как только их объединяли, протеолиз, зависимый от АТФ, восстанавливался. В следующем году биохимики определили, что активным компонентом первой фракции был термостабильный полипептид с молекулярной массой около 9000 Да.

Не меньшие сюрпризы преподнесла и вторая фракция образца, которая исследовалась уже сообща - Хершко, Цихановером и Роузом. Израильским биохимикам предоставлялся, как у нас принято называть, творческий отпуск, и они отправились в Филадельфию, чтобы продолжить работу над энергозависимым протеолизом вместе с американским коллегой в его лаборатории при Онкологическом центре.

Так вот, вторая фракция в условиях эксперимента в свою очередь делилась на две части: одна содержала очень крупный белковый комплекс, стабилизированный АТФ, другая - ферменты Е1, Е2, Е3. Для расщепления белка-субстрата требовались все три фракции.

Совместный путь к Нобелевской премии длился (если судить по публикациям) всего три года - с 1979-го по 1981-й. За это время удалось установить, что термостабильный полипептид из первой фракции может ковалентно соединяться со многими белками, которые содержатся в лизате ретикулоцитов; что с одним и тем же белком связывается не одна молекула полипептида, а несколько (и это было совершенной неожиданностью для ученых), причем взаимодействие происходит через e-аминогруппы лизинов, имеющихся в полипептиде.

Далее наступил черед изучения фракции, содержащей ферменты Е1-Е3, т.е. ферментную систему, которая обеспечивает “пришивание” термостабильного полипептида к белку-субстрату. Этот полипептид уже был обнаружен (разными исследователями) в клетках всевозможных эукариотических организмов, и 1980 г. К.Уилкинсон присвоил веществу название убиквитин (лат. ubique - везде, всюду). А если он столь вездесущ, значит, предположили будущие нобелевские лауреаты, протеолиз, который требует энергии АТФ и убиквитина, чрезвычайно важен для любой клетки.

Схема последовательных ферментативных реакций, в ходе которых ярлык-убиквитин “пришивается” к белку-мишени. Только в начальной стадии - для активации убиквитина - необходима энергия АТФ. Активированный убиквитин связывается через сульфгидрильную группу (SH) с ферментом Е1, затем таким же образом - с ферментом Е2. Фермент Е3 катализирует перенос “ярлыка” с Е2 на белковую молекулу. Последняя стадия повторяется несколько раз, и в результате белок оказывается связанным с цепочкой из нескольких молекул убиквитина.

Высказав гипотезу о деградации белков как цепи последовательных реакций, биохимики выделили и охарактеризовали ферменты Е1-Е3, определили место и способ действия каждого из них в этой цепи. Из тщательнейших биохимических работ выяснилось, что энергия АТФ нужна только для активации убиквитина. Активированный, он ковалентно связывается с ферментом Е1 через его сульфгидрильную группу (SH), оттуда передается на фермент Е2 и далее на белок-субстрат. Эту последнюю стадию катализирует фермент Е3 и повторяет реакцию раз за разом, пока не образуется цепочка из нескольких молекул убиквитина. Белок с таким своеобразным ярлыком будет опознан протеасомой - специально предназначенной для протеолиза частицей - и расщеплен ею на пептиды разной длины.

Протеасома представляет собой сложнейший белковый комплекс, вероятно, именно она была выделена Хершко, Цихановером и Роузом из второй фракции лизата ретикулоцитов. Почти 10 лет после этого многие исследователи безуспешно пытались выделить протеасому, хотя, как теперь известно, в клетке человека содержится до 30 тыс. этих частиц. На самом деле частицу с протеолитической активностью открывали много раз и давали разные названия, даже в статьях Хершко 90-х годов она значилась как циклосома. Теперь эту протеолитическую машину именуют чаще всего протеасомой. Известно о ней очень многое, существует и “портрет”, полученный компьютерной томографией. В “Природе” (2003. №7. С.36-45) довольно подробно рассказывалось о подготовке белков к расщеплению протеасомой, о ее устройстве и участии в разных клеточных процессах, о патологиях у человека, так или иначе связанных с протеасомой - с ее работой или бездействием. Поэтому нет нужды повторять все еще раз.

Общая схема протеасомной деградации белков.

Сейчас полностью подтверждено предположение Хершко, Цихановера и Роуза, высказанное ими более 20 лет назад, о важнейшей роли для клетки протеолиза, зависимого от энергии и убиквитина. Дефекты в любом звене системы, обеспечивающей контроль за распадом внутриклеточных белков, обычно приводят к драматическим последствиям, вызывают многие болезни человека. Интерес к изучению этой системы не угас, в ней далеко не все расшифровано. Сейчас уделяется большое внимание генетической стороне системы, т.е. идентификации генов, в которых закодированы структуры всех белковых молекул протеасомы. Кроме того, во многих лабораториях мира исследователи обратились к медицинскому аспекту - пытаются создать лекарства против болезней, связанных с протеасомной деградацией белков. И уже есть успехи: проходит, например, клинические испытания один из ингибиторов протеасомы, который в экспериментах проявил активность против множественной миеломы. Так давняя работа лауреатов Нобелевской премии по расшифровке подготовительных стадий протеолиза привела к получению фармакологического препарата.

Нобелевский комитет счел необходимым присудить Хершко, Цихановеру и Роузу премию по химии, а не по физиологии и медицине. Неужели биохимиков возвели до химических высот? Или наука о молекулярной жизни в организме мало чем отличается от поведения молекул в колбе?