Нобель за самоедство

Биографию Осуми нельзя назвать насыщенной экстраординарными событиями. Он родился в 1945 году в Фукуоке, в 1963 году поступил в Университет Токио и там же работает до сих пор. После получения кандидатской степени и до возвращения на родину работал в США, в Институте Рокфеллера.

Первый научный интерес Осуми был связан с механизмом инициации трансляции — процессом, с которого начинается синтез белка в рибосоме. Забавно, что известность и нынешнюю премию ему принесли работы, полностью противоположные по теме. А именно о том, как белки и другие молекулы разрушаются и завершают свой жизненный цикл в клетке.

Нынешняя премия присуждена Осуми с формулировкой «за открытие механизма аутофагии».

Здесь прежде всего надо пояснить, что сам термин «аутофагия» был сформулирован гораздо раньше, — в год, когда Осуми только поступил в университет. Автором термина стал Кристиан де Дюв, бельгийский цитолог и биохимик. И тоже, кстати, нобелевский лауреат — ему премия досталась гораздо раньше, еще в 1974 году («за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки»).

Появлению понятия аутофагии предшествовал забавный эксперимент, который де Дюв проводил в начале 50-х годов. Бельгиец занимался исследованием механизма действия инсулина и в ходе своей работы получал в центрифуге разные фракции из экстрактов печени (в те времена центрифуги были вообще очень модными штуками и казались чуть ли не вершиной технологического развития).

Один из ферментов, за которым следил де Дюв, после центрифугирования экстракта неожиданно пропадал из цитоплазмы. Однако стоило фракции постоять несколько дней в холодильнике, как энзиматическая активность неожиданно возвращалась. Весьма необычно, если учитывать, что выделенные из клетки ферменты со временем как правило не приобретают, а довольно быстро теряют свою активность.

Исследуя этот феномен, де Дюв постепенно выяснил, что далеко не все клеточные ферменты плавают прямо внутри клетки, в цитозоле. Как оказалось, довольно значительная их часть существует отдельно, в специальных, окруженных мембранами органеллах, которые исследователь назвал лизосомами (разрушением лизосом как раз и объяснялось «воскрешение» ферментативной активности). И одной из важнейших функций лизосом де Дюв провозгласил как раз аутофагию — т. е. способность клеток разрушать и переваривать собственное содержимое.

Прежде чем двинуться дальше, следует пояснить, что с лизосомами есть некая терминологическая путаница, связанная во многом с тем, что поначалу их исследовали чисто описательными, цитологическими методами. Лизосомой в узком смысле называется окруженный мембраной внутриклеточный пузырек, который наполнен ферментами, как правило очень любящими кислую среду. Внешне такой же пузырек, который клетка захватывает из внешней среды, называется фагосомой, а процесс ее формирования — фагоцитозом. Когда лизосома сливается с фагосомой, ферменты из первой переходят во вторую и получается единый пузырек, вторичная лизосома — так, например, происходит внутриклеточное пищеварение у амеб или у наших защитных клеток фагоцитов.

Однако в основе аутофагии лежит немного другой процесс — образование из мембранных пузырьков аутофагосом, которые окружены не одинарной, а двойной мембраной. В аутофагосому попадает не внешнее, как у фагосомы, а внутренне содержимое. Когда такая аутофагосома сливается с лизосомой, внутренняя мембрана разрушается и в конце концов все сводится к тому же самому процессу — начинается такое же внутриклеточное пищеварение, как и в случае с амебой и бактериями.

С самого начала было понятно, что аутофагия может иметь важную роль в контроле качества внутриклеточных молекул и вообще в обновлении организма. А следовательно, механизмы аутофагии могут быть непосредственно связаны с патологическими нарушениями этих процессов, которые требуют лечения.

Однако биологи 60-х и 70-х годов были слишком заняты открытием таких вещей, как фундаментальные основы репликации, установление структуры рибосом и определение механизма синтеза белка. Обращать внимание на такие «вторичные» вещи, как внутриклеточная уборка мусора, никому не хотелось.

В результате такого пренебрежения в теме исследования аутофагии после работ Кристиана де Дюва и до прихода Ёсинори Осуми почти ничего интересного и не произошло. Было ясно, что аутофагия наблюдается у ядерных организмов почти повсеместно, плюс к этому были открыты некоторые факторы, которые ее либо стимулируют, либо ингибируют. На главные вопросы: как регулируется аутофагия, как появляются аутофагосомы, какие гены и белки вовлечены в этот процесс, — у биологов ответа не было.

Если попробовать свести секрет научного успеха Ёсинори Осуми к каким-то простым максимам, то их, пожалуй, будет всего две: беритесь за тему, на которую никто не обращает внимания, и из всех возможных выбирайте самый простой объект.

До Осуми аутофагию пытались изучать на мышах, культурах человеческих и животных клеток и других подобных системах. Японец же выбрал обычные пекарские дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, — самые простые, самые изученные и самые удобные для генетических манипуляций эукариготические организмы. Дальнейшая логика его работы была следующая: если мы хотим точно определить молекулярный механизм аутофагии, нам нужно найти белки, которые его осуществляют. Чтобы найти эти белки, надо «поймать» гены, поломка которых приводит к остановке аутофагии. А чтобы найти такие гены, нужно найти подходящий способ, который позволил бы быстро и надежно узнать — нарушена аутофагия у данного конкретного мутантного штамма дрожжей или нет. Желательно, на глаз.

Для этого Осуми стал выращивать дрожжи на специальной бедной среде — чтобы клетки начинали активно «поедать» свое собственное содержимое. Но при этом исследователь нашел способ выборочно заблокировать у таких дрожжей работу ферментов в лизосомах — чтобы цитоплазматическое содержимое в них активно захватывалось, но при этом не могло перевариться. Сочетание бедной среды и ингибиторов приводило к накоплению крупных дисфункциональных лизосом, которые были хорошо видны даже в световой микроскоп.

Имея в своем распоряжении такую систему, Ёсинори Осуми мог, наконец, начать мутагенез — он вводил в геном дрожжей случайные мутации и искал гены, которые участвуют в аутофагии. Если какая-то случайная мутация затрагивала важный для процесса ген, в клетке переставали накапливаться переполненные лизосомы, что можно было заметить на препаратах.

Таким образом, в самом начале 1990-х ученому удалось открыть первый участвующий в аутофагии ген — APG1 (от autophagy gene). Он, как оказалось, был только малой частью обширной системы, повсеместно распространенной у ядерных организмов. Описание работы, в ходе которой Осуми на пару со своим студентом удалось найти первые 15 генов, было опубликовано в качественном, но скромном журнале FEBS Letters. Сейчас у этой статьи более тысячи цитирований и она, надо полагать, дает журналу значительную долю индекса престижности.

Так, вооружившись дрожжевой модельной системой, Осуми и его коллеги сумели за десяток лет разобрать всю систему аутофагии «на косточки». Подробности того, какие из белков APG и их человеческих гомологов друг друга модифицируют, соединяют в комплексы и фосфорилируют навряд ли могут сильно заинтересовать читателя, однако несколько важных вещей об этой системе надо сказать.

Во-первых, оказалось, что уровень аутофагии в клетке и организме напрямую зависит от общего уровня энергии: чем меньше «энергетической валюты», АТФ, тем менее активен ген TOR, ингибирующий образование комплекса белков APG, и тем быстрее этот комплекс работает.

Поэтому вещества, ингибирующие TOR, могут быть стимуляторами клеточного обновления. И эти ингибиторы — точнее говоря один, рапамицин, являются самыми хорошими на сегодняшний день кандидатами в «таблетки от старости» (но мы, я надеюсь, четко понимаем, что «хороший кандидат» и «действующее лекарство» это две принципиально разные вещи).

Во-вторых, активация аутофагии приводит к цепи реакций, ключевым моментом которой является физическое закрепление белка APG-8 на клеточной мембране — с этого момента и начинается рост аутофагосомы.

В-третьих, многие из генов APG отдаленно гомологичны убиквитину, ключевому элементу в системе протеасомальной деградации белков. Это неожиданным образом объединяет две принципиально разные системы, отвечающие за уничтожение клеточного мусора: протеасомы и лизомомы.

Ну и в-четвертных, работа генов APG важна при самых разных заболеваниях, связанных с деградацией белков. Это и нейродегенеративные заболевания, и рак, и бактериальные и вирусные инфекции. Выживание при голодании и эмбриональное развитие также невозможны без этих генов. И хотя лекарств, непосредственно направленных на коррекцию их работы, пока нет, ожидать их появления можно уже в ближайшее время — достаточно посмотреть на экспоненциально растущий вал статей, начавшийся с небольшой работы скромного японца в FEBS Letters.