Відкриття того, як клітини відчувають рівень кисню, приносить Нобелівську премію

Садіш К. Рамакрішнан, Бесіда

Вранці 7 жовтня я прокинувся повідомленням свого колеги про те, що "HIF отримав Нобелівську премію з фізіології та медицини в 2019 році, хуууууу". Це захоплююча новина для таких молодих дослідників, як я, які починають свою кар’єру з вивчення гіпоксії, коли в клітинах низький рівень кисню.

Якщо вам цікаво, що на Землі це означає, HIF або індукований гіпоксією фактор - це білок, який збільшується всередині клітини, коли рівень кисню падає, допомагаючи клітині вижити.

Лауреатами цьогорічної Нобелівської премії з фізіології та медицини є Вільям Г. Келін з Гарвардської медичної школи, сер Пітер Дж. Раткліфф з Оксфордського університету та Грегг Л. Семенца з Університету Джона Хопкінса. Вони перемогли завдяки новаторським дослідженням того, як клітини відчувають і адаптуються до умов з низьким вмістом кисню.

Я біолог з Університету Пітсбурга, де ми з колегами вивчаємо, як низький рівень кисню впливає на спосіб спілкування клітин та вплив цього на метаболічні захворювання, такі як ожиріння, діабет 2 типу та рак.

Розуміння того, як клітини розмовляють між собою в середовищі з низьким вмістом кисню - як у пухлині - має вирішальне значення для вивчення того, як раки ростуть і прогресують. Новаторська робота цих трьох видатних вчених заклала основу моїх досліджень та досліджень багатьох інших, які вивчають хвороби.

Потік кисню всередині клітин

Пристосування до різних рівнів кисню є однією з ключових еволюційних адаптацій для більшості форм життя на Землі. Кожна клітина людського організму потребує кисню для своєї нормальної роботи.

Як довкілля, так і фізіологічний статус організму визначають, скільки кисню доступне клітинам. Наприклад, на більших висотах доступність кисню зменшується. Це особливо важливо для альпіністів, які повинні адаптуватися до висоти, щоб допомогти своєму організму збільшити пропускну здатність кисню в крові. Це важливо для уникнення гірської хвороби та інших проблем здоров'я, пов'язаних з висотою, таких як легеневі та церебральні захворювання.

Рівень кисню в організмі людини постійно коливається, залежно від того, їсть людина чи поститься, робить фізичні вправи чи відпочиває і навіть перебуває в стресі чи спокої. Наприклад, під час фізичних вправ надходження м’язів до кисню збільшується для подачі енергії. Це залишає менше кисню для інших органів, таких як печінка.

При багатьох захворюваннях пошкодження судин може призвести до падіння кровопостачання, а отже, і постачання кисню до ураженого органу, що може зробити пацієнта ще гіршим. Таким чином, рівень кисню в клітині важливий як для здорових, так і для хворих людей.

Відчуття кисню життєво важливо для здоров’я та хвороб

Якщо кисень є таким важливим елементом для виживання, як людський організм справляється з цими швидкими і постійними коливаннями?

На початку 1990-х Семенца та Раткліфф незалежно виявили, що клітини пристосовуються до змін рівня кисню, виробляючи більше білка, який називається індукуючим гіпоксією фактором-1 або HIF-1. Коли рівень кисню знижується, білок HIF інгібує процеси споживання кисню клітинами, змінюючи активність численних генів, тим самим дозволяючи клітинам швидко адаптуватися і виживати в середовищі з низьким вмістом кисню.

Кілька років потому Келін і Раткліфф характеризували, як рівні кисню в клітинах регулюють кількість продукується HIF-1.

Після їх первинного відкриття численні дослідження дослідників по всьому світу, включаючи наше, розкрили безліч ролей цього білка в підтримці здоров’я організму, а також про те, як можуть виникнути хвороби при порушенні системи кисневого зондування. Зараз відомо, що HIF контролюють різноманітний набір функцій у багатьох різних типах клітин, включаючи імунні, мозкові та ракові клітини.

В останнє десятиліття дослідники показали, що HIF відіграють ключову роль у сприянні зростанню пухлин. Клітини раку швидко діляться і ростуть, і вони мають більший апетит як до поживних речовин, так і до кисню. Але кровоносні судини, що живлять пухлину, не можуть встигати за ростом раку.

Розумні ракові клітини виживають, виробляючи більшу кількість білка HIF. Білки HIF викликають зміни в метаболізмі ракових клітин і перемикають їх на режим з низьким вмістом кисню та низькою енергією. Це допомагає раковим клітинам виживати в умовах, бідних киснем та поживними речовинами, і продовжувати рости та поширюватися.

Деякі дослідження навіть показали, що збільшення HIF в ракових клітинах викликає стійкість лікарських засобів до хіміотерапії. Таким чином, фармацевтичні компанії зараз націлені на HIF при лікуванні численних видів раку.

Численні захворювання, такі як жирова хвороба печінки, метаболічні та серцево-судинні захворювання, також пов'язані з підвищенням рівня білка HIF у різних тканинах. Дослідження на тваринах підтвердили стратегію видалення HIF з певних тканин та терапевтичне значення націлювання на HIF при метаболічних захворюваннях.

Оскільки кисень бере участь у всіх клітинних процесах, відкриття механізмів, за допомогою яких клітини здатні виявляти та швидко реагувати на зміни рівня кисню, зробило революцію в біомедичних дослідженнях та допомогло визначити нові цілі для лікування різних захворювань.

Ця стаття опублікована в журналі The Conversation під ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.