Р. Лефковиц Б. Кобилка

Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz) родился в 1943 г. в Нью-Йорке в семье еврейских эмигрантов из Польши. В 1962 г. получил степень бакалавра искусств в Колумбийском колледже при Колумбийском университете Нью-Йорка, а в 1966 г. в Колледже общей терапии и хирургии при том же университете получил степень доктора медицины (MD). C 1968-го по 1970 год работал в системе Национальных институтов здоровья, затем пришел в Главный госпиталь Массачусетса в Бостоне (MGH). C 1973 года — в Университете Дьюка, параллельно в 1973-1976 году занимал позицию исследователя в американской кардиологической ассоциации (American Heart Association), с 1976 года — исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. Нынешняя лаборатория Лефковица «базируется» в Университете Дьюка.

Брайан Кобилка (Brian Kobilka) родился в 1955 г. в штате Миннесота в семье с немецко-польскими корнями. Получил степень бакалавра по биологии и химии в Миннесотском университете, затем степень доктора медицины (MD) на медицинском факультете Йельского университета. Прошел интернатуру в Вашингтонском университете и поступил работать постдоком к Лефковицу. С 1987-го по 2003 год — исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. Нынешняя лаборатория Кобилки — в Стэнфордском университете.

Примерно 20 лет назад ученые выяснили, что для успешной работы белков – триггеров, включающих целый каскад биохимических процессов, результат которого – передача сигнала о нуждах и потребности клетки (например, в кислороде, глюкозе, каких-то других метаболитах), необходим гуанозинтрифосфат (ГТФ). Эти белки (их называют G-белками) гидролизуют ГТФ, отщепляя от его молекулы один из трех «кирпичиков» фосфата. При этом выделяется энергия, которая и обеспечивает протекание дальнейших биохимических реакций. За открытие G-белков в 1994 г. американские биохимики – эндокринологи Альфред Гилман и Мартин Родбелл получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Нобелевская премия по химии за 2012 г. – логическое продолжение истории о G-белках.

Американские ученые Роберт Лефковиц (Медицинский центр университета Дьюка в г. Дарем, штат Северная Каролина) и Брайан Кобилка (Школа медицины при Стэнфордском университете) по следам первопроходцев продвинулись дальше своих изысканиях и смогли не только охарактеризовать работу клеточных рецепторов, регулирующих работу G-белков, но и «подобрать ключик» к управлению ими. Речь идет о β – 2 – адренергических рецепторах, которые активизируется в ответ на изменение концентрации адреналина в крови.

Рецепторы, сопряженные с G-белками называют семиспиральными, поскольку они спирально упакованы в клеточной мембране на манер елочного серпантина и пронизывают ее 7 раз, выставляя на поверхность «хвостик», способный воспринять сигнал и передать конформационные изменения всей молекуле. Среди серпантинов – рецептор света родопсин, расположенный в мембранах клеток сетчатки глаза, белки клеток обонятельных рецепторов, с помощью которых нос распознает ароматы, и даже клеточные рецепторы, через которые осуществляется регуляция настроения, поведения, активности иммунной системы. При этом все они имеют сходное строение.

Исследования Лефковица начались в 1968 году, когда он пришел на позицию исследователя в системе Национальных институтов здоровья (NIH). К тому времени он уже занимался исследованием рецептора адренокортикотропного гормона (АКТК) и сумел разобрать методику точного вычисления концентрации гормона в плазме при помощи радиоактивных меток.

На новом месте работы Лефковиц переключился на исследование адреналина и его рецепторов. На то, чтобы понять, как гормон адреналин передает информацию клетке и меняет работу ее метаболизма, ушло почти 10 лет.

Адренорецептор представляет собой белок, который пронизывает клеточную мембрану. Со стороны клетки с ним связан особый G-белок, получивший свое название за то, что к нему присоединен остаток гуанозиндифосфата (ГДФ). G-белок состоит из трех субъединиц (отдельно упакованных белковых спиралей), получивших названия a, p, и y. При этом пока рецептор находится в состоянии «выкл.», т.е. не связался с адреналином, все спокойно. Но стоит с внешней стороны клетки присоединиться небольшой молекуле адреналина, как начинается глубокая перестройка всего комплекса. Конформация самого рецептора меняется, в G-белке гуанозиндифосфат превращается в трифосфат, а сам белок разрывает на две части: субъединица а отправляется в самостоятельное путешествие по клетке, а части р и у дальше движутся в месте. Встречая различных так называемых вторичных посредников, эти осколки G-белка запускают цепь биохимических реакций и меняют метаболизм клетки, а сами осколки воссоединяются, восстанавливая трифосфат до дифосфата, и все повторяется сначала.

Такой механизм передачи сигнала через адренорецепторы получил название теории тройничного комплекса (рис.14).

Рис.14. Схема теории тройничного комплекса

А дальше в игру вступил второй лауреат, который чуть позже открытия этого механизма пришел работать в лабораторию Лефковица. Брайан Кобилка сумел решить последовательно несколько сложнейших задач, которые требовали огромного терпения и высочайшего экспериментального мастерства. Кобилка смог найти ген, кодирующий адренорецептор, а кроме того, он смог установить его исходную структуру и положение в мембране. И тут выяснилось, что адренорецептор имеет 7 белковых спиралей, которые пронизывают клеточную мембрану. Ровно столько, сколько у совсем непохожего на него рецептора родопсина – благодаря чему мы реагируем на свет. Более того, дальнейшие исследования показали: семиспиральными являются, большинство известных к тому времени клеточных рецепторов. И все эти семиспиральные рецепторы связаны с G-белками, и все работают по описанному выше механизму.

Именно поэтому самому механизму клетки общаются между собой, именно благодаря этому механизму мы обладаем всеми пятью видами чувств. Разумеется, открытие одного из фундаментальных биохимических механизмов не смогло пройти бесследно: сегодня примерно 40% всех лекарств, выпускаемых мировой фармацевтической промышленностью, действуют именно на рецепторы, связанные с G-белками.

В 2011 г. Кобилка, наконец, смог сделать практически невозможное – «рентгенограмму» адренорецептора в момент работы (рис.15). Получить приличный кристалл комплекса рецептора и гормона было очень сложно. Однако Кобилка вышел из положения, синтезировав так называемое наноантитело (nanoantibody) – небольшую молекулу, которая, тем не менее, достаточно крепко связывалась с рецептором, точно таким же способом, как и сам гормон, и фиксировала рецептор в активированном положении. Неделя роста кристалла – и можно делать кристаллограмму.

Рис.15. Изображение β-адренорецептора в момент связывания с лигандом и G-белком

Теперь открыт путь к получению активных структур рецепторов, а значит, и путь к направленному дизайну множества лекарств.

Выводы

В период с 2000 по 2012 гг. Нобелевскую премию по химии получили 31 человек. Среди которых присутствует женщина Ада Йонат – одна из четырех женщин, которые за всю историю получили Нобелевскую премию по химии (премия 2009 года).

Джон Фенн – является самым пожилым лауреатом, на момент принятия решения нобелевским комитетом ему было 85 лет (премия 2002 года).

Нобелевские премии с 2000 по 2012 гг. в области:

· неорганическая химия (химия поверхностей) – 2007, 2011;

· органической химии – 2000, 2001, 2005, 2010;

· биохимии – 2003,2004, 2006, 2008, 2009, 2012;

· аналитическая химия (методы исследования) – 2002.

Нобелевская премия всегда останется критерием достижения и движением науки и общества, потому, что научные открытия, признанные Нобелевским комитетом Королевской шведской академии наук, несомненно, приносить пользу обществу.