Все дело в пузырьках!

Лауреатами Нобелевской Премии по Физиологии и Медицине 2013 по решению Нобелевского Комитета Каролинского Института (Karolinska Institutet, Стокгольм, Швеция) стали Джеймс Е. Ротман (James E. Rothman), Рэнди У.Шекман (Randy W. Schekman) и Томас К. Зюдхоф (Thomas C. Südhof) за открытие механизма регуляции везикулярного трафика – главной транспортной системы клеток.

Нобелевская Премия 2013 г. присуждена трем ученым, разгадавшим загадку организации транспортной системы клеток. Каждая клетка представляет собой фабрику по производству и экспорту молекул. Например, гормон инсулин производится и выводится клеткой в кровь, а химические сигналы нейротрансмиттеры посылаются от одной нервной клетки к другой. Эти молекулы переносятся по клетке в маленьких пузырьках, называемых везикулами. Три нобелевских лауреата открыли молекулярные принципы, которые управляют доставкой «грузов» в нужное место и в нужное время.

Рэнди Шекман открыл группу генов, необходимых для везикулярного транспорта. Джеймс Ротман описал белковый механизм, позволяющий везикулам сливаться со своей целью для обеспечения передачи груза. Томас Зюдхоф установил, какие сигналы получают везикулы для точной отгрузки.

В ходе своей работы Ротман, Шекман и Зюдхоф обнаружили исключительно точную контролирующую систему для транспорта и доставки клеточного груза. Нарушения в этой системе несут губительные последствия и способствуют развитию неврологических заболеваний, диабета и иммунологических нарушений.

Как груз транспортируется в клетке

В такой сложной системе, как клетка, необходима система контроля доставки грузов в нужное время к нужному месту.

Каждая клетка организма представляет собой сложнейшую систему: в ней вырабатываются гормоны, нейротрансмиттеры, цитокины и ферменты, которые должны быть доставлены в другие части клеток или выведены из клетки в определенный момент. Точное время и место очень важны. Крошечные пузыреобразные везикулы, окруженные мембранами, либо переносят груз между органеллами (компартментами клетки), либо сливаются с внешней мембраной клетки и выпускают содержимое наружу. Этот механизм работает в таких процессах, как запуск нервной активации посредством веществ-нейротрансмиттеров, или контроль метаболизма в случае гормонов. Каким образом везикулы «знают», когда и куда доставлять груз?

Для контроля трафика существуют генетические регуляторы

Рэнди Шекман интересовался организацией транспортной системы и с 1970 г. исследовал ее генетические основы, используя дрожжи в качестве модельной системы. В ходе генетического скрининга он идентифицировал дрожжевые клетки с нарушенным транспортным механизмом, что порождало развитие ситуации, схожей с плохо развитой системой общественного транспорта: везикулы накапливались в определенных частях клетки. Ученый выяснил, что причиной дисфункции работы везикулярного транспорта являются генетические нарушения, и впоследствии выявил три класса генов, контролирующих различные сферы транспортной системы клетки.

Точное причаливание

Джеймс Ротман также интересовался природой транспортной системы клетки. Исследуя везикулярный транспорт в клетках млекопитающих в 1980-е и 1990-е гг., Ротман установил, что «причаливание» везикул и слияние с мембранами-мишенями обеспечивается специфическим белковым комплексом. В процессе слияния белки везикул и мембраны мишеней связываются друг с другом подобно двум частям застежки-молнии. Факт в том, что существует множество таких белков, но они связываются только в специфических сочетаниях, обеспечивая доставку груза к точному месту назначения. Один и тот же принцип действует внутри клетки при транспорте между органеллами и для вывода содержимого при связи везикул с наружной мембраной.

Оказалось, что гены, открытые Шекманом в дрожжах, кодируют белки, соответствующие идентифицированным Ротманом у млекопитающих, что указывает на эволюционную древность происхождения транспортной системы. Совместно они установили ключевые компоненты транспортного механизма клетки.

Время – это самое важное

Томас Зюдхоф занимался исследованием механизма сообщения нейронов головного мозга друг с другом. Нервные клетки взаимодействуют между собой с помощью особых сигнальных молекул (нейротрансмиттеров, или нейромедиаторов), которые также транспортируются в пузырьках с помощью механизма, открытого Ротманом и Шекманом. Как транспорт нейромедиаторов между нейронами контролируется столь точным образом? Известно, что в этом процессе участвуют ионы кальция. С 1990 г. Зюдхоф занимался поиском в нервных клетках чувствительных к кальцию белков. Он установил молекулярный механизм, отвечающий на поступление ионов кальция и моментально направляющий соседние белки связывать везикулы с наружной мембраной нервной клетки. Это приводит к «раскрыванию» «молнии» и выходу сигнальных молекул. Открытие Зюдхова объяснило, как достигается точность во времени, и как по команде выпускается содержимое везикул.

Везикулярный транспорт проливает свет на патологические процессы

Три нобелевских лауреата открыли фундаментальные процессы в физиологии клеток. Полученные данные внесли большой вклад в понимание деталей доставки груза внутрь клетки и из нее. Транспорт и слияние везикул управляются согласно одним и тем же общим принципам в столь различных организмах, как дрожжи и человек. Эта система критически важна во многих физиологических процессах, где необходим контроль слияния везикул. Нарушение везикулярного транспорта возникает при многих заболеваниях, включая множество неврологических и иммунологических нарушений, среди которых диабет.

Джеймс Е. Ротман родился в 1950 г. в Хаверхилле (Массачусетс, США). Он получил степень доктора философии (PhD) в Гарвардской Медицинской Школе (Harvard Medical School, США) в 1976 г., работал научным сотрудником в Массачусетском Технологическом Инситуте (Massachusetts Institute of Technology) и в 1978 г. в Стэнфордском Универитете в Калифорнии (Stanford University in California) начал исследовать везикулы. В 2008 г. он поступил на службу на факультет Йельского Университета в Нью-Хэйвене (Yale University, Коннектикут, США), где в настоящее время является професором и руководителем Отделения Клеточной Биологии (Department of Cell Biology).

Рэнди В. Шекман родился в 1948 г. в городе Сент-Пол (Миннесота, США), учился в Калифорнийском Университете Лос-Анджелеса (University of California in Los Angeles) и Стэнфордском Универитете, где получил степень доктора философии в 1974 г. под руководством Артура Корнберга (Arthur Kornberg), лауреата Нобелевской премии 1959 г., в том же отделении, куда через несколько лет поступил Ротман. В 1976 г. Шекман поступил на службу в Калифорнийский Универитет в Беркли (University of California at Berkeley), где в настоящее время является профессором Отделения Молекулярной и Клеточной Биологии (Department of Molecular and Cell biology). Кроме того, Шекман является исследователем в Медицинском Институте Ховарда Хьюса (Howard Hughes Medical Institute, США).

Томас К Зюдхов родился в 1955 г. в Геттингене, Германия. Он учился в Университете Георга-Августа (Georg-August-Universität) в Геттингене, где получил степень доктора медицины и степень доктора в области нейрохимии в 1982 г. В 1983 г. он поступил на работу в Юго-Западный Медицинский Центр при Техасском Университете в Далласе (University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas, США) в качестве научного сотрудника, где работал с Майклом Брауном (Michael Brown) и Джозефом Гольдштейном (Joseph Goldstein), получившими Нобелевскую премию по Физиологии и Медицине в 1985 г. В 1991 г. Зюдхов стал исследователем Медицинского Института Ховарда Хьюса и был утвержден профессором Молекулярной и Клеточной Физиологии в Стэнфордском Университете в 2008 г.

По материалам Nobel Foundation