Нобелевская премия за клеточную “почту”

Автор:  Илья Колмановский | 09.10.2013 12:25:21 |

Версия для печати
В этом году самую главную награду на свете получили трое ученых, которые обнаружили в наших клетках замечательную почтовую систему – целый набор сложнейших машин, которые позволяют клеткам перевозить любые грузы в нужное место и по расписанию. Эти машины ломаются при болезнях, и если их починить – болезней не будет.


c98515dc63b93b08991ac1887c081b84.jpeg



Мальчик Леша играл в “войну” в овраге на даче. Он поранил руку и земля попала в рану. Через сутки он не мог говорить, потому что не мог разжать челюсти, и еле дышал. У него начался столбняк. Из-за яда от бактерий, попавших в рану, клетки мозга в голове у Леши - нейроны, которые обычно несут мышцам приказ расслабиться после выполнения заданий - перестали работать, и мышцы напрягались все больше и больше. Чтобы определенный нейрон дал сигнал на расслабление, содержащиеся в нем пузырьки с сигнальными молекулами должны подойти к краю нейрона и выбросить молекулы наружу, в щель между нейроном-”расслабителем” и нейроном-”активатором” (а там они доплывут до другого края щели и заставят активатор успокоиться). Обычно это получается, но при столбняке пузырьки не могут найти край своей клетки. А вообще, откуда в нормальной жизни пузырьки с сигнальными молекулами знают, что вот ровно сейчас им нужно всем вместе сработать? Как они находят край клетки и действуют одновременно?






Вот другой пример про пузырьки. Если вы насыплете в кастрюлю муки, яиц, молока и дрожжей – может получиться тесто для булочек. Чтобы все было хорошо, дрожжи в кастрюле должны жить своей жизнью: питаться, расти, снимать с себя броню, чтобы делиться, потом одеваться новой броней. Эти микроскопические одноклеточные существа на самом деле очень сложно устроены. Взять хотя бы «броню», которую я упомянул. Если бы вы стали размером как одна молекула этой брони, вся клетка показалась бы вам гигантской, как бескрайний город. Вас сделали где-то в центре города на заводе, упаковали с такими же как вы в ящик, ящики погрузили в вагон.




В любой клетке, хоть у дрожжей, хоть у нас в мозге или в коже, хоть у кактуса, хоть у динозавра, или у инфузории-туфельки, есть что-то вроде вагонов, такие пузырьки с самыми разными веществами, которые должны доставляться в разные части клетки, и применяться по делу.

Загрузка плеера

Откуда клетка знает, что этот вагон нужно отправить на свою границу, чтобы молекулы встроились в новую броню, в которую клетка должна одеться после деления? А другой вагон отправить на другой свой конец, где создаются новые батарейки для клетки или готовятся гигантские «строительные леса» для подготовки деления? Как осуществляется эта точная доставка?

Трое ученых в этом году получили Нобелевскую премию – самую главную научную награду, которую раз в году вручают в Швеции, за то, что сумели подробно изучить всю эту «машинерию». Я начну с двух из них, Рэнди Шекмана и Джеймса Ротмана. Они, сами того не зная, изучали одну и ту же вещь, но с разных концов – а в итоге получили замечательный единый результат.




Шекман смотрел в микроскоп и искал среди тысяч разных клеток дрожжей такие, у которых механизм доставки пузырьков был бы сломан. И нашел! У «больных» дрожжей пузырьки не разбегались по всей клетке равномерно, а скапливались, образуя пробки и заторы в нескольких местах (правая картинка).




Найдя больные дрожжи, Шекман очень бережно с ними обращался, и поэтому смог их размножить. Оказалось, что у больных дрожжей есть несколько особенных генов – вероятно, подумал Шекман, эти гены как-то неправильно советуют клетке обращаться с пузырьками. Шекман также нашел у здоровых дрожжей нормальные копии этих же генов – они отличались от плохих копий чуть-чуть, но достаточно чтобы работать без помех.

Загрузка плеера


Одновременно Джеймс Ротман тоже изучал пузырьки, но только в клетках мышей. Он решился на невероятно смелый и сложный подход (сам Ротман вспоминает: «Я просто был молодой и очень горячий; сегодня бы я не решился на такую рискованную вещь»). Вместо того, чтобы изучать целую клетку, Ротман научился гонять клеточные пузырьки просто внутри пробирки, вне клетки. То есть он построил свою собственную “почту” и играл в нее. Это невероятно сложно – ведь мы разрушаем сложнейшую клетку и рассчитываем что у нас все будет работать как будто мы ничего не испортили.

Ротман скоро понял, что на поверхности пузырьков есть особые машинки, молекулы, которые ощупывают окружающее пространство. Он также выяснил, что на всех «конечных станциях» в клетке (то есть местах, куда нужно отправлять пузырьки) тоже есть свои молекулы, которые можно ощупывать. Когда молекула на пузырьке находит конечную цель, они сцепляются как ключ с замком (оранжевые штучки на рисунке ниже), и пузырек выворачивается, выбрасывая груз куда следует. Для проверки своего открытия Ротман научился ломать эти молекулы и нарушать перемещение пузырьков в живых клетках.




И очень скоро выяснилось вот что. Когда стали смотреть, какие гены кодируют у мышей информацию об устройстве «ключей» и «замков», оказалось, что это ровно те же гены, которые Шекман открыл у дрожжей. Получилась такая картина: во всех на свете клетках, хоть у дрожжей, хоть у нас, имеется одинаковая “почта”. Когда создается пузырек с веществом (это происходит в центре клетки, около ядра), он помечается специальной молекулой-«ключом», которая создана на основе информации из гена. После этого пузырек начинает быстро объезжать все «станции» в клетке, нигде не задерживаясь. Лишь когда «ключ» попадет на нужную станцию, он нащупает «замок», сцепится, и доставка может завершиться -- вещество забрасывается куда следует.


Вообще, это должно быть довольно муторно. Бедный вагончик! Сколько же надо проехать разных станций, пока не найдешь нужную… Правда, «рельсы» проложены так, чтобы каждому конкретному грузу надо было объезжать не все, а только часть станций (изучение этой системы рельсов наверняка будет поводом для следующих нобелевских премий), и все равно – это занимает время. Но чаще всего «товар» нужен очень срочно и в больших количествах – так что для получения нобелевской премии оставалось решить еще одну загадку. Приведу два примера, чтобы было понятнее.

Допустим, мы съели те самые булочки, которые начали готовить в начале статьи. У нас в животе в клетках поджелудочной железы создается множество пузырьков с копиями молекулы инсулина. После еды инсулин должен быстро поступить в кровь и сообщить всем клеткам нашего тела, что пора впитывать полученную еду (без подсказки они этого делать не будут). Если инсулин не будет выделяться – наступит смертельно опасная болезнь, диабет. Но чтобы инсулин мог попасть в кровь, клетки должны разом выбросить содержимое пузырьков наружу. Как достигается синхронность?

Еще пример: чтобы Леша не умер от столбняка, нужно, чтобы нейрон-”расслабитель”, как обычно, мгновенно выбросил из своих пузырьков в щель между нейронами сигнальные молекулы и затормозил нейрон-”активатор”. Но пузырьки приплывают к концу нейрона медленно и порознь – по мере изготовления сигнального вещества и нахождения края клетки. Как же достигается мгновенность выбрасывания?




Томас Зюдхоф – третий нобелиат этого года – открыл еще одну замечательную машину в клетках (тоже у мышей, хотя теперь мы знаем, что она есть во всех на свете клетках). Оказалось, что «замки» и «ключи» не просто ищут друг друга. Около «замков» еще стоят молекулы третьего типа, их можно назвать «диспетчерами». «Диспетчеры» умеют ловить особые сигналы извне и разрешают «ключам» входить в «замки» только по сигналу, когда будет пора. Если вернуться к примеру с нейронами, пузырьки накапливаются на конце нейрона постепенно – а вот когда приходит сигнал с предыдущего нейрона, срабатывает «диспетчер» (зеленая машинка на рисунке внизу), «ключи» входят в «замки», и вещество выбрасывается в щель между нейронами – чтобы возбудить следующий нейрон. Кстати, это произошло прямо сейчас в ваших нейронах - когда вы поняли мою мысль и у вас в голове зажглась лампочка “Ага!”



Получилось, что эти трое ученых, каждый по своему, разгадали суть работы всей системы транспорта веществ в любых на свете клетках. «Ключи», «замки», «диспетчеры», гены, которые несут чертежи устройства всех этих трех вещей (для передачи в череде поколений), - вместе эти элементы создают отлаженную почту. Клетка – это не кастрюля с супом, где вещества болтаются хаотично. Клетка размечена рельсами на районы и отделы, и пузырьки несут вещества в строгом порядке, помеченными. Вещества доставляются по адресу, и разгрузка происходит ровно тогда, когда нужно. Многие болезни происходят от конкретных поломок в этой системе, и теперь ученые смогут открыть лекарства, которые лечат эти болезни.

Загрузка плеера

транспорт пузырьков в клетках корешка растения

Клетки бесконечно сложны и хранят множество тайн – так что впереди еще не одна нобелевская премия. Ученым потребуется невероятное упорство и везение, чтобы открыть эти тайны. Когда сотрудник Нобелевского комитета дозвонился до Томаса Зюдхофа, чтобы сообщить ему новость о присуждении премии, тот сказал одну фразу, в которой выдал главный секрет нобелевского открытия. Вообще, звонок застал ученого врасплох. В понедельник Зюдхоф ехал за рулем по Испании и когда услышал новость, он сказал: «Вы что, серьезно?!» Остановился, чтобы ни во что не врезаться, перевел дух. Разговор поначалу не очень клеился – на записи ( http://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=1953 ) слышно, как растерян Зюдхоф (Шекман после такого же звонка принялся танцевать с женой по кухне, а Ротман отправился в душ, чтобы придти в себя). Но в конце Зюдхоф произнес фразу, наполненную очень сильным чувством: «Вы не можете себе представить, как я люблю делать то, что я делаю». Вот это – главное. Найти такое дело, и заниматься им всю жизнь – этот рецепт если не гарантирует получение Нобелевской на 100%, то, по крайней мере, сделает любого очень и очень счастливым.