Нобелевская премия 2013 года в области Физиологии и медицины присуждена: Джеймсу Ротману, Рэнди Шекману и Томасу Зюдхофу за открытия в области исследования транспортной системы в клетках

В 2013 году Нобелевскими лауреатами стали трое ученых, которым удалось разгадать загадку внутриклеточной транспортной системы. Каждая клетка является своеобразной фабрикой по производству и экспорту молекул. Таким образом вырабатывается и выбрасывается в кровь инсулин, и химические сигналы, называемые нейромедиаторами, передаются от одной нервной клетки к другой. Транспортировка этих молекул осуществляется в небольших «упаковках», называемых везикулами. Трем Нобелевским лауреатам удалось выявить молекулярные принципы, которые управляют процессом переноса этого «груза» для своевременной доставки в нужный участок клетки.

Рэнди Шекман открыл набор генов, необходимых для осуществления движения везикул. Джеймс Ротман обнаружил белковый механизм, который позволяет пузырькам соединяться с так называемыми мишенями для обеспечения переноса «груза». Томас Зюдхоф выявил, каким образом пузырьки направляются именно в необходимый участок клетки.

Открытия Ротмана, Шекмана и Зюдхофа проливают свет на удивительно точную систему контроля транспортировки и доставки клеточного «груза». Нарушения этой системы могут оказывать губительный эффект и вызвать диабет, ряд неврологических и иммунологических заболеваний.

Как происходит доставка «груза»

В работе крупного порта крайне важно, чтобы транспортная система обеспечивала своевременную доставку груза в нужном направлении. Клетка, с ее различными составляющими, так называемыми органеллами, сталкивается с такой же проблемой: клетки производят такие молекулы как гормоны, нейромедиаторы, цитокины и ферменты, которые необходимо в определенный момент доставить в другие части клетки или вывести из нее. Время и локализация играют крайне важную роль. Небольшие везикулы, внешне напоминающие пузырьки и окруженные мембранами, курсируют между органеллами или соединяются с внешними мембранами клеток и выводят свой «груз» из клетки. Этот процесс крайне важен, так как он запускает нервную активацию в случае с медиаторными веществами и контролирует метаболизм в случае с гормонами. Каким образом везикулы понимают, куда и когда необходимо доставить этот «груз»?

Генетический контроль нарушений транспортировки

Рэнди Шекман был крайне впечатлен системой организации внутриклеточной транспортировки и еще в 1970-ых решил исследовать генетическую основу данного процесса, использовав дрожжи в качестве модели. Генетический анализ выявил, что в результате нарушений механизмов транспортировки в дрожжевых клетках возникало нечто подобное ситуации плохо организованной системы общественного транспорта. Везикулы скапливались только в определённых частях клетки.  Он также обнаружил, что причины данного явления носили генетический характер и продолжил исследования, чтобы выявить мутировавшие гены. Шекман выделил три класса генов, которые контролируют различные аспекты внутриклеточной транспортировки, тем самым объяснив тщательно регулируемый механизм, который осуществляет внутриклеточную транспортировку.  

Точное соединение

Джеймс Ротман  был также заинтересован природой системы клеточной транспортировки. При изучении транспортировки везикул в клетках млекопитающих в 1980ых и 1990ых, Ротман обнаружил, что белковые комплексы позволяют везикулам соединяться с целевыми мембранами. В процессе соединения белки и целевые мембраны связываются друг с другом как половинки застежки типа «молния». Тот факт, что существует целый ряд таких белков, и они соединяются только в определенные комбинации, позволяет предположить, что «груз» доставляется только в конкретные участки. Тот же принцип действует внутри клетки, и когда везикула соединяется с внешней мембраной клетки для высвобождения ее содержимого.

Оказалось, что некоторые из генов, которые открыл Шекман при работе с дрожжами, кодировали белки, соответствовавшие тем, которые Ротман выявил в организмах млекопитающих, что проливало свет на эволюционное происхождение  транспортной системы. Вместе они определили компоненты, ответственные за механизмы внутриклеточной транспортировки.

Временная регуляция

Томас Зюдхоф  занимался изучением взаимодействия нервных клеток в мозге. Сигнальные молекулы, нейромедиаторы, высвобождаются при соединении везикул с внешней мембраной нервных клеток, согалсно механизму, открытому Ротманом и Шекманом. Однако эти везикулы способны высвобождать свое содержимое только тогда, когда нервная клетка подает сигнал своим соседям. Как осуществляется столь точная регуляция этого высвобождения? Было известно, что в этом принимают участие ионы кальция, и в 1990ых Зюдхоф занялся поиском чувствительных к кальцию белков в нервных клетках. Он выявил молекулярный механизм, реагирующий на поступление ионов кальция и направляющий соседние белки для связывания с внешней мембраной нервной клетки. «Застежка» раскрывается, и происходит высвобождение сигнальных веществ.  Открытие Зюдхофа объяснило, за счет чего достигается временная точность, и каким образом содержимое везикулы высвобождается именно тогда, когда это нужно.

Внутриклеточная транспортировка проливает свет на механизмы заболеваний

Трое Нобелевских лауреатов раскрыли фундаментальный процесс клеточной физиологии. Эти открытия оказали огромное влияние на понимание того, как осуществляется доставка «груза» внутри и за пределами клетки. Везикулярная транспортировка и соединение осуществляются по единому общему принципу в столь разных организмах как дрожжи и человек. Эта система является неотъемлемой для ряда физиологических процессов, в которых необходимо контролирование процесса соединения, от подачи сигналов в мозге до выделения гормонов и иммуноцитокинов. Нарушения внутриклеточной транспортировки выявляются при различных заболеваниях, включая ряд неврологических и иммунологических заболеваний, а также при диабете. Без этой удивительно точной организации, в клетках бы происходил хаос.    

Джеймс Ротман родился в 1950 в г.Хейверхилл, Массачусетс, США. Получил ученую степень в Гарвардской медицинской школе в 1976 году, обучался в постдокторантуре Массачусетского технологического университета, а в 1978 году стал сотрудником Стэнфордского университета Калифорнии, где он начал проводить исследования функционирования клеточных везикул. Ротман также работал в Принстонском университете, Раковом Интституте Слоун-Кеттеринг и Университете Колумбии. В 2008 году стал сотрудником  профессором факультета, а также заведующим кафедрой клеточной биологии Йельского университета в городе Нью-Хэвен, Коннектикут, США.   

Рэнди Шекман  родился в 1948 году в городе Сент-Пол, Миннесота, США. Обучался в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе и Стэнфордском университете, где получил ученую степень в 1974 году под руководством Артура Корнберга (Нобелевская премия 1959) на той же кафедре, сотрудником которой стал Ротман несколькими годами позже. В 1976 году, Шекман стал сотрудником Университета Калифорнии в Беркли, где он и по сей день является профессором кафедры молекулярной и клеточной биологии.  Шекман также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза.

Томас Зюдхоф родился в 1955 году в городе Гёттинген, Германия. Обучался в Гёттингенском университете, где получил ученую степень в 1982 году и в этом же году ему было присвоено звание доктора наук в области нейрохимии. В 1983 году он поступил в постдокторантуру Юго-западного медицинского центра Техасского Университета в Далласе, Техас, США, с Майклом Брауном и Джозефом Гольдштайном (Лауреаты Нобелевской премии 1985 года в области Физиологии и медицины). В 1991 году Зюдхоф стал исследователем Медицинского института Говарда Хьюза, а в 2008 году стал Профессором Молекулярной и клеточной физиологии Стэнфордского университета.