«ПОЦЕЛУЙ СМЕРТИ» ВО ИМЯ ЖИЗНИ

«Поцелуй смерти» – именно так израильские ученые Арон Кичановер и Аврам Хершко, а также Ирвин Роуз из США назвали свою работу, в которой объяснили, каким образом живые организмы сохраняют свое существование, вовремя избавляясь от ненужного балласта. Речь идет не о знакомом всем явлении, сопровождающем пищеварение, а о процессах, протекающих в живой клетке.

Созидание привлекательнее разрушения

Вторая половина ХХ столетия отмечена многими значительными достижениями в науке, среди которых особое место занимает изучение той роли, которую играют в живом организме нуклеиновые кислоты (кто не слышал о знаменитой ДНК?).

Механизм синтеза белков в живом организме с участием нуклеиновых кислот за несколько десятилетий исследован весьма детально, он представляет собой сложный и в то же время необычайно привлекательный процесс. Синтез белка протекает внутри своеобразного биокомплекса – белкового образования, называемого рибосомой. По существу, это небольшая фабрика для сборки белковых молекул из аминокислот строго по определенной схеме, что напоминает работу пишущей машинки, печатающей нужные буквы в намеченном порядке.

Всеобщий интерес ученых к процессам сборки белковых молекул оттеснил на задний план выяснение того, как же происходит их демонтаж. Изучено было лишь разрушение так называемых внеклеточных белков, например, поступающих в организм с пищей. При этом было установлено, что белки, усваиваемые в пищеварительном тракте (совместно с другими продуктами питания), поставляют энергию, необходимую для существования организма. Что же касается белков, возникающих и работающих внутри живой клетки, то механизм их уничтожения был мало кому интересен.

Тем не менее в живом организме существуют хорошо отлаженные процессы расщепления белков на малые фрагменты, из которых организм затем вновь собирает в рибосоме другие нужные ему белки. Срок жизни белков в организме определяется их ролью. Например, белки, входящие в состав хрусталика глаза, сохраняются неизменными в течение десятилетий, другие нужны организму в течение нескольких минут только для того, чтобы запустить нужный процесс, после чего они должны быть разрушены, иначе их действие окажется губительным. Свыше 20% белков, присутствующих в организме, имеют время жизни от нескольких часов до нескольких дней.

Трое упомянутых ученых, несмотря на всеобщий интерес к синтезу белков, пошли «в обратную сторону», т.е. заинтересовались разрушением белков. Их исследования помогли понять, каким же образом протекает этот не менее важный для организма процесс.

Фабрика разрушения

К моменту, когда триада этих ученых начала проводить исследования (это произошло около 30 лет назад), о процессах разрушения белков внутри клетки было известно немного. Если фабрика по производству белков – это рибосома, то фабрику, разрушающую белки, называют протеосомой. Она так же, как и рибосома, представляет собой специальное белковое образование – биологический комплекс в виде емкости цилиндрической формы, собранной из колец. Внутри расположен канал, на поверхности которого находятся активные центры, расщепляющие белки (рис. 1). Снаружи этот канал закрыт торцевыми подвижными крышками.

В каждой клетке находится несколько тысяч протеосом, и все они предназначены природой для расщепления белка.

Какое-то время ученые полагали, что белковой молекуле попасть в этот «утилизирующий контейнер» довольно просто. Однако если бы все было так, то любой белок, в том числе и нужный, попавший во «чрево» протеосомы, уничтожался бы. К тому же было неясно, почему туда попадает не любой, а строго определенный белок, именно тот, который следует утилизировать.

Новая роль старого знакомого

Ранее было сказано, что процессы расщепления белков в пищеварительном тракте (вместе с остальными продуктами) протекают с выделением энергии. В начале изучения процессов разрушения внутриклеточных белков Кичановер, Хершко и Роуз обратили внимание на одно необычное обстоятельство: расщепление белков в клетке протекает не с выделением, а с поглощением энергии. На это указывал следующий факт. Расщепление клеточных белков протекало только в присутствии аденозинтрифосфата (сокращенно АТФ – вещество, представляющее собой универсальный источник энергии для всех биохимических процессов), а в отсутствии АТФ расщепление не протекало. Результаты столь простых по замыслу и незатейливых по исполнению экспериментов вначале не заинтересовали никого из коллег-биохимиков, но именно эти опыты привели к последующим широкомасштабным исследованиям.

Заинтересовавшись найденным явлением, упомянутые ученые провели более детальное его изучение и установили, что разрушение протекает в присутствии еще одного белка, обладающего высокой активностью. Оказалось, что это уже известный белок, открытый в 1970-х гг. американским биохимиком Г.Голдстейном и получивший название убиквитин (от лат. ubique – вездесущий), поскольку его находили во многих тканях и органах.

К началу описываемой работы убиквитин был хорошо изучен. Этот белок содержит 76 аминокислотных остатков, его относительная молекулярная масса сравнительно невелика, немногим более 8 тыс. единиц, он весьма стабилен, и участие в различных биохимических процессах не приводит к изменению его структуры. На рис. 2 показано строение этого белка в виде шаростержневой модели, а также его третичная структура, т.е. упаковка отдельных участков цепи. Молекула содержит одно спиральное образование (-спираль) и четыре плоских ленты
(-структуры).

Несмотря на то, что убиквитин находили во многих клетках живых организмов и строение было установлено, роль его в биохимических процессах была не ясна.

Авторы работы высказали мысль, что решающая стадия в процессе утилизации белков – присоединение убиквитина к тому белку, который необходимо уничтожить. Последующие исследования это подтвердили. Было установлено также, что вход в протеосому (фабрику уничтожения) обычно закрыт. Попасть в нее может только тот белок, который отмечен специальной меткой, в этом случае вход в протеосому открывается. Роль такой «черной» метки играет убиквитин. Именно этот процесс прикрепления убиквитина к молекуле белка, подлежащего уничтожению, авторы и назвали «поцелуй смерти».

Входя в протеосому, полимерная цепь уничтожаемого белка разворачивается и «протягивается» через центральный канал цилиндра, при этом она гидролизуется и распадается на мелкие звенья (иногда вплоть до отдельных аминокислот), которые выводятся из противоположного отверстия протеосомы. Сам убиквитин внутрь протеосомы не заходит, а после уничтожения отмеченной молекулы освобождается и начинает метить другую молекулу (рис. 3–5).

Рис 3. Модели молекул различных белков в живой клетке

Рис 4. Присоединение убиквитина к одному из белков

Рис. 5. Уничтожение помеченного белка в протеосоме

Этот необычный процесс выглядит еще более эффектно, если учесть, что в некоторых случаях к уничтожаемому белку присоединяется не одиночная молекула убиквитина, а сразу несколько молекул, связанных между собой, как бусинки на нитке (рис. 6).

Рис. 6. Цепочка из молекул убиквитина, присоединенная к молекуле уничтожаемого белка

Перед тем как присоединиться к белку, который следует разрушить, убиквитин активируется с помощью специального фермента (биологического катализатора). Именно на этой стадии требуется затрата дополнительной энергии, которую поставляет упомянутый ранее АТФ. Таким образом, получил объяснение тот факт, с которого, собственно говоря, и началось изучение всего этого механизма.

Результаты проведенных исследований позволили понять некоторые не разгаданные ранее особенности развития живых организмов. Например, растения в цветке содержат как отцовские клетки (пыльца), так и материнские (расположены в пестике цветка). Поскольку они находятся рядом, то, казалось бы, самоопыление неизбежно, а это должно приводить к генетическому вырождению и вымиранию вида. Оказалось, что убиквитин помечает белки собственной пыльцы, что приводит к их уничтожению, а пыльца, попавшая в цветок в результате перекрестного опыления, убиквитином не затрагивается.

В процессе деления клетки ее ДНК удваиваются, все это время специальный белок наподобие шнура удерживает рядом друг с другом удваивающуюся пару. После того как удвоение произошло, молекулы ДНК должны разойтись. Следовательно, белок, удерживающий их вместе, должен быть уничтожен, иначе процесс дальнейшего развития остановится. В этот момент на сцену выходит убиквитин, ответственный за удаление ненужных белков.

Схема некоторых биохимических процессов напоминает работу устройств с взаимотормозящими противовесами. В иммунных клетках организма присутствует белок, который включает действие иммунной системы, уничтожающей проникший в клетку вирус. В нормальном состоянии действие этого белка заторможено другим белком – ингибитором (замедлитель). Если в клетку попадает вирус, то активизируется убиквитин, который начинает метить белок – ингибитор. Уничтожение ингибитора ведет к тому, что вступает в действие заторможенный ранее белок, запускающий иммунную систему. В результате вирус уничтожается.

Разработанный убиквитиновый механизм открывает новые перспективы в борьбе с различными заболеваниями. Образование злокачественных образований или ослабление иммунной системы клетки так или иначе связаны с нарушением убиквитиновой защиты клетки от нежелательных белков. Процессы ненормального или неправильного расщепления белков приводят ко многим заболеваниям (например, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, некоторые онкологические заболевания), а также связаны с процессами старения организма. Изученный механизм убиквитиновой защиты открывает возможность поиска различных воздействий на этот механизм с тем, чтобы запускать его в нужную сторону. Очевидно, что затормозить действие убиквитина можно, например, снизив концентрацию АТФ, поставляющего энергию, необходимую для протекания процесса. По существу, это использование того эффекта, с открытия которого началась вся эта работа. Возможны и другие способы воздействия на процесс. В настоящее время ведутся интенсивные разработки различных лекарственных препаратов, основанные на понимании механизма убиквитиновой защиты. В 2004 г. в США было начато производство первого такого препарата – антиракового средства Velcade. Другое реализованное применение – создан надежный тест на бесплодие мужчин, использующий анализ на присутствие убиквитина.

Об авторах премированной работы

История химии хранит не только результаты замечательных открытий, но и некоторые биографические сведения об их авторах. Рассказывая об основных научных достижениях Д.И.Менделеева, биографы обязательно упоминают, что любимым видом отдыха для него было изготовление чемоданов. В результате продавцы различных исходных материалов и полуфабрикатов для изготовления чемоданов полагали, что Менделеев – известный чемоданных дел мастер. Точно так же биографы А.М.Бутлерова всегда отмечают, что он увлекался пчеловодством. История химии не стоит на месте, она пишется также и в наши дни, а потому рассказ об убиквитиновой защите будет неполным, если не привести некоторые биографические сведения об авторах этой замечательной работы – лауреатах Нобелевской премии 2004 г. по химии.

* * *

РОУЗ Ирвин родился 16 июля 1926 г. в Бруклине (район Нью-Йорка). Его мать была уроженкой Венгрии, а семейство отца происходило родом из Одессы. Среди его родственников, занимавшихся юриспруденцией или предпринимательством, не было никого, кто мог бы посоветовать ему заняться научной работой. Выбор будущей профессии он сделал самостоятельно. Образование Роуз получил в вашингтонском колледже, после чего он проходил военную службу в американском флоте радиотехником. Его служба совпала с окончанием второй мировой войны.

В 1948 г. он получил степень бакалавра в университете г. Чикаго, там же в 1952 г. защитил диссертацию по биохимии. С 1954 г. по 1963 г. он работал в Йельской военно-медицинской школе, где изучал различные ферментативные реакции. В эти годы ученый впервые обнаружил, что расщепление внутриклеточных белков протекает с поглощением энергии – наблюдение, определившее всю последующую работу, в которой было изучено действие убиквитина.

С 1963 г. по 1995 г. Роуз работал в онкологическом центре Филадельфии. За время работы в этом центре он стал членом Национальной академии. Основную часть работы, отмеченной Нобелевской премией, Роуз выполнил в этом онкологическом центре. Сюда же ученый неоднократно приглашал для совместной работы двух соавторов премированной позже работы – Хершко и Кичановера. В результате четырехлетнего сотрудничества они сформулировали основные принципы работы убиквитиновой системы. В настоящее время Роуз работает в отделе физиологии и биохимии Калифорнийского университета.

Роуз женат, имеет дочь и трех сыновей. По воспоминаниям его соавтора Хершко, Роуз обладает блистательным талантом исследователя. Отличительная черта его характера – склонность к острым критическим замечаниям. Не колеблясь, он может дать резкую оценку работы, что постоянно было причиной настороженного отношения к нему со стороны коллег. В то же время он отличается исключительной скромностью. Для коллег всегда было большой проблемой получить его согласие стать соавтором публикации, несмотря на то, что его значительный вклад в совместную работу был очевиден. Он всегда приуменьшал свою роль в разработке убиквитинового механизма, принесшего ему Нобелевскую премию. В автобиографии, написанной им в 1995 г. по просьбе научного журнала «Protein Science», слово «убиквитин» не упомянуто ни разу.

ХЕРШКО Аврам родился 31 декабря 1937 г. в небольшом венгерском городке Карцаг, расположенном в 140 км восточнее Будапешта. Его отец был преподавателем в начальной школе, а мать давала уроки английского и уроки музыки жителям этого городка. После начала второй мировой войны, в которой Венгрия была союзницей Германии, отца призвали в армию. Он попал в плен и работал в Советском Союзе на принудительных работах, а в 1946  г. был освобожден.

В 1944 г. Аврам вместе с матерью и старшим братом, а также с сотнями других еврейских семей был отправлен в концлагерь Аусшвиц, где погибли, как выяснилось позже, многие родственники Хершко. По счастливой случайности поезд, в котором находилась семья Хершко, дошел до Австрии, где евреев не уничтожали, а использовали в качестве рабочей силы. В 1945 г. они были освобождены Советской Армией. После освобождения отца из плена вся семья в 1950 г. переехала в Израиль.

Некоторые усилия потребовались для того, чтобы все члены семьи выучили непривычный для них новый язык иврит. Вскоре отец стал вновь работать школьным учителем, а позже издал учебник математики, ставший популярным в Израиле. Братья получили среднее образование в платной частной школе. Юный Аврам Хершко был очень любознательным юношей и с одинаковым успехом постигал математику, физику, литературу и историю. Поскольку определенных устремлений не было, ему было трудно выбрать будущую специальность. В итоге он решил последовать за старшим братом Чеймом, который к тому моменту был студентом-медиком. В настоящее время Чейм Хершко – известный в Израиле специалист-гематолог (по заболеваниям крови).

В 1956 г. Аврам Хершко поступил в военно-медицинскую школу в г. Иерусалиме, где сразу же увлекся биохимией; причиной этого, как считает он сам, было великолепное преподавание. С 1960 г. он начал экспериментальные исследования по энзимологии в лаборатории военно-медицинской школы под руководством Джекоба Маджера, первоклассного биохимика с энциклопедическими знаниями и необычайной широтой научных интересов. После прохождения службы в армии (1965–1967) Хершко возвратился в лабораторию Маджера и в 1969 г. защитил диссертацию.

В 1963 г. он женился на уроженке Швейцарии Джудит Лейбович, которая приехала на стажировку по биохимии в Израиль. Став женой Хершко, она осталась здесь навсегда и некоторое время работала в биохимической лаборатории вместе с мужем.

В 1969–1971 гг. Хершко работал в отделе биохимии Калифорнийского университета (г. Сан-Франциско) под руководством Г.Томкинса. По воспоминаниям Хершко, это был человек с вулканическим темпераментом, постоянно генерировавший новые идеи. В это время Хершко впервые заинтересовался процессами разложения белка.

В 1971 г. он возвратился в Израиль, где возглавил биохимические исследования в военно-медицинской школе в Хайфе, через некоторое время его аспирантом стал Арон Кичановер (через 33 года их сотрудничество будет отмечено Нобелевской премией). Хершко вспоминает, что более трудолюбивого аспиранта у него не было. Кроме того, энергичный Кичановер настоял на том, чтобы Хершко обратился в Национальный американский фонд здравоохранения для получения финансовой поддержки. Работа Хершко и Кичановера была столь успешной, что такую поддержку от этого фонда они получали пять раз, это позволило заметно интенсифицировать работы в недавно созданной биохимической лаборатории.

На одной из встреч, организованной международным научным фондом Джона Фогарти, Хершко познакомился с уже известным в то время американским биохимиком Ирвином Роузом, специалистом по ферментативному катализу. Хершко поинтересовался, какое научное направление более всего привлекает Роуза, тот ответил – разложение белков. На вопрос озадаченного Хершко: «Почему же у вас нет ни одной публикации на эту тему?» – Роуз ответил: «Потому что ничего не сделано такого, что можно было бы опубликовать». Поскольку их интересы совпадали, Хершко попросил предоставить ему возможность поработать у Роуза в онкологическом центре Филадельфии.

Их совместная работа началась в 1978 г., вскоре к ним присоединился Кичановер, приехавший вслед за Хершко в лабораторию Роуза. В этом тройственном союзе успешно сочетались аналитический ум и оригинальное мышление Роуза, интуиция Хершко и тонкое экспериментальное мастерство Кичановера, они исключительно удачно дополняли друг друга.

В настоящее время Хершко работает в Израильском технологическом институте в г. Хайфе, изучая влияние убиквитиновой системы на процесс деления клетки.

По словам самого Хершко, он – очень удачливый человек. Его семья сумела избежать фашистского концлагеря, у него были замечательные наставники в науке, и он сумел использовать полученные знания для дальнейшего развития биохимии. По его словам, он счастлив, когда находится в кругу семьи, у него трое сыновей (двое медики, а третий – специалист по компьютерам) и шестеро внуков. Единственное его желание, чтобы наступили наконец мирные взаимоотношения между Израилем и соседними странами.

КИЧАНОВЕР Арон родился 1 октября 1947 г. в г. Хайфе (Израиль) за месяц до того, как Израиль был признан ООН независимым государством. Его отец был адвокатом, а мать – преподавателем английского языка. С детских лет Кичановер увлекался биологией, собирал гербарии, засушивал растения между страницами книг, учился извлекать спиртом хлорофилл из листьев растений. В 11-летнем возрасте он получил в подарок от старшего брата микроскоп. Это позволило ему проводить первые эксперименты. Под микроскопом он впервые увидел клетки растения в тонком срезе луковой мякоти, а затем наблюдал процесс набухания клеток при действии растворов различных солей – явление осмоса. Его интересовала также зоология, он коллекционировал скелеты различных животных – рыб, лягушек, змей, черепах.

Во время обучения в средней школе (1953–1963) его интересовала прежде всего биология. В то время это была скорее описательная, чем экспериментальная наука. Кичановер с интересом знакомился со строением клеток живых организмов, постигал основы биосинтеза глюкозы из СО₂ и Н₂О. Структура ДНК появилась в учебниках уже после того, как он окончил школу. После окончания школы каждому выпускнику необходимо было пройти службу в армии, к чему молодые израильтяне всегда относились с воодушевлением. Если же молодой человек хотел получить профессию, представлявшую интерес для армии, то ему давали возможность учиться далее.

В 1965 г. он поступил в Университетскую медицинскую школу в Иерусалиме. Постепенно у молодого студента-медика возникла неудовлетворенность занятиями медициной, прежде всего из-за того, что отсутствовали научные представления о механизме многих заболеваний. С 1969 г. Кичановер начал заниматься биохимией, первая его работа – изучение влияния фермента фосфатазы при различных заболеваниях печени. В 1972 г. он окончил медицинскую школу. К этому времени он уже твердо знал, что его призвание – биохимия. Коллеги посоветовали ему продолжить обучение у молодого талантливого биохимика Аврама Хершко, который незадолго до этого стал деканом факультета медицины Технологического института в г. Хайфе. С этого момента начинается их успешное сотрудничество, которое через 33 года было отмечено Нобелевской премией.

Вначале Кичановер совмещал занятия наукой с работой в клинике, поэтому часто работал в лаборатории вечерами и по ночам. В это время он занимался исследованием превращения фосфолипидов в организме. Полученное образование не отменяло необходимость последующей службы в армии. В течение трех лет он служил судовым врачом на военном корабле, периодически совмещая службу с чтением лекций по биохимии студентам медицинского университета. О годах военной службы он вспоминает с большим удовольствием, поскольку, по его словам, армия – плавильный котел, из которого выходишь, получая верных друзей на долгие годы.

В 1976 г., работая под руководством Хершко, Кичановер обратил внимание на то, что разложение дефектного гемоглобина протекает с поглощением энергии. Это было отправным пунктом масштабного исследования.

В 1979 г. Кичановер приехал в онкологический центр Филадельфии для проведения совместных исследований с признанным авторитетом в биохимии Ирвином Роузом. К этому моменту Хершко уже больше года работал вместе с Роузом. Произошло необычайно удачное и плодотворное соединение усилий трех специалистов. По словам Кичановера, именно знание и мудрость старшего коллеги Роуза помогли распутать клубок накопившихся к этому времени экспериментальных результатов.

1976–1981 гг. были наиболее результативными, именно тогда Кичановер совместно с Хершко и Роузом сформулировал основные принципы работы убиквитиновой системы.

В течение трех лет (1981–1984) Кичановер работал в Массачусетсском технологическом институте, а потом возвратился в Израиль и занял должность заведующего лабораторией в отделе биохимии Технологического института в г. Хайфе (там в свое время он получил высшее образование). Его последующие работы связаны с изучением убиквитиновой системы.

Работа в области биохимии требует настойчивости. При решении задачи ее следует либо расплетать, как путь в сложном лабиринте, либо постепенно отделять проблемы друг от друга, как слои от головки репчатого лука. Следует обращать внимание на малозначащие детали, не терять упорства и постоянно относиться критически к самому себе. Полезно не только сомневаться, но и постоянно обсуждать все неясности. Однако не всегда при этом следует считать чужое мнение безусловно верным, иногда надлежит не бояться «плыть против течения». По словам Кичановера, перечисленные правила он постиг не на лекционных занятиях, а работая вместе со своими учителями – соавторами премированной работы. Все эти принципы он старается передать своим студентам.

Кичановер полагает, что дальнейшее развитие современной медицины будет неизбежно тесно связано с успехами биохимии.

Кичановер и Хершко стали первыми израильтянами, удостоенными Нобелевской премии за научные открытия. До этого граждане Израиля получали только премии по литературе и Нобелевскую премию мира.

Случай достаточно редкий, когда Нобелевская премия присуждается за совместную работу команде из трех ученых, причем они представляют две различные, далеко отстоящие друг от друга страны – замечательный пример научного сотрудничества, преодолевающего любые расстояния.

М.М.Левицкий