[Rukavishnikov_A.I.]_Azbuka_raka(BookFi.org)

3. Е3 распознаѐт белок-мишень, который должен быть уничтожен. Он принимает убиквитин от Е2, соединяется с белком-мишенью и «пришивает» к

нему цепочку убиквитина (Рис. 1).

Рис. 1. Этапы образования цепочки белка-убиквитина и присоединения к нему белка-мишени (цит. и рис. из работы Е.Б. Абрамова, В.Л. Карпов, 2003).

4. Цепочку убиквитина узнаѐт субъединица специального регулятора и связывается с ней, а значит с белком-мишенью. Этот процесс также требует АТФ.

Линейная молекула белка-мишени протягивается через регулятор, иг-

рающего роль «молекулярных ворот» протеасомы и через отверстие проникает в центральную камеру.

Белок-мишень расщепляется на полипептиды короткой длины, они вы-

свобождаются из протеасомы и в цитоплазме разрушаются протеазами до ами-

нокислот. Цепочка молекул убиквитина перед входом в протеасому отделяется и разрушается протеазами на мономеры (Рис. 2).

60

За открытие «убиквитин-опосредованного расщепления белков» в клетке,

названные трое учѐных, в 2004 г. были награждены Нобелевской премией.

Зная роль убиквитина в том или ином процессе в нормальной клетке,

можно понять молекулярные причины возникновения определенных болезней.

Влиянием на этот процесс при болезни, можно достигать еѐ излечения, а также осуществлять профилактику болезни. Основным условием разработки методов лечения и создания лекарств является, конечно, понимание того, какой белок или белки являются причиной данной болезни.

В информации о вручении Нобелевской премии учѐным, а также после этого ряд учѐных сделали акценты на возможные пути применения в медицине этого открытия.

1. При вручении премии учѐным было отмечено, что понимание убикви-

тина приведѐт к созданию новых видов лекарств. Учѐные будут изменять про-

цесс, предотвращая выход из строя белков, либо заставляя клетку уничтожать те из них, которые приводят к болезням.

2. Р. Айкеда: «Открытие учѐных имеет очень важное применение. Оно особенно важно, поскольку показало, что разрушение составных частей клетки поддаѐтся контролю. Каждый из элементов клетки должен оставаться в ней оп-

ределѐнный отрезок времени, а потом выведен вовне подконтрольно, иначе он может стать канцерогеном».

3. Открытие, сделанное этими учѐными, привело к созданию средства от рака в США под названием Velcade.

Как подчѐркивают учѐные, этот препарат «бьѐт прицельно по больным клеткам. Ранее при лечении рака клетки убивались неизбирательно, что зачас-

тую приводило к тяжѐлым осложнениям и летальным исходам».

4. В. Грибанов: «Открытие лауреатов позволило понять на молекулярном уровне механизм регуляции ремонта ДНК, транскрипцию гена и управление качеством синтезируемых клеткой белков. Они также пролили свет на возник-

новение дефектов иммунной системы, которые приводят к ряду тяжѐлых бо-

лезней, включая рак».

62

5. Наши учѐные Е.Б. Абрамова, В.Л. Карпов (2003). «Сбои в деградации белков протеасомой нарушают равновесие между пролиферацией и апоптозом и этим служат причиной разных болезней». Они делят болезни на две группы:

болезни, «обусловленные тем, что деградационная система не работает, и бо-

лезни, которые возникают из-за усиления еѐ функции. Первые – это результат стабилизации субстратов», т.е. белков-мишеней, быстро разрушаемых в норме, «вторые, наоборот, аномально быстрого распада белков-мишеней».

a) Регуляция клеточного цикла. Клеточный цикл состоит из нескольких фаз, их смена регулируется белками-циклинами. Так как каждую фазу регули-

рует свой регулятор, – белок-циклин, жизнь его должна быть короткой. Это де-

лает 26S протеасома.

Белки-циклины в качестве метки для узнавания ферментом Е3 содержат разные участки в молекуле белка-циклина. Узнанный «по той или иной метке» регуляторный белок, т.е. циклин «сшивается» своим ферментом из семейства Е3 с убиквитиновой цепочкой и разрушается 26S протеасомой. Исходя из этого,

учѐные подчеркивают, что «сбой в еѐ работе вызовет остановку клеточного цикла в той или иной фазе».

б) Перерождение нормальной клетки в раковую клетку. В нормальной клетке белки скорости транскрипции, определяют во многих случаях судьбу этой клетки: станет ли делиться как нормальная клетка, пойдѐт ли по пути бес-

контрольного деления, как раковая клетка, или будет разрушена, как опасная клетка.

Поэтому регуляторные белки могут быть или белками, вызывающими не-

контролируемое деление клетки, или, наоборот, белками-онкосупрессорами.

Пример. Белок р53. Его уровнем в нормальной клетке удерживается рав-

новесие между делением и апоптозом. Но ситуация может меняться, например,

при заражении человека вирусом папилломы. Его белок Еб находит белок р53 и

подаѐт сигнал ферменту Е3 присоединить к р53 цепочку убиквитинов. Фермент выполняет свою функцию, и р53 становится белком-мишенью для деградации

63

протеасомой. В результате его быстрого разрушения нормальная клетка пере-

рождается в раковую.

в) Иммунная система. 26S протеасома участвует в иммунном ответе клет-

ки. Она расщепляет аномальные или чужеродные белки до полипептидов, неко-

торые из них – короткой длины аминокислот, выставляет в качестве антигенов.

Такие полипептиды в цитозоле клетки соединяются с белком-транспортѐром и переносятся в эндоплазматический ретикулум. Там они взаимодействуют с белками МНС1 и переносятся на поверхность клетки. Как незакодированные в геноме этой клетки белки-антигены, их обнаруживают Т-клетки иммунной сис-

темы и разрушают эти клетки, так как в них синтезируются необычные для них белки.

6. Исследования учѐных из разных стран показали, что от того, как функ-

ционирует в клетке белок-убиквитин, которого некоторые учѐные называют клеточный «дворник», зависит продолжительность фаз деления клеток, т.е. кле-

точный цикл, репликация ДНК перед делением клетки, структура хромосом. И

когда в работе «дворника» случаются неполадки, возникают тяжѐлые болезни.

Так, сбой в деградации белка, отвечающего за разделение хромосом в процессе деления клетки, приводит к неправильному числу хромосом в дочер-

них клетках. Это может быть причиной превращения нормальной клетки в ра-

ковую клетку, а также вызывать другие болезни.

Понимание молекулярного механизма разрушения «ненужных» белков может быть полезно для лечения рака и ряда других болезней путѐм уничто-

жения определенного белка введением протеасомных стимуляторов. В других случаях, уменьшать или увеличивать содержание того или иного белка в де-

фектной или больной клетке.

Итак, процесс распада молекул белка в клетке интересовал учѐных в те-

чение многих десятилетий значительно меньше, чем синтез белка.

Теперь оказалось, напрасно: нарушения в молекулярных механизмах расщепления белков в клетке, а значит, в организме человека, могут привести к последствиям не менее тяжѐлым, чем сбои в синтезе новых молекул белка.

64

Учѐные открыли такой молекулярный механизм, который может ликви-

дировать угрозу любой болезни в зародыше, уничтожая опасные белки.

По этой причине Шведская академия наук заявила, что это открытие в будущем «даст возможность побороть рак: знания химических механизмов по-

могут создать нужные лекарства».

65

Глава 3. Нормальная соматическая клетка

3.1. Смертность нормальной соматической клетки: молекулярные

причины

В 1891 г. известный биолог А. Вейсманн (A. Wesmann) впервые предпо-

ложил, что соматические клетки животных и человека «должны иметь ограни-

ченный потенциал деления», т.е. они смертны. Но учѐный не дал подтвержде-

ний этому предположению.

Знания о том, что соматическая клетка того или иного типа у человека смертна или бессмертна очень важно для понимания раковой клетки.

Для решения вопроса – смертна или бессмертна сама по себе нормальная клетка, имеются два метода:

1) нормальную клетку после выделения из ткани организма можно пе-

ренести на питательную среду, т.е. в культуру и проследить еѐ способность к размножению;

2) нормальную клетку из ткани организма можно пассировать на изоген-

ных лабораторных животных, пометив еѐ специфическим маркером для от-

личия от нормальных клеток хозяина.

По наличию размножения клетки можно сделать вывод – смертна или бессмертна нормальная клетка.

В начале XX в. А. Каррель – известный специалист по культуре клеток, –

изучал этот вопрос в культуре фибробластов, взятых из сердца цыпленка.

По его данным, фибробласты в культуре имели неограниченную способ-

ность к размножению, т.е. они бессмертны. Это было признано открытием. Но оно просуществовало до 1961 г., когда было доказано, что это не так.

В 1961 г. Л. Хейфлик и П. Мурхед (Hayflick L. and Moorhead P.S.) на нор-

мальных фибробластах от человека показали ограниченную способность фиб-

робластов в культуре к делению, т.е., что они смертны. Перед началом своих опытов они исключили все артефакты и неадекватные условия культуры для изучаемых клеток.

66

В этих опытах учѐные обнаружили, что фибробласты от эмбриона чело-

века были живыми, т.е. удваивались в числе, в среднем до 50±10 раз. Чем стар-

ше донор, тем меньше удвоений делали взятые от него клетки. Фибробласты от человека 20 лет, уже делились только 30±10 раз. К концу среднего срока ни од-

на клетка уже не делилась, и клетки гибли. Этим было доказано, что нормаль-

ные клетки человека имеют ограниченную продолжительность жизни.

Предел числа деления нормальной клетки – 50±10, в литературе стали обозначать словами – «лимит Хейфлика».

В другом опыте учѐные хранили часть клеток в жидком азоте при темпе-

ратуре –190° ниже нуля. В таких условиях клетки могут храниться сколько угодно. Но как только фибробласты оттаивали и помещали в питательную сре-

ду, они снова начинали делиться. При этом оказалось, что клетки «считают»,

сколько удвоений у них было до того, как их поместили в холодильную камеру,

так как доводят число удвоений до положенного значения – 50±10. Например,

клетки, помещѐнные на хранение после 30 делений, удваивались ещѐ, но только

20 раз. Это означает, что причина ограниченного числа делений нормальной клетки, а затем еѐ смерть, является «внутренним свойством» самой клетки. Но какая причина делает клетки неспособными к делению и затем приводит их к смерти, учѐные не смогли установить.

На основе анализа процесса репликации ДНК, проф. А.М. Оловников – предположил, что с каждым делением клетки «как-то меняется длина еѐ ДНК».

Если это так, то причина «лимита Хейфлика» должна быть в процессе, который происходит в области концов каждой из цепей ДНК во время еѐ удвоения перед делением клетки. Так он в 1971 г. впервые в мире предсказал причину ограни-

ченного числа деления нормальной клетки, предложив гипотезу – «маргиното-

мии». От лат. слова ―margo‖ – край и греч. ―tome‖ – отсечение, то есть усечение копии ДНК с краѐв.

Цепи ДНК расходятся, и на каждой из цепей достраивается еѐ копия с помощью фермента ДНК-полимеразы. Ясно, что цепь исходной ДНК – это ма-

трица, по ней строится дочерняя цепь путѐм комплементарного связывания азо-

67

тистых оснований. В результате перед делением клетки удваивается ДНК, а с

этим и хромосома.

Всвоей гипотезе учѐный исходил из того, что фермент ДНК-полимераза

–это не «точка», а объѐмная молекула. Еѐ каталитический центр достраивает дочернюю цепь ДНК, но занимает «лишь ничтожную часть молекулы». Ос-

тальные участки фермента каталитически неактивны. С их помощью фермент узнаѐт матрицу и движется по ней, но в копировании цепи ДНК эти участки «не заняты».

По причине неактивных участков фермент синтезирует копию цепи: «ли-

бо не с самого начала матрицы (Рис. 1), либо не до самого еѐ конца» (Рис. 2). В

результате дочерняя цепь получается короче, чем матрица. Поэтому после каж-

дого деления дочерние клетки получают «в наследство» всѐ более короткие мо-

лекулы ДНК. В этом и заключается «усечение копии ДНК с краев».

Еще в 1932 г. Нобелевский лауреат Г. Мюллер задолго до открытия ст-

руктуры ДНК, понял, что концевые участки хромосом содержат материал, за-

щищающий проксимально расположенные гены от разрушения. Он назвал эти концевые структуры теломерами (от греч. – telos – конец, meros – часть, доля).

Рис. 1. Схема проксимальной маргинотомии ДНК. а1 – молекула ДНК-

полимеразы с «правокраевым» расположением каталитического центра (рис. и

цит. по: А.М. Оловников, 1971).

68