Organizmy zwierząt, w tym ludzi, są uzależnione od tlenu, który pozwala im na przetworzenie pokarmu w energię. Podstawowe jego znaczenie było znane od stuleci, jednak naukowcy nie wiedzieli, w jaki sposób komórki dostosowują się do zmian stężenia tego pierwiastka. Tegoroczni nobliści odkryli, w jaki sposób mogą one wykrywać i dostosowywać się do zmieniającej się dostępności tlenu.

Do odkrycia tych podstawowych mechanizmów konieczne było zidentyfikowanie złożonej maszynerii molekularnej, która reguluje aktywność genów w odpowiedzi na różną dostępność tlenu. Badania przeprowadzone przez tegorocznych laureatów Nagrody Nobla ujawniły mechanizm jednego z najważniejszych procesów adaptacyjnych. Naukowcy ci stworzyli podstawę naszego zrozumienia, w jaki sposób tlen wpływa na metabolizm komórkowy oraz funkcje fizjologiczne organizmu. Ich odkrycia utorowały również drogę obiecującym nowym strategiom walki z wieloma chorobami. Szczególnie obiecujące perspektywy wykorzystania tych badań wiążą się z chorobami nowotworowymi.

Prace nad poznaniem regulacji procesów tlenowych w ludzkim organizmie 

W 1931 roku laureatem Nagrody Nobla został Otto Warburg. Komisja nagrodziła w ten sposób jego prace nad procesami enzymatycznymi odpowiedzialnymi za metabolizm tlenowy. Naukowiec odkrył cytochromy, będące cząsteczkami białkowymi uczestniczącymi w transporcie elektronów w procesie fosforylacji oksydacyjnej. Były to pierwsze nagrodzone Noblem badania dotyczące kontroli metabolizmu tlenowego.

Nagroda Nobla z fizjologii lub medycyny z 1938 roku trafiła do Corneille Heymansa za prace dotyczące poznania, w jaki sposób informacja o stężeniu tlenu we krwi trafia do mózgu. Naukowiec odkrył funkcje pełnione przez zatokę szyjną i kłębek szyjny w regulacji oddychania. Jest to istotny mechanizm, który powstał w procesie ewolucji w celu zapewnienia wystarczającej podaży tlenu tkankom i komórkom naszego organizmu.

Prace nad poznaniem ekspresji genu EPO, kontrolującego syntezę erytropoetyny 

Prace noblisty Gregga Semenza, na początku dotyczyły regulacji ekspresji genu EPO w odpowiedzi na spadek stężenia tlenu. Gen ten zawiera informacje dotyczące erytropoetyny, będącej hormonem zwiększającym produkcję czerwonych krwinek. Produkcja tej substancji jest jedną z podstawowych adaptacji fizjologicznych do niskiego stężenia tlenu w organizmie. Znaczenie tej kontroli hormonalnej było znane już na początku XX wieku, jednak to, w jaki sposób sam tlen kontrolował ten proces, pozostało tajemnicą. Naukowiec w swoich badaniach, wykorzystując myszy posiadające zmodyfikowany gen EPO, wykazał, że określone segmenty DNA znajdujące się w jego pobliżu pośredniczą w reakcji na niedotlenienie.

Kolejny tegoroczny noblista, Sir Peter Ratcliffe również zajmował się badaniem zależnej od tlenu regulacji genu EPO. Wykazał, że mechanizm wykrywania tego pierwiastka jest obecny praktycznie we wszystkich tkankach, a nie tylko w nerkach, gdzie jest wytwarzana erytropoetyna. Są to ważne ustalenia pokazujące, że mechanizm kontroli gospodarki tlenowej ma charakter ogólny i jest obecny w wielu różnych typach komórek.

Semenza postawił sobie za cel zidentyfikowanie składników pośredniczących w tej odpowiedzi. W hodowanych in vitro komórkach wątroby odkrył kompleks białkowy, który wiąże się ze zidentyfikowanym wcześniej przez naukowca segmentem DNA. Proces ten okazał się zależny od tlenu. Kompleks białkowy został nazwany czynnikiem indukowanym przez hipoksję (HIF).

Od tego momentu rozpoczęły się intensywne próby oczyszczenia kompleksu HIF. Odkryto, że HIF składa się z dwóch różnych białek wiążących DNA. Zostały one nazwane HIF-1alfa i ARNT. Był to początek prac naukowców nad rozwiązaniem zagadki, do czego potrzebne są te elementy i jak działa cały mechanizm kontroli. Odkryto, że gdy poziomy tlenu są wysokie, komórki zawierają bardzo mało HIF-1alfa. W momencie, gdy poziom tlenu spada, stężenie tego białka wzrasta. W takiej sytuacji HIF-1alfa wiąże się z genem EPO oraz pozostałymi genami z segmentami DNA łączącymi się z HIF.

Jednocześnie odkryto, że przy normalnych warunkach tlenowych w komórce HIF-1alfa, ulega ona bardzo szybkiej degradacji. Dzieje się tak na skutek pracy proteasomu, czyli dużego agregatu enzymatycznego służącego do rozkładania białek. W sytuacji niedotlenienia HIF-1alfa jest chroniony przed rozkładem. Dzięki temu wzrasta jego stężenie.

Okazało się, że za kierowanie omawianego białka do degradacji odpowiada mały peptyd o nazwie ubikwityna. Jest to dość uniwersalny znacznik, przyłączający się do białek przeznaczonych do likwidacji w komórce. Proteasom rozpoznaje tak oznaczone struktury i je degraduje. To, w jaki sposób ubikwityna łączy się z HIF-1alfa w zależności od stężenia tlenu, wciąż stanowiło tajemnicę dla naukowców.

Przełomowe odkrycie VHL jako czynnika kontrolującego rozpad HIF-1alfa

W tym samym czasie, gdy Semenza i Ratcliffe badali regulację genu EPO, naukowiec William Kaelin badał dziedziczny zespół von Hippel-Lindau (choroba VHL). Ta choroba genetyczna drastycznie zwiększyła ryzyko niektórych nowotworów. Kaelin wykazał, że gen VHL koduje białko, które zapobiega procesowi nowotworzenia. Badacz wykazał również, że komórki rakowe pozbawione funkcjonalnego genu VHL wykazują nadmierną ekspresję genów, które prawidłowo regulowane są przez hipoksję. Zaobserwował również, że gdy gen VHL został ponownie wprowadzony do komórek rakowych, aktywność tych genów wracała do normy. To była ważna wskazówka sugerująca, że VHL jest w jakiś sposób zaangażowany w kontrolę odpowiedzi na niedotlenienie.

Dalsze badania pozwoliły połączyć te informacje z wiedzą na temat znakowania ubikwityną oraz pracy proteasomu. Okazało się, że VHL jest częścią kompleksu, który znakuje białka za pomocą ubikwityny. W sytuacji, gdy stężenie VHL jest niskie, HIF-1alfa nie jest odpowiednio oznaczane, przez co nie trafia do degradacji. Ratcliffe wraz z grupą badawczą dokonali kluczowego odkrycia – wykazali, że VHL może fizycznie oddziaływać na HIF-1alfa. Jest cząsteczką konieczną do jego rozkładu przy normalnym stężeniu tlenu. W sytuacji, gdy poziom tego pierwiastka jest niski, VHL nie wykazuje powinowactwa do HIF-1alfa. Kompleks nie powstaje, a degradacja w proteasomie nie jest przeprowadzana.

Ostatnim fragmentem układanki pozwalającej zrozumieć zagadkę mechanizmu regulacji metabolizmu tlenowego pozostawała kwestia tego, skąd VAL „wie”, kiedy łączyć się z HIF-1alfa. Poszukiwania skupiły się na konkretnej części aproteiny HIF-1, o której wiadomo, że jest ważna dla degradacji zależnej od VHL. Kaelin oraz Ratcliffe podejrzewali, że klucz do wykrywania tlenu przez HIF-1alfa znajduje się gdzieś w tej domenie białkowej.

W 2001 r. jednocześnie w dwóch artykułach naukowych opisano odkryty mechanizm tej regulacji. Okazało się, że przy normalnym stężeniu tlenu, do HIF-1alfa przyłączają się dwie grupy hydroksylowe w wyniku reakcji z tym pierwiastkiem. Ta modyfikacja białka pozwala VHL rozpoznawać je i związać się z nim. Tłumaczy to, w jaki sposób poziom tlenu kontroluje szybką degradację HIF-1alfa. Dalsze badania przeprowadzone przez Ratcliffe i jego zespół doprowadziły do zidentyfikowania odpowiedzialnych za ten rozkład hydroksylaz.

Znaczenie nagrodzonych badań dla poznania fizjologii naszego organizmu

Dzięki przełomowej pracy laureatów Nagrody Nobla wiemy znacznie więcej o tym, jak różne poziomy tlenu regulują podstawowe procesy fizjologiczne. Wykrywanie tlenu umożliwia komórkom dostosowanie ich metabolizmu do niskiego poziomu tlenu. Przykładem może być praca naszych mięśni podczas intensywnego wysiłku. Procesy te są również niezwykle istotne dla mechanizmów kontrolujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych oraz wytwarzanie czerwonych krwinek.

Znaczenie nagrodzonych badań dla naszej wiedzy na temat nowotworów

Poznanie mechanizmów regulujących gospodarkę tlenową jest istotne dla rozwoju wiedzy o nowotworach. W guzach nowotworowych mechanizmy kontrolujące dostęp tlenu są wykorzystywane do stymulowania tworzenia naczyń krwionośnych, jak również przekształcania metabolizmu w celu skutecznego namnażania. Prace naukowe w laboratoriach akademickich i firmach farmaceutycznych koncentrują się obecnie na opracowywaniu leków, zdolnych do ingerencji w różne stany chorobowe poprzez aktywację lub blokowanie mechanizmów molekularnych wykrywających tlen w komórkach.

Znaczenie odkryć dotyczących mechanizmów molekularnych dla rozwoju medycyny

Tegoroczna Nagroda Nobla dotyczy istotnych dla współczesnej medycyny faktów fizjologicznych związanych ze stanem hipoksji, czyli niedoboru tlenu. Chodzi tutaj o zmiany na poziomie metabolizmu oraz tworzenia nowych naczyń krwionośnych. Z punktu widzenia kardiologii szczególnie istotna jest wiedza na temat tego, jak poziom tlenu wpływa na tworzenie się nowych naczyń, czyli angiogenezę. Ma to znaczenie dla leczenia stanów związanych z niedokrwieniem serca. W tym przypadku angiogeneza jest procesem korzystnym. Dla onkologii sytuacja jest odwrotna. Procesy zachodzące w komórkach w odpowiedzi na hipoksję prowadzą do rozwoju naczyń krwionośnych w obrębie guza i jego dalszego rozwoju. Z tego względu celem stawianym przez badaczy jest opracowanie takich metod terapeutycznych, które będą je blokować na poziomie molekularnym.