Нобелевская премия по химии присуждена за исследования рецепторов

Нобелевской премии по химии удостоены американцы Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz) и Брайан Кобилка (Brian Kobilka), изучавшие семейство рецепторов, сопряжённых с G-белками (G-protein-coupled receptors, GPCR).

В этом году лауреаты отмечают свои 69-й и 57-й дни рождения. Роберт Лефковиц, который старше коллеги, получил степень доктора медицины в Колумбийском университете в 1966-м, а сейчас работает в Медицинском центре Университета Дьюка. Брайан Кобилка окончил Медицинскую школу Йельского университета, но впоследствии также перешёл в другой университет — Стэнфордский.

Рецепторы, подробное описание которых составили г-да Лефковиц и Кобилка, классифицируются как трансмембранные, то есть размещённые в плазматической мембране, которая защищает клетку и отделяет её содержимое от внешней среды. Очевидно, что клетка может нормально функционировать лишь в том случае, если её изоляция не будет полной: какие-то каналы сообщения с внешним миром и передачи сигналов должны сохраняться. Об этом свидетельствовали, к примеру, ранние опыты с препаратами тканей, фиксировавшие реакции на лиганды разного действия (агонисты и антагонисты) — вещества, специфически соединяющиеся с тем или иным рецептором.

Можно сказать, что исследования GPCR стартовали в 1870-х годах, когда был идентифицирован относящийся к этому семейству зрительный пигмент родопсин. В 1933-м учёные уже знали о его лиганде ретинале, а в сороковых американец Рэймонд Альквист сумел выделить два типа (α и β) адренорецепторов, также включаемых в семейство GPCR. Работа Альквиста открыла путь к созданию бета-адреноблокаторов, занимающих важное место в современной фармакологии.

Впрочем, все эти открытия не приблизили биохимиков к пониманию того, как именно должны работать GPCR. Даже в шестидесятых годах стройной теории рецепторов, активируемых лигандами, не было, что позволяло оспаривать сам факт существования рецепторов как особых молекулярных объектов. Отдельные внутриклеточные элементы цепочки передачи поступающих извне сигналов (скажем, циклический аденозинмонофосфат, протеинкиназа А или аденилатциклаза) тогда уже были детально описаны, и некоторые специалисты предполагали, что рецепторы и фермент аденилатциклаза представляют собой один и тот же белок. Сам Альквист писал: «Я воспринимаю их [обнаруженные им различные типы рецепторов] как абстрактные понятия, позволяющие объяснить наблюдаемые реакции тканей на химические препараты разной структуры».

Именно в конце шестидесятых Роберт Лефковиц и приступил к экспериментам, доказавшим, что рецепторы реальны и их действительно можно найти в плазматической мембране. В своих опытах он планировал использовать лиганды, помеченные радиоактивным йодом, связывание которых с рецептором вызывало бы определённые изменения внутри клетки.

Успех Лефковицу и его соавторам принесли манипуляции с помеченным йодом адренокортикотропным гормоном. В 1970-м они опубликовали сразу две статьи с описанием первых экспериментальных результатов в журналах Science и Proceedings of the National Academy of Sciences, после чего переключились на рецепторы эпинефрина (адреналина) — α- и β-адренорецепторы, которые уже упоминались выше.

Примерно в это же время, заметим, активизировались исследования внутриклеточных процессов, вызываемых активацией рецепторов, и американцы Альфред Гилман и Мартин Родбелл открыли первый G-белок, названный так за свою способность связывать гуанозинтрифосфат. Работа Гилмана и Родбелла была отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1994 года и придала законченный вид упрощённой модели тройного комплекса, предложенной Лефковицем и его коллегами в 1980-м и характеризующей взаимодействие агониста с β-адренорецептором. Эта модель рассматривала совместное функционирование внеклеточного лиганда, трансмембранного рецептора и внутриклеточного G-белка.

Общепринятая схема передачи сигналов извне с помощью GPCR. Гормон (или какой-нибудь другой лиганд) связывается с рецептором (1) (после чего тот изменяет форму и связывается с внутриклеточным G-белком) и активирует его (2). Затем белок отсоединяется и распадается, высвободившаяся α-субъединица инициирует цепочку реакций (3), а рецептор продолжает активировать G-белки (4). (Иллюстрация Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences.)

В восьмидесятых годах к группе Роберта Лефковица присоединился Брайан Кобилка, сразу включившись в новый проект по выделению гена, кодирующего β-адренорецептор. Работа растянулась на несколько лет, но в итоге учёным удалось клонировать нужный ген и «прочитать» его последовательность, которая обнаружила сходство с последовательностью гена, кодирующего родопсин. Как оказалось, β-адренорецептор, подобно родопсину, содержит семь пронизывающих мембрану спиралей, что и натолкнуло американцев на мысль о существовании целого семейства структурно близких и связанных с G-белками рецепторов, сейчас обозначаемого как GPCR. Эта догадка подтвердилась в 1986-м, после публикации последовательности ещё одного GPCR — мускаринового ацетилхолинового рецептора.

Завершив анализ гена β-адренорецептора, г-н Кобилка задался целью получить качественное изображение тройного комплекса. Описывать все проблемы, с которыми ему пришлось столкнуться, мы не будем; достаточно сказать, что искомая кристаллическая структура, позволяющая понять, как рецептор «перестраивается» в процессе работы, была найдена лишь в 2011 году.

Важность работ Роберта Лефковица и Брайана Кобилки также можно охарактеризовать очень кратко, указав всего две цифры: в человеческом организме около тысячи генов кодируют рецепторы из семейства GPCR, которые становятся «мишенями» ~40% современных лекарственных препаратов.

Подготовлено по материалам Нобелевского комитета.