Odkrili »stikalo«, ki omogoča ali prekine življenje
Trojica znanstvenikov si za odkritja, kako celica občuti in se prilagaja na razpoložljiv kisik, deli Nobelovo nagrado za medicino ali fiziologijo 2019 – Pot do pomembnih zdravil, predvsem za slabokrvnost in razne oblike raka, pa tudi za preprečevanje možganskih kapi in srčnih infarktov
Pomen Nobelove nagrade za medicino ali fiziologijo 2019, že 110. po vrsti, je mogoče najbolj strnjeno ponazoriti z dokaj razširjeno prispodobo o življenju kot goreči sveči. Ko se njen plamen zaradi pomanjkanja kisika ugasne, ugasne tudi naše življenje.
To najbolj ugledno nagrado na področju medicinskih in fizioloških znanosti so letos prejeli trije znanstveniki: William G. Kaelin, Peter J. Ratcliffe in Gregg L. Semenza. S svojimi raziskavami so razkrili delovanje mehanizma, ki prav v vsaki živalski – in torej tudi človeški celici – omogoča, da celica občuti, koliko kisika ima, in se na ta razpoložljivi kisik ustrezno prilagodi. S tem prepreči, da bi »plamen« življenja zaradi pomanjkanja kisika ugasnil.
Morda se ob tem kdo vpraša, kaj pa je tu novega, saj vendar že dolgo vemo, da sveča ne more goreti brez kisika in mi ne živeti brez njega. To je res, toda šele omenjena trojica znanstvenikov je, neodvisno drug od drugega, s svojimi raziskavami v zadnjih 30 letih razkrila mehanizem, kako kisik »vklopi« in »izklopi« življenje naših in vseh živalskih celic in torej tudi nas samih – oziroma kako celice zaznajo spremembe v razpoložljivi količini kisika in kako sprožijo alarm ob njegovem kritičnem pomanjkanju.
Slika: Ko telovadimo, koncentracija kisika v celicah mišic zaradi intenzivnega dela pade.
Do sprememb v količini kisika, ki je na voljo organizmu, namreč nenehno prihaja. Na primer, ko se intenzivno gibljemo, celice potrebujejo več kisika, ali pa če odpotujemo v kraje na višji nadmorski višini, kjer je zrak »redkejši« in ima torej manj kisika.
Ob daljšem bivanju na visokih nadmorskih višinah, recimo v Ladakhu v indijskem delu Tibeta, ki je turistično precej oblegan, ali pa v Andih v Peruju, se v našem telesu odvije vrsta sprememb, ki nam zagotavljajo funkcioniranje tudi v redkejšem zraku. Upad ravni kisika pa lahko doživimo tudi doma, recimo, ko se urežemo ali kako drugače poškodujemo in se zaradi rane prekine običajni dotok krvi.
Ko raven kisika v našem telesu upade zaradi kakršnegakoli razloga, morajo celice nemudoma prilagoditi svoj mehanizem. Kadar pri tem kaj šepa, se lahko pojavijo razne bolezni, od slabokrvnosti do rakavih obolenj. Zato je delo letošnjih Nobelovih nagrajencev za fiziologijo, kot je poudaril Nobelov odbor, pomembno in temeljno pri razvoju zdravljenja omenjenih bolezni.
Sam mehanizem pa se pokaže za izredno pomembnega že v najbolj zgodnjem obdobju našega življenja oziroma še prej, preden z rojstvom uradno postanemo živi, saj poskrbi, da se naš imunski sistem začne razvijati že, ko smo še v maternici.
Delo letošnjih treh Nobelovcev za fiziologijo in medicino torej ne kaže le, kako naše celice ugotovijo, kdaj imajo premalo kisika, in se temu pravočasno prilagodijo, ampak tudi odpira pot do pomembnih zdravil, predvsem za slabokrvnost in razne oblike raka, pa tudi za preprečevanje možganskih kapi in srčnih infarktov. Nekaj od teh zdravil je že v razvoju in je le še vprašanje časa, kdaj bodo tudi v uporabi.
Kisik, kisik, kisik …
Kisik, element z oznako O2, ki je le eden od množice v periodični tabeli elementov, ima v našem življenju eno od odločilnih vlog in je odločilen tudi za sam obstoj življenja na našem planetu. V našem ozračju, ki je posebnost Zemlje, ga je približno petina. Zakaj brez njega ne bi mogli živeti?
Ker omogoča osnovni proces, brez katerega ni življenja: na ravni naših celic omogoča pretvorbo hrane v energijo. Kako in kje? V mitohondrijih v celicah praktično vseh živali in tudi človeka, kjer poteka encimski proces pretvorbe hrane v koristno energijo. Odkritje tega procesa je znanstveniku Ottu Warburgu že leta 1931 prineslo Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino.
Sam mehanizem za zadostno oskrbo celic in tkiv s kisikom se je razvil v evoluciji – tisti organizmi, ki v tem procesu niso bili uspešni, so bili obsojeni na propad. Danes imajo torej vse celice sposobnost zaznavanja in odzivanja na koncentracijo kisika, saj jih je evolucija v to prisilila. Ko so se začele združevati v večcelične strukture, je sposobnost zaznavanja in odzivanja na koncentracijo kisika postala nujna, saj je koncentracija kisika v notranjosti tridimenzionalnih struktur lahko drugačna kot na površini.
Znanstveniki so ugotovili, da je sposobnost zaznavanja kisika in prilagajanja na količino kisika v celicah zelo pomembna že med razvojem ploda za pravilen razvoj placente in krvnih žil v embriju.
Odziv na koncentracijo kisika poteka tako na ravni celic (hitrost metabolizma) kakor na ravni tkiv (hitrost obnavljanja) in organizmov (frekvenca dihanja). Na visoki nadmorski višini, ko je kisika manj, na primer celice v ledvicah začno izločati višje koncentracije hormona eritropoetina (EPO), ki spodbudi tvorbo rdečih krvničk. Spremembe koncentracije kisika pa se lahko zgodijo tudi brez vzponov; ko telovadimo, koncentracija kisika v celicah mišic zaradi intenzivnega dela pade.
V tridesetih letih prejšnjega stoletja so fiziologi odkrili, da karotidno telo, ki meji na velike krvne žile na obeh straneh vratu, vsebuje specializirane celice, ki zaznavajo raven kisika v krvi. Odkritje, kako zaznavanje kisika v krvi prek karotidnega telesa in z neposredno komunikacijo z možgani nadzoruje našo stopnjo dihanja, je leta 1938 prineslo Nobelovo nagrado flamskemu farmakologu Corneillu Heymansu.
Glavni igralec je transkripcijski faktor HIF
Znanstveniki so tako že pred drugo svetovno vojno ugotovili, da se ob pomanjkanju kisika poveča količina hormona eritropoetina (EPO). Niso pa znali pojasniti, zakaj se to zgodi. Raziskovali so naprej, in ko so v to raziskovanje vstopili tudi letošnji trije Nobelovi nagrajenci, se je slika začela bistriti. Njihove raziskave so pokazale, da na različne količine kisika odreagira beljakovina HIF -1α oziroma transkripcijski faktor. Ugotovili so, da ga spodbudi pomanjkanje kisika. V celicah HIF-1α ves čas nastaja in se razgrajuje, ko je kisika dovolj. Ko pa ga ni, to je v stanju hipoksije, pa je zaščiten pred razgradnjo in se lahko veže na DNK. Zato se ob pomanjkanju kisika poveča količina hormona EPO.
Trojica ga je zato, vsak posebej, začela iskati z analizo gena EPO. Semenza je z eksperimenti na transgenskih miših ugotovil, da je regulacija tega gena kompleksna, saj ima tako pozitivne kot tudi negativne regulatorne elemente. Do leta 1992 je ugotovil, da je na 3'-koncu zapisa za EPO 50 baznih parov, ki lahko povzročijo izražanje gena.
Od tod je bil do odkritja HIF le korak. Izkazalo se je, da gre za heterodimer, ki ga sestavljata produkta dveh genov. Prvi kos HIF se imenuje HIF-1α in je občutljiv za koncentracijo kisika, drugi pa ARNT (Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator) in ni. Pozneje so odkrili, da je HIF v resnici družina proteinov, ki imajo podobne funkcije. Peter Ratcliffe je prav tako raziskoval regulacijo gena EPO s kisikom in odkril, da je mehanizem podoben v praktično vseh tkivih, četudi ne proizvajajo eritropoetina. To je bil pomemben znak, da je mehanizem splošen.
Ko je koncentracija kisika velika, je v celicah zelo malo HIF-1α. Ko pa pade, njegova koncentracija naraste, ker se njegov razpad upočasni (to navadno počne proteinski kompleks proteasom). Toda pri nizkih koncentracijah kisika HIF-1α ne dobi podaljška v obliki ubikvitina, ki se navadno obesi na proteine, ki jih mora proteasom pojesti. Zakaj se to dogaja, je prvemu uspelo pojasniti Williamu Kaelinu, ki je raziskoval von Hippel-Lindauovo bolezen. Gen VHL človeka ščiti pred nastankom raka, ki je značilen za to bolezen. Oboleli za tem rakom pa nimajo funkcionalnega gena VHL, imajo pa hkrati povišane koncentracije proteinov iz genov, ki jih aktivira pomanjkanje kisika.
Pokazalo se je, da če v celice vrnemo VHL, se tudi regulacija genov s kisikom normalizira. Odkrili so, da VHL fizično interagira s HIF-1α.
Po tem razkritju je manjkalo le še ključno spoznanje, kako na vse skupaj vpliva – kisik. Leta 2001 so raziskovalci ugotovili tudi to. Ko je kisika dovolj, se HIF-1α na dveh prolinih hidroksilira (veže skupine OH). Tedaj se VHL veže nanj, kar povzroči njegovo hitro degradacijo. Če pa kisika ni dovolj, se HIF-1α poveže z ARNT in sproži hipoksični odziv.
Kisik odločilen v fiziologiji in patologiji
Po zaslugi raziskovalnih dosežkov letošnjih treh Nobelovih nagrajencev vemo veliko več o tem, kako različne ravni kisika uravnavajo temeljne fiziološke procese v našem telesu in v številnih drugih bitjih. Zaznavanje kisika omogoča celicam, da prilagodijo svoj metabolizem na nizko raven kisika: na primer v naših mišicah med intenzivno vadbo. Drugi primeri procesov prilagajanja, ki jih sproži zaznavanje kisika, so nastajanje novih krvnih žil in proizvodnja rdečih krvnih celic. To zdaj znanstveniki že izrabljajo pri iskanju terapij in zdravil za nekatere hude bolezni. Na primer, bolniki s kronično ledvično odpovedjo pogosto trpijo za močno anemijo zaradi zmanjšane izraženosti EPO.
EPO proizvajajo celice v ledvicah in so ključnega pomena za nadzor tvorbe rdečih krvnih celic. Mehanizem za uravnavanje ravni kisika v celicah pa lahko, kot smo že razložili, izrabijo za svoje napredovanje nekatera rakava obolenja. Tumorji, na primer, izkoriščajo mehanizem za uravnavanje kisika tako, da ta spodbuja nastanek novih žil, ki tumor dodatno oskrbijo s kisikom in s tem omogočijo njegovo rast.
Odpirajo se nove poti zdravljenja nekaterih bolezni
»Odkritja letošnjih nagrajencev imajo torej pomembno vlogo pri zdravljenju nekaterih bolezni, na primer pri kronični odpovedi ledvic, zaradi katere je tisoče bolnikov odvisnih od dialize in kjer povišano izražanje EPO povzroči anemijo.
Opisani mehanizem ima pomembno vlogo tudi pri razvoju rakavih celic. Rakave celice ga uspešno zlorabljajo, da pospešijo tvorbo za nastanek novih žil, kar potrebujejo za dostavo hranil za hitro razmnoževanje,« je v utemeljitvi letošnje Nobelove nagrade za medicino in fiziologijo zapisal Nobelov odbor.
Na podlagi raziskovalnih dognanj letošnje nagrajene trojice zdaj številni akademski laboratoriji in farmacevtske družbe že razvijajo načine, kako ali zaustaviti ali aktivirati ta mehanizem, s čimer bi lahko po membno vplivali na razvoj bolezni.
Obširnejši članek je bil objavljen v reviji Gea (November 2019)
