Нобелевская премия вручена за доказательство пользы голодания. Периодическое голодание, долгая здоровая жизнь и клеточная аутофагия Открытие Ёсинори Осуми

Биолог из Японии Ёсинори Осуми стал Нобелевским лауреатом в области физиологии и медицины.
Скриншот с видео

Началась Нобелевская неделя-2016, в ходе которой будут распределены самые почетные научные награды в разных сферах.

Лауреат в области медицины и физиологии был назван 3 октября. Им стал Ёсинори Осями — специалист по биологии клетки из Технологического университета Токио, который удостоен награды «за открытие механизмов аутофагии», говорится на сайте Нобелевского комитета .

Его открытия проложили путь к пониманию фундаментальной важности аутофагии для множества физиологических процессов, таких, как адаптация к голоду и ответ на инфекцию, пояснили в пресс-релизе к награде.

Аутофагия — это процесс утилизации и переработки ненужных частей клетки — разного накопившегося в ней «мусора». Термин переводятся с греческого как «самоедство» или «самопоедание».

Механизм аутофагии.

Этот феномен ученые обнаружили еще в 60-х годах прошлого века. Но не смогли разобраться в тонкостях механизма. В 90-х годах это сделал Осуми. Проводя свои эксперименты, он выявил еще и гены, которые отвечают за аутофагию. Осуми стал 39-м в истории ученым, удостоенным Нобелевской премии единолично.

Аутофагия присуща живым организмам, в том числе и человеческим. Благодаря ей клетки избавляются от ненужных частей, а организм в целом — от ненужных клеток.

Природа наделила клетки способностью переваривать то, что «выглядит» лишним или вредным. Если очень упростить, то клетки упаковывают «мусор» в специальные мешки — аутофагосомы. Далее перемещают в контейнеры — лизосомы, где все это разрушается и переваривается. Продукты переработки используются для питания или обновления клетки.

Образование фагосомы.
Инфографика: Нобелевский комитет

Благодаря аутофагии клетка отчищается от попавшей в нее инфекции и от образовавшихся токсинов.

Слияние фагосомы и лизосомы.
Инфографика: Нобелевский комитет

Аутофагия начинает работать наиболее интенсивно, когда организм испытывает стресс. Например, голодает. В этом случае клетка вырабатывает энергию за счет своих внутренних ресурсов, то есть из всякого накопившегося “мусора”, в том числе, из болезнетворных бактерий.

Открытие японского ученого свидетельствует: голодать или поститься все-таки полезно — организм действительно очищается за счет аутофагии.

Она также предохраняет организм от преждевременной старости. Может быть, даже омолаживает за счет того, что создает новые клетки, выводит из организма дефектные белки и поврежденные внутриклеточные элементы, поддерживая его в исправном состоянии.

А нарушения в процессах аутофагии приводят к болезни Паркинсона, диабету и даже к раку. Понимая это, медики создают уже новые лекарства, способные исправить нарушения и, стало быть, вылечить.

Ну а в целях профилактики стоит иной раз поголодать, вгоняя организм в оздоровительный стресс.

Читайте также на ForumDaily:

Мы просим вас о поддержке: сделайте свой вклад в развитие проекта ForumDaily

Спасибо, что остаетесь с нами и доверяете! За последние четыре года мы получили массу благодарных отзывов от читателей, которым наши материалы помогли устроить жизнь после переезда в США, получить работу или образование, найти жилье или устроить ребенка в садик.

Всегда ваш, ForumDaily!

Processing . . .

Профессору Токийского технологического института Ёсинори Осуми. Японский ученый удостоился ее за свои фундаментальные работы, объяснившие миру, как происходит аутофагия - ключевой процесс переработки и реутилизации клеточных компонентов.

Благодаря работам Ёсинори Осуми другие ученые получили инструменты для изучения аутофагии не только у дрожжей, но и у других живых существ, включая человека. В ходе дальнейших исследований было установлено, что аутофагия - это консервативный процесс, и у людей он происходит приблизительно так же. При помощи аутофагии клетки нашего тела получают недостающие энергетические и строительные ресурсы, мобилизуя внутренние резервы. Аутофагия задействована при удалении поврежденных клеточных структур, что важно для поддержания нормальной работы клетки. Также этот процесс - один из механизмов программируемой клеточной смерти. Нарушения аутофагии могут лежать в основе рака и болезни Паркинсона. Кроме этого, аутофагия направлена на борьбу с внутриклеточными инфекционными агентами, например, с возбудителем туберкулеза. Возможно, благодаря тому, что когда-то дрожжи открыли нам секрет аутофагии, мы получим лекарство от этих и других заболеваний.

В заявлении Нобелевского комитета отмечается, что Осуми "открыл и выяснил механизмы, лежащие в основе аутофагии, фундаментального процесса уничтожения и утилизации клеточных компонентов". Само слово "аутофагия" происходит от двух греческих слов — "auto", означающего "я", и "phagein", означающего "поедать". Таким образом, оно буквально обозначает "самопоедание" (в вольном переводе "самоедство").

Аутофагия известна уже более 50 лет, но её фундаментальное значение для физиологии и медицины было признано только после исследований Осуми, проведённых в 1990-х годах. Именно благодаря этим работам он и получил Нобелевскую премию.

Общее понимание аутофагии появилось у учёных в 1960-х годах, когда исследователи впервые понаблюдали за тем, как клетки уничтожают своё собственное содержимое с помощью заключения последнего в мембраны. В ходе этого процесса формируются везикулы , похожие на мешки образования, которые затем доставляются в "отсек" переработки в клетке, называемый лизосома), для последующего уничтожения.

Органелла (составляющая клетки) аутофагосома поглощает компоненты клетки и затем отдаёт их на "съедение" лизосоме, в которой происходит их разрушение.

Но из-за недостатка информации было сложно изучить особенности данного феномена. Осуми провёл серию блестящих экспериментов в начале 1990-х годов. В частности, учёный использовал пекарские дрожжи для выявления генов, определяющих ход процесса аутофагии. Затем исследователь приступил к выяснению механизмов, лежащих в основе "самопоедания" в дрожжах и показал, что подобные сложные механизмы используются и в клетках человека.

Открытие Осуми привело к новой парадигме в понимании учёными того, как клетки перерабатывают своё содержимое. Его открытие помогло проложить путь к пониманию фундаментального значения аутофагии во многих физиологических процессах - например, адаптации к голоданию.

Мутации генов, контролирующих процесс аутофагии, могут вызывать заболевания. Кроме того, процесс аутофагии — важная составляющая онкологических и неврологических заболеваний.

Расскажем немного об истории, без которой не было бы и самого открытия. В середине 1950-х годов учёные выявили новый специализированный клеточный "отсек" - органеллу, содержащую ферменты, которые перерабатывают белки, углеводы и жиры. Органеллу назвали лизосомой и определили её функции (рабочая станция для уничтожения клеточных компонентов).

К слову, бельгийский учёный Кристиан де Дюв был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1974 году за открытие лизосом.

Термин "аутофагия" был впервые предложен в 1963 году бельгийским биохимиком Кристианом де Дювом, который совместно с коллегами получил Нобеля по медицине в 1974 году.

Новые наблюдения в 1960-х годах показали, что большое количество клеточных компонентов и даже целые органеллы иногда могут быть найдены внутри лизосом.

Получается, клетки обладают стратегией доставки больших "грузов" в лизосомы. Дальнейшие биохимические и микроскопические исследования выявили новый тип везикул, транспортирующих такие клеточные грузы в лизосомы для последующего уничтожения. Кристиан де Дюв ввёл термин аутофагия, "самопоедание", чтобы описать этот процесс. Новый же тип везикул был назван аутолизосомы (или аутофагосомы).

В течение 1970-х и 1980—х годов исследователи фокусировались на объяснении работы другой системы, используемой для уничтожения белков -протеасом.И в рамках данной темы Аарон Чехановер , Аврам Гершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии 2004 года в области химии за "открытие роли убиквитина в клеточной системе деградации белков в протеасомах". Протеасомы эффективно уничтожают белки "по одному", но этот механизм не объясняет, как клетки избавляются от крупных белковых комплексов и "изношенных" органелл.

Японский учёный Осуми принимал активное участие в различных исследованиях, но при запуске собственной лаборатории в 1998 году он сфокусировался на изучении уничтожения белков в вакуоли дрожжей — органелле, функции которой в человеческих клетках выполняет лизосома. Дрожжевые клетки относительно просты в исследовании и, следовательно, часто используются в качестве модели для клеток человека. Они особенно полезны для идентификации генов, которые играют важную роль в сложных клеточных процессах.

Но Осуми столкнулся с серьёзной проблемой - дрожжевые клетки маленькие и их внутреннюю структуру не так легко различить под микроскопом. Учёный даже сомневался, происходит ли в этом случае аутофагия. Исследователь посчитал, что если он сможет остановить процесс уничтожения материала в вакуоли, то аутофагия присутствует - затем аутолизосомы должны будут накапливаться внутри вакуолей и становиться видимыми под микроскопом.

Учёный культивировал мутировавшие дрожжи с недостающей вакуольной деградацией и одновременно стимулировал в них аутофагию, заставив клетки голодать. И результаты оказались поразительными. В течение нескольких часов вакуоли наполнились маленькими везикулами, которые ещё не были уничтожены. Везикулы являлись аутолизосомами, и эксперимент учёного доказал, что аутофагия существует в дрожжевых клетках. Но что ещё более важно - теперь учёный получил способ для выявления и описания ключевых генов, вовлечённых в этот процесс. Это революционное исследование было опубликовано более 20 лет назад - в 1992 году.

Позднее Осуми воспользовался своими модифицированными штаммами дрожжей, в которых аутолизосомы накапливались в течение голодания. Это накопление не должно было происходить, если гены, ответственные за аутофагию, были инактивированы. Осуми обработал клетки дрожжей химическим веществом, которое выборочно вводило мутации во многие гены, и затем он стимулировал аутофагию. Его стратегия сработала.

Осуми выявил первые гены, необходимые для аутофагии. И в ходе последующих экспериментов учёным были функционально охарактеризованы белки, закодированные этими генами. Результаты исследований показали, что аутофагия контролируется целым каскадом белков и белковых комплексов, каждый из которых регулирует отдельные стадии, такие как зарождение или формирование аутолизосом.

Осуми изучал тысячи мутантных штаммов дрожжей и определил 15 генов, которые отвечают за механизм аутофагии.

После определения механизма аутофагии в дрожжах всё же остался нерешённым один вопрос: существует ли соответствующий механизм для контроля этого процесса в других организмах? Вскоре выяснилось, что практически идентичные процессы происходят и в клетках человека. Теперь учёным стали доступны инструменты, необходимые для изучения значения аутофагии в организме человека.

И благодаря Осуми и его последователям сегодня мир знает, что аутофагия контролирует важные физиологические функции, в которых клеточные компоненты должны быть переработаны или уничтожены.

Аутофагия может быстро предоставить "топливо" и строительные блоки для обновления клеточных компонентов. Следовательно, процесс имеет важное значение для клеточного ответа на голодание и другие виды стресса. Кроме того, во время инфекции аутофагия помогает остановить .

Аутофагия также способствует эмбриональному развитию и клеточной дифференцировке . Клетки также используют аутофагию для устранения повреждённых белков и органелл — этот механизм "контроля качества" имеет решающее значение для борьбы с негативными последствиями старения.

Аутофагия связана с такими физиологическими процессами как развитие зародыша человека и дифференцировка клеток, различными стрессовыми ситуациями в организме. Аутофагия имеет место при нейродегенеративных заболеваниях, раке и различных инфекциях.

Кстати, нарушение процессов аутофагии связывались также с болезнью Паркинсона, диабетом второго типа и другими заболеваниями, которые, как правило, появляются в пожилом возрасте.

Мутации генов, важных для аутофагии, могут быть вызваны генетическим заболеванием, также нарушение механизмов аутофагии связано с онкологией. Сегодня ведутся многочисленные исследования по разработке препаратов, предназначенных для стимуляции аутофагии при различных заболеваниях.

Напомним, что сегодня, 3 октября, в Стокгольме началась Нобелевская неделя. По традиции, её начало ознаменовало .

3 октября Нобелевский комитет объявил лауреата премии по физиологии и медицине. Им стал японец Ёсинори Осуми. Формулировка премии звучит так: "За открытие механизмов аутофагии". Что такое аутофагия? Чем она важна с практической точки зрения? Как аутофагия связана с голоданием и потерей массы? Почему она помогает раковым опухолям выжить? И, наконец, почему лауреатом стал один человек, а не несколько, как обычно? Объясняет журналист и биолог Светлана Ястребова.

Профессор Токийского технологического института Ёсинори Осуми был на своём рабочем месте в лаборатории, когда ему позвонили из Нобелевского комитета с неожиданным известием: он стал лауреатом премии по физиологии и медицине в 2016 году. 71-летний японец по-прежнему активно работает над темой аутофагии, за изучение которой он и удостоился высшей научной награды.

Клеточная свалка

Аутофагия находится в центре научных интересов Осуми уже 27 лет. В конце 1980-х, когда он только начал свои работы по этой теме, было известно, что клетки каким-то образом избавляются от своих структур и отдельных молекул, ставших вдруг ненужными. Впрочем, было бы странно, если бы это было не так: все организмы способны удалять отходы жизнедеятельности.

Уже давно учёные знали, что в клетках находятся специальные органоиды под названием лизосомы . В них неоднократно обнаруживали полуразрушенные фрагменты других клеточных структур. Да и сам термин "аутофагия" предложили ещё задолго до работ Осуми. Это слово в 1963 году придумал Кристиан де Дюв - учёный, который и сам стал лауреатом Нобелевки по физиологии в 1974-м за открытие лизосом.

Кроме лизосом, биологи обнаружили аутофагосомы – "тележки" для подвоза фрагментов клетки к лизосомам. Когда какой-то компонент клетки становится ненужным, его окружает специальная мембрана, и получается пузырёк с органоидом (или его частью) внутри. Этот пузырёк подходит к лизосоме и сливается с ней. Там "мусорный" фрагмент клетки находит свой последний приют - особые ферменты расщепляют его на простые составляющие.

Долгое время лизосомы считали чем-то вроде "свалки" для всех ненужных структур клетки. Правда, такая точка зрения не давала ответа на вопрос: как клетка обновляет себя? Почему "свалка" не вырастает в размерах в десятки и сотни раз за всю долгую жизнь таких клеток, как, например, нейроны? И раз такие вопросы возникали, было логичным предположить, что клетки (в отличие от большинства людей) не зависят на сто процентов от внешних источников пищи и используют имеющиеся внутренние ресурсы по нескольку раз. Чтобы выяснить, как именно это происходит, нужно было отыскать вещества, запускающие и поддерживающие реакции переработки вышедших из строя органоидов и молекул.

Поэтому через несколько лет после обнаружения лизосом, в 1980-х, исследователи переключили своё внимание на заново открытые органоиды - протеасомы . Как следует из их названия, они имеют дело с протеинами - а попросту, с белками. Оказалось, что "путёвкой" в протеасому для белка служит "чёрная метка" - молекула убиквитина . Такой меченый белок попадает в протеасому и разлагается там за счёт ферментов-протеаз на аминокислоты. Затем эти аминокислоты клетка использует для построения других белков. В день человеку нужно 200-300 граммов протеина, но с пищей поступает только около 70. Остальное клетки получают, перерабатывая ненужные белки в протеасомах.

Изучение протеасом тем не менее не дало ответа на вопрос, как клетка перерабатывает фрагменты крупнее, чем отдельные молекулы белков. Что в лизосомах перерабатывает большие куски органоидов? Об этом до работ Ёсинори Осуми никто не знал.

Волшебные грибы

Осуми выбрал в качестве объекта для экспериментов дрожжи - одноклеточные грибы, которые быстро размножаются бесполым путём. Наблюдать за их ростом и развитием довольно легко, если иметь обычный световой микроскоп. С одной стороны, дрожжи - простые организмы, и все их клетки имеют более-менее одинаковую структуру. С другой, они, как и у всех грибов, по строению достаточно близки к животным, а значит, и к человеческим. В клетках грибов, как и в наших собственных, есть ядро, митохондрии (органоиды для выработки энергии), есть аппарат для производства белков и аппарат для их деградации (протеасомы). Есть у дрожжей и аналог лизосом животных - вакуоли. Они достаточно крупные, чтобы за их изменениями можно было наблюдать в микроскоп.

Для аутофагии не принципиально, какие белки разрушать - образованные в самой клетке или за её пределами. А это значит, что с её помощью можно избавиться и от вирусов и бактерий, попадающих в клетки и вызывающих различные болезни. Показано, что возбудители вирусных и бактериальных заболеваний в ходе эволюции вырабатывают сложные механизмы защиты , чтобы не попадаться под горячую руку аутофагосом или остановить их действие. Вообще аутофагия важна для множества процессов в иммунной системе , начиная от воспаления и заканчивая защитой от вирусов и бактерий.

Наконец, аутофагия полезна и в том случае, когда строение клетки нужно быстро и часто перестраивать. Такая потребность возникает при эмбриональном развитии. Изменения, которые происходят в тканях зародыша, развиваются стремительно именно за счёт активной аутофагии. Одни части клетки, которые выполнили свою функцию, разлагаются на составные элементы, и из них строятся новые, "более актуальные" органоиды. Нарушение процессов аутофагии у эмбрионов приводят к тому, что их развитие существенно замедляется.

Одинокий самурай

С 2011 года и до настоящего момента Нобелевская премия по физиологии и медицине ни разу не доставалась одному человеку. Всегда находилось несколько исследователей, чьи научные интересы лежали в одной области. А в случае Ёсинори Осуми это оказалось не так. Почему?

Вряд ли мы сможем в скором времени узнать точный ответ на этот вопрос: личности номинантов и людей, выдвинувших их кандидатуры в 2016 году, будут хранить в секрете ближайшие 50 лет. Но одно можно сказать точно: когда Осуми начинал свои исследования аутофагии, ею не интересовался почти никто. Однако все крупные учёные, которые внесли свой вклад в обнаружение лизосом, аутофагосом и исследование их функций, в 1990-х уже имели награды от Нобелевского комитета.

Осуми в своей научной карьере сделал ставку на малоизученную непопулярную тему и не проиграл. Правда, по признанию лауреата, он не ставил себе целью получить престижную премию. В одном из недавних интервью он отметил: "Не все молодые специалисты достигнут успеха в науке, но попытаться точно стоит". Как мы видим, его попытка оказалась успешной.