Полвека спустя: возвращение в статусе нобелевского лауреата

Можете ли вы назвать всего одно слово, которое объединяет малярию, катаракту, ожирение и фотосинтез? Если да, то вам, скорее всего, посчастливилось побывать на лекции обладателя Нобелевской премии по химии 2003 года Питера Эгра. Это слово — «аквапорин».

Зачастили в последнее время нобелевские лауреаты в МГУ! Судите сами: в 2010 году прочитал лекцию Джеймс Уотсон, один из первооткрывателей двойной спирали ДНК, лауреат Нобелевской премии 1962 года вместе с Фрэнсисом Криком; в том же году эстафету подхватил его соотечественник Роджер Дэвид Корн-берг, лауреат Нобелевской премии по химии 2006 года «за исследование молекулярных основ транскрипции эукариот», сопредседатель координационного научного совета Инновационного центра в Сколково, продолжатель династии Артура Корнберга, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 1959 года («за открытие механизмов биологического синтеза РНК и ДНК»). В следующем году в Москву приехали Герард’т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике 1999 года («за изучение квантовой структуры электрослабых взаимодействий»), и Аарон Чехановер, лауреат Нобелевской премии по химии

2004 года («за открытие расщепления белков, опосредованного убиквитином»). В 2012-м повторил свою лекцию в МГУ Корнберг. Кроме него в том же году в Московском университете прочли лекции Эдмунд С. Фелпс, лауреат премии по экономике памяти Альфреда Нобеля 2006 года «за анализ межвременного обмена в макроэкономической политике», а в рамках Фестиваля науки — физики Клод Коэн-Таннуджи, лауреат Нобелевской премии по физике 1997 года («за разработку методов охлаждения и улавливания атомов лазерным лучом»), и Джордж Ф. Смут третий, лауреат Нобелевской премии по физике 2006 года («за открытие чернотельной формы спектра и анизотропии и космического микроволнового фонового излучения»), а теперь еще и руководитель мегагрантной лаборатории в университете.

В этом году эту, можно сказать, зарождающуюся традицию 24 июня в актовом зале Главного здания МГУ продолжил Питер Эгр (Peter Agre). Нобелевская премия по химии 2003 года была вручена «за открытия, касающиеся каналов в клеточных мембранах». Половину из 10 млн шведских крон получил Питер Эгр «за открытие водных каналов», а вторую половину — Родерик Маккинон (Roderick MacKinnon) «за исследования структуры и механизма ионных каналов». Открытие Питера Эгра является фундаментальным для всех живых организмов, в том числе человека, который на 70% состоит из воды. Ионные же каналы играют важную роль в генерировании и передаче нервных импульсов и сокращении мышц.

Лекция Питера Эгра «От атомных структур к клинической медицине» в МГУ а затем и в Санкт-Петербургском государственном медицинском университете состоялась благодаря международном проекту «Вдохновляясь открытиями нобелевских лауреатов» под эгидой Nobel Media в партнерстве с биофармацевтической компанией AstraZeneca. Неожиданно для многих в зале профессор Эгр начал свою лекцию с небольшого экскурса в историю своей юности, сопровождавшегося самыми теплыми воспоминаниями о поездке в Советский Союз почти полувековой давности в составе группы американских студентов. Семнадцатилетний будущий нобелевский лауреат посетил тогда Ленинград, Орёл, Харьков, Курск, Тбилиси и другие города СССР, что было проиллюстрировано личными фотографиями.

Открытие, сделанное профессором Эгром, — яркий пример роли счастливого случая в науке. Недаром сам нобелевский лауреат любит повторять на своих лекциях: «Всегда относитесь к научной деятельности как к приключению… Мы не знаем, что ждет нас за поворотом, и в этом смысле я, скорее, Гекльберри Финн, чем Альберт Эйнштейн». В конце 1980-х Питер Эгр работал гематологом в Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса, изучая резус-антигены (Rh-антигены) групп крови. При попытке выработать у кроликов антитела к определенному частично очищенному Rh-полипептиду группы крови в конечном итоге было выяснено, что антитела образовались не к исследуемому, а к совершенно другому полипептиду с массой около 28 тыс. а.е.м., который не окрашивался традиционными красителями белков. Таким образом, обнаруженный новый белок просто загрязнял «нужный» исследователям полипептидов. Несмотря на это, учитывая широкую распространенность нового белка в эритроцитах (200 тыс. копий на клетку), было решено изучить обнаруженный полипептид более детально. Используя те же антитела, исследователи обнаружили, что вновь открытый белок также широко распространен в человеческой почке. Была, однако, непонятна его физиологическая роль. И здесь помог второй счастливый случай.

Однажды Питер вез семью в «Диснейленд». По дороге ему посчастливилось встретить своего наставника по клинике в Университете Северной Каролины Джона Паркера, который в разговоре первым указал на то, что красные кровяные клетки и клетки печени обладают большой проницаемостью для воды и новый белок, возможно, играет определенную роль в транспорте воды. Дальнейшие биологические (в частности, блокирование транспорта воды ионами ртути) и структурные исследования, определение аминокислотной последовательности, синтез кДНК, анализ геномных баз данных, множество других исследований и в конце концов рентгено-структурный анализ в начале 2000-х и моделирование методом молекулярной динамики позволили подтвердить роль нового белка как канала для транспорта воды через клеточные мембраны (за что он получил название «аквапорин»), установить его трехмерную структуру, изучить механизм действия и обнаружить другие родственные белки.

Первый аквапорин, получивший обозначение AOP1, представляет собой тетрамерный трансмембранный белок с центральными порами в каждой из четырех субъединиц. Каждая субъединица в свою очередь имеет форму «песочных часов», самая узкая часть которых, диаметром 2,8 ангстрема, может вместить лишь одну молекулу воды. AOP1 играет роль полупроницаемой мембраны, которая пропускает воду и не пропускает ионы, включая протоны. Таким образом, вода через водный канал перемещается по механизму осмоса. Протоны же отталкиваются от находящейся в узком месте пары положительно заряженных аминокислотных остатков (аргинина и гистидина). Кроме того, диполи молекул воды меняют ориентацию по мере прохождения через узкую часть канала, образуя водородные связи с двумя остатками аспарагина на стенках поры. Всё это предотвращает перенос протонов через канал, включая механизм Гротгуса, через систему водородных связей молекул воды.

Были обнаружены и другие разновидности аквапоринов (AOP0, AOP2, AOP3 и т.д.) У млекопитающих можно выделить два семейства этих белков: классические аквапорины и акваглицеропорины. Последние проницаемы также для глицерина.

AOP1 и AOP2 локализуются в почках. Есть люди, у которых отсутствует AOP1, однако это не приводит к клиническим симптомам в обычных условиях. AOP2 более значим клинически, его концентрация в мембране регулируется гормоном вазопрессином. Алкоголь ингибирует выделение вазопрессина из мозга, вследствие чего AOP2 остается во внутриклеточных везикулах — клетки теряют способность к реабсорбции воды из мочи, что приводит к выделению разбавленной мочи в больших объемах и потребность сходить в туалет, что бывает, например, при поглощении изрядного количества пива. Наследственные дефекты в AOP2 приводят к выделению до 20 литров мочи в день. Приобретенные дефекты приводят либо к удерживанию жидкости, либо к неадекватному концентрированию мочи. Вазопрессин приводит к перемещению AOP2 в мембрану и реабсорбции воды из мочи.

AOP0 синтезируется в хрусталике глаза, влияет на прозрачность хрусталика и связан с врожденной катарактой.

AOP4 расположен в мозге. Его ингибирование уменьшает отек мозга, что важно при повреждениях головного мозга (например, при инсульте).

AOP5 расположен в клеточных мембранах слюнных, слезных, потовых и других секреторных желез. Играет роль при развитии синдрома Шегрена у женщин среднего возраста (сухость рта и глаза).

AOP7 и AOP9 — акваглицеропорины. Они участвуют в поддержании необходимого уровня глюкозы в крови во время голодания. AOP7 экспрессируется (синтезируется на основе генетического кода) в жировых клетках и является переносчиком глицерина, образующегося из триглицеридов во время голодания. Глицерин проникает в гепатоциты (клетки печени) через мембранные AOP9, где из него синтезируется глюкоза. Очевидно, регуляция уровня данных аквапоринов может использоваться для борьбы с ожирением.

AOP9 также экспрессируется в красных кровяных клетках (эритроцитах) и играет определенную роль в развитии малярии. Глицерин используется малярийным паразитом для синтеза липидов своих мембран, при этом глицерин должен пройти две мембранные стенки: эритроцитов (через AOP9) и самого малярийного плазмодия (через плазмодийный PbAOP). Исследования в Исследовательском институте малярии Университета Джонса Хопкинса, возглавляемом Питером Эгром с 2008 года, показали, что заражение мышей плазмодийным мутантом с отсутствующим геном PbAOP, равно как и заражение мышей с недостаточным уровнем AOP9, приводит к увеличению выживаемости заболевших особей по сравнению с контрольной группой.

Аквапорины распространены также в мире растений и во всех формах микроорганизмов. В растениях они участвуют в фотосинтезе, пропуская через себя углекислый газ в листья, и, разумеется, принимают участие в регулировании всасывания воды корнями.

…После лекции журналисты и все остальные слушатели получили возможность задать любые вопросы нобелевскому лауреату. Один из них касался лекарств, мишенью которых становятся аквапорины. Питер Эгр пояснил, что на сегодня таких лекарств не существует, однако можно опосредованно влиять на работу аквапоринов, регулируя уровень вазопрессина и глюкокортикоидов. Другой вопрос касался веры в бога и отношения к религии. Ученый ответил, что он атеист, хотя и родился в лютеранской семье, как и большинство выходцев из Скандинавии. К людям верующим относится с уважением, но об ученом следует судить не по религиозным убеждениям, а по достижениям в науке. Представитель «Медицинской газеты» поинтересовался отношением нобелевского лауреата к российской медицине. Питер Эгр в связи с этим напомнил, что одним из первых нобелевских лауреатов в области физиологии и медицины был академик Иван Павлов. Завершилось мероприятие раздачей автографов и фотосессией с приехавшим корифеем науки.

Анатолий Насонов,
ведущий инженер НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского,
фриланс-фотокорреспондент

Фото автора