Специальный нобелевский выпуск

11 октября 1999

Белки-путешественники

Нобелевская Ассамблея Каролинского института решила сегодня присудить Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1999 год

Гюнтеру Блобелю

за открытие, что

"белки содержат структурные сигналы, которые управляют их транспортом и локализацией в клетке"".

В общем, этой премии ждали давно. Хотя бывают у Нобелевского комитета странные провалы в памяти, но человек, открытия которого уже лет 15 как вошли в учебники, всегда будет числиться среди основных претендентов на премию. Так что, скорее всего, удивления по поводу присуждения Нобелевской премии Гюнтеру Блобелю не будет.

Из школьной программы можно вспомнить несколько фактов, которые пояснят суть открытий Блобеля. Как известно, белки в клетке синтезируются на специальных органеллах - рибосомах. Рибосомы эти либо плавают в цитоплазме, либо связаны со специальным компартментом клетки - шероховатой эндоплазматической сетью (мы сейчас говорим об эукариотической клетке). То есть вновь синтезируемый белок должен оказываться в цитоплазме. С другой стороны все знают, что многие клетки секретируют белки наружу - например, белковые гормоны типа инсулина и еще много всякого. С третьей стороны, внутри клетки много других компартментов - ядро, митохондрии, лизосомы, хлоропласты у растений. От цитоплазмы (точнее, цитозоля - растворимого компонента цитоплазмы) они отгорожены мембраной, а в них самих белковый синтез не идет или же ограничен очень малым набором белков. В полный рост встают два вопроса: как новехонькие белки узнают, куда они должны идти - в ядро, в митохондрии, в секреторные гранулы? И каким образом эти молекулы нередко весьма немалого размера пересекают липидную мембрану?

Блобель нашел ответы на оба вопроса. Как часто случается, они оказались взаимосвязаны. Общие закономерности, выявленные сегодняшним лауреатом, действуют во всех эукариотических организмах - от дрожжевой клетки до венца природы Hono sapiens.

Блобель родился и учился в Германии, но в конце 60-х переехал в США и начал свою работу в лаборатории клеточной биологии Рокфеллеровского университета. Руководил ей тогда Джордж Паладе, американский биохимик румынского происхождения, прославившийся открытием рибосом в 1950-х годах (свою Нобелевскую премию он получил в 1974). Разумеется, рибосомы и биосинтез белка были той осью, вокруг которой вращалась вся работа в лаборатории Паладе.

К тому времени уже было известно, что белки, предназначенные клеткой к секреции в окружающую среду, каким-то образом попадают внутрь эндоплазматической сети (ЭПС), а оттуда уже идут наружу. Блобель и взялся выяснить - как именно они оказываются в ЭПС? В 1971 году он сформулировал "сигнальную гипотезу". Согласно ей, белки, предназначенные для секреции, содержат специальный сигнал, который распознается каким-то комплексом в ЭПС. В 1975 году Блобель показал, что этот сигнал закодирован непосредственно в аминокислотной последовательности белка, еще точнее - в его начальной, N-концевой части. А биохимические свидетельства натолкнули его на мысль, что белок проходит через мембрану по специальному каналу.

За два с половиной десятка лет, истекших с тех пор, этот процесс, получивший название котрансляционной транслокации, активно изучался и Блобелем, и в других лабораториях. Котрансляционной - потому, что протекает он одновременно с трансляцией, то есть синтезом белка на рибосоме. Современная картина транслокации, пожтвержденная многочисленными биохимическими и генетическими экспериментами, выглядит так. Как только рибосома синтезирует самое начало белка, где содержится сигнальный пептид, с ним связывается специальный комплекс - частица распознавания сигнала (signal recognition particle, SRP). В мембране ЭПС находится другой белковый комплекс - рецептор SRP. Он распознает SRP, связанную с растущей полипептидной цепью и рибосомой, и вся эта конструкция оказывается связанной на поверхности ЭПС. Рибосома при этом садится не просто на липидный слой, а связывается еще одним комплексом - так называемым Sec61p-комплексом, который и является каналом для транслокации белковой цепи. После связывания канал открывается, N-конец растущей цепи с помощью специального белка TRAM в него проталкивается, и дальше связывается белками-шаперонами внутри ЭПС. На этом этапе сигнальный пептид уже не нужен, и он в большинстве случаев отщепляется специальными протеазами. Далее уже рибосома спокойно синтезирует белок, который по мере роста проталкивается сквозь канал и уже в ЭПС складывается в нужную трехмерную структуру. Таков механизм в общих чертах - детали, выявленные Блобелем и его коллегами, заняли бы не одну сотню страниц.

К началу 80-х стало ясно, что механизм, предложенный Блобелем, работает не только в случае транслокации белков через мембрану ЭПС. Для каждой клеточной органеллы существует своя сигнальная последовательность, сродни почтовому индексу на конвертах. Конкретные белки, ответственные за транслокацию, разные для разных органелл, но принцип тот же - распознавание сигнального пептида, связывание с мембраной органеллы, связывание с трансмембранным каналом, проталкивание растущей пептидной цепи, отщепление сигнального пептида.

С нарушением правильной сортировки и транслокации белков связаны некоторые не часто встречающиеся, но тяжелые болезни - гипероксалурия, гиперхолестеремия, муковисцидиоз. Но расшифровка этиологии этих болезней - это не единственное медицинское применение открытия Гюнтера Блобеля. Секреты сортировки белков давно занимают фармацевтические компании, производящие белковые лекарства - тот же инсулин, гормон роста, эритропоэтин, интерферон, с чисто производственной точки зрения. Гораздо проще производить нужный белок в бактериях или дрожжах, чем выделять его, скажем, из крови коровьих эмбрионов или человеческой мочи. Но нужны эффективные штаммы тех же дрожжей, которые бы производили его в больших количествах и секретировали в среду, где они растут - так его гораздо проще собирать и очищать. Создание таких секретирующих штаммов - важная задача инженеров-биологов, и работы Блобеля уже давно нашли себе благодарную аудиторию.

В этом году пока Гюнтерам везет с Нобелевскими премиями. 100% - из двух уже оглашенных лауреатов оба Гюнтеры. Что-то будет завтра, когда станут известны результаты голосования по физике и химии?

Ссылки:

1. http://www.nobel.se/announcement-99/medicine99.html - пресс-релиз Нобелевского комитета.
2. T.A.Rapoport, B.Jungnickel, and U.Kutay (1996). Protein transport across the eukaryotic endoplasmic reticulum and bacterial inner membranes. Annu. Rev. Biochem., 65, p.271-303

Обратно к списку заметок