Химический Нобель – еще одна хорошая теория, но плохая практика

В этому году премия по химии присуждена за исследование репарации ДНК - механизмов устранения повреждений в этой молекуле. Лауреатами стали шведский ученый, работающий сейчас в британском Институте Фрэнсиса Крика Томас Линдаль, американец Пол Модрич из Медицинской школы Университета Дьюка и Азиз Санджар из Университета Северной Каролины. Они внесли важный вклад в создание эффективных методик генной терапии, так что по сути, нынешнего Нобеля по химии можно было бы дать за достижения в области медицины.

В последнее время большое внимание уделяется генной терапии как перспективному методу лечения большинства смертельных заболеваний, включая рак. Многочисленные исследования показали, что возникновение раковых клеток - это результат генетических "поломок". Ошибки в репликации (копировании) и репарации (исправлении ошибок) ДНК приводят к изменению генов, в том числе и тех, которые контролируют деление клетки. Когда мутации закрепляются в геноме, они трансформируют нормальные клетки в раковые.

Изменения в цепочке ДНК возникают постоянно: под воздействием факторов окружающей среды, инфекций, разнообразных хронических заболеваний, нездорового образа жизни, ДНК повреждаются с частотой от нескольких сотен до тысячи случаев в час. В особо сложных случаях это приводит к развитию онкозаболеваний. На самом деле, у клеток человека есть специальные механизмы, защищающие от развития опухолей, но иногда они не справляются.

В таком случае применяются традиционные методы лечения рака: хирургическое (полное удаление опухоли, но это возможно до образования метастазов), облучение с помощью радиоактивных частиц для остановки деления раковых клеток, а также химиотерапия, тормозящая рост быстро делящихся клеток. Все упомянутые методы оказывают негативное воздействие и на нормальные клетки, причем не всегда могут избавить больного от рака. Часто при хирургическом лечении остаются единичные раковые клетки, и опухоль может дать рецидив, а при химиотерапии и лучевой терапии возникают побочные эффекты (снижение иммунитета, анемия, выпадение волос и др.), которые приводят к серьезным последствиям, а часто и к смерти.

Поэтому мировые ученые разрабатывают альтернативные методы лечения, способные победить рак. Наиболее перспективной считается генная терапия, так как она направлена на первопричину этого заболевания - компенсацию неправильной работы определенных генов, то есть, репарации, "ремонта" ДНК. В этом процессе задействовано большое количество клеточных механизмов, выявлением которых ученые занимаются уже много лет. Кстати, премия Ласкера в этом году досталась именно за исследования в этой области. Понимание таких процессов и способность их воспроизвести, если сама клетка с этим не справляется, помогло бы устранить все существующие заболевания, продлить человеку жизнь и отсрочить старость.

Еще в начале 70-х нынешний лауреат Нобеля по химии Томас Линдаль пришел к выводу, что поскольку в молекуле ДНК постоянно накапливаются дефекты, то должны существовать и устраняющие их механизмы, иначе живые организмы просто не выжили бы. Линдаль искал ферменты, ремонтирующие ДНК, используя клетки бактерий. Первый такой фермент обнаружился в 1974 году: он используется для устранения повреждений нуклеотида цитозина. Цитозин в молекуле ДНК сравнительно легко "выходит из строя", что приводит к изменению генетической информации. Линдаль сумел идентифицировать фермент, который удаляет поврежденный цитозин из бактериальной ДНК, впоследствии ученый работал над этим в престижных мировых лабораториях, занимающихся изучением рака. По результатам исследований, до 90% онкологических заболеваний связаны с нарушением механизмов репарации.

В итоге Томас Линдаль сумел обнаружить целый ряд ферментов, которые составляют класс ДНК-гликозилаз, распознающих наличие в ДНК поврежденных участков и удаляющих их. Затем другие ферменты (полимераза и лигаза) синтезируют соответствующий участок ДНК вместо удаленного и "сшивают" цепочку. Такая методика получила название эксцизионная репарация, то есть, "вырезание". Впервые воспроизвести в лаборатории процесс репарации ДНК человека удалось в 1996 году. Интересно, что Томас Линдаль является членом Нобелевского комитета. В связи с этим комитет выпустил специальное сообщение, в котором подчеркнул, что Линдаль не участвовал в присуждении ему Нобелевской премии.

Механизм эксцизионной репарации изучал и Азиз Санджар, который начал свои эксперименты тоже в 70-х. В процессе опытов ученый заметил, что  бактерии, получившие смертельную дозу ультрафиолетового излучения, выживают, если их осветить синим светом. Чтобы понять, почему так происходит, Санджар клонировал ген, который отвечает за синтез фермента фотолиазы, восстанавливающего повреждения ДНК, нанесенные ультрафиолетом. Также ученый сумел вывести тип бактерий, которые усиленно продуцировали этот фермент. Как выяснилось, ДНК-фотолиаза действительно активируется видимым светом и использует для работы его энергию. Тогда работа Санджара не вызвала особого интереса, но он продолжил исследования. Со временем ученый понял, что у бактерий есть две системы восстановления: одна работает на свету, а другая действует и в темноте. Санджар смог определить бактериальные ферменты, которые идентифицируют поврежденный участок ДНК, а затем делают два разреза в цепочке, удаляя кусок из 12-13 нуклеотидов, содержащий поврежденную часть. Затем в дело вступают ДНК-полимераза и ДНК-лигаза, достраивая недостающий фрагмент и "сшивая" цепочку. Как и Линдаль, Санджар перешел со временем от бактериальной ДНК к ДНК человека. Как оказалось, в них действуют хоть и более сложные, но довольно схожие механизмы. Специфический фермент определяет тот тип повреждения ДНК, за который он отвечает, этот участок вырезается, синтезируется новый на замену, после чего разрезы зашиваются.

Еще один лауреат химического Нобеля, Пол Модрич, в начале своей карьеры исследовал ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы, а в дальнейшем обратил внимание на другой класс ферментов, ДНК-метилтрансферазы,  задействованные в репарации ДНК. Новый класс ферментов служат своеобразными указателями, помогающими другим ферментам разрезать цепочку ДНК в нужном месте. В процессе дельнейших исследований Модрич открыл особый механизм репарации ДНК - репарацию ошибочно спаренных нуклеотидов. Она нужна, когда в процессе удвоения ДНК при клеточном делении возникают неправильные пары нуклеотидов. В этом случае клетке важно заменить именно ошибочно возникший нуклеотид, а не тот, который находится на своем месте. После того как нужный участок идентифицирован, можно использовать технологию эксцизионной репарации: вырезать фрагмент, заменить его на новый и "сшить". Подробности своей работы Модрич описал еще в 1989 году, подробно  разъяснив и подтвердив экспериментально, какие ферменты участвуют в исправлении ошибочно спаренных нуклеотидов.

Предполагается, что когда технология эксцизионной репарации получит необходимое развитие, ее будут применять, в первую очередь, для лечения многих форм рака. Биологи также используют этот механизм и при разработке лекарств нового поколения: если удастся подавить оставшиеся у раковых клеток механизмы репарации, это приведет к замедлению или полной остановке роста опухоли.

Несмотря на то что многие недоумевают, почему Линдаль, Модрич и Санджар получили свои премии именно по химии, а не по медицине, эксперты считают, что так оно и должно было быть: ведь в упомянутых работах исследовались фундаментальные механизмы, включающие многие химические аспекты. Хотя эксперименты действительно на стыке медицины и химии, все трое ученых посвятили много лет химическим механизмам сложных процессов репарации.

Примечательно, что Thomson Reuters, которая пытается предсказать потенциальных нобелевских лауреатов, ориентируясь на наукометрические показатели, в очередной раз промахнулась. В частности, аналитики компании прочили победу в области химии американке Каролин Бертоцци, работающей в сфере биоортогональной химии (изучает химические реакции, которые протекают в организме и не мешают его работе). Среди претендентов на Нобелевскую премию по химии были в этом году также американские исследователи Джон Гуденоф и Стэнли Уиттингем, которые еще в начале 80-х создали материал для уже широко применяемых сейчас литий-ионных аккумуляторов.

Кроме того, Нобелевскую премию по химии могли получить Эммануэль Шарпантье из Германии и Дженнифер Дудна из США, разработавшие метод редактирования генома человека CRISPR/Cas9. Технология позволяет точечно редактировать геномы прямо в живых клетках. На сегодня эта методика считается самой перспективной в редактировании генома. Премию за CRISPR/Cas9 не дали, очевидно, из-за того, что это довольно новое направление, которое только начинает развиваться. А Нобелевский комитет, как показывает практика, награждает в основном ветеранов науки и исследования с многолетней историей.  Безусловно, достижения нынешних нобелевских лауреатов принципиально важны и могут иметь практическое применение. Однако с момента их создания прошло немало времени, а технологии все еще недоработаны до того уровня, когда могут использоваться для победы над серьезными заболеваниями.