Сам себе корректор В чем важность Нобелевской премии за «починку» ДНК

Нобелевскую премию по химии за 2015 год получат швед Томас Линдал (Tomas Lindahl), американец Пол Модрич (Paul Modrich) и турок Азиз Санджар (Aziz Sancar). Почему их открытия важны? Что они дают человеку? О чем еще говорит выбор Нобелевского комитета? «Лента.ру» объясняет важность работы ученых, отмеченных наградами в этом году.

Что они сделали

Разделившие между собой премию ученые независимо друг от друга описали и объяснили механизмы, с помощью которых клетки «чинят» свою ДНК и таким образом защищают генетическую информацию от повреждений.

В основе каждого из нас лежат 23 хромосомы из отцовской половой клетки и 23 — из материнской. Это и создает исходную версию генома, который закодирован в макромолекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — генома, по инструкциям которого и возникает организм. При каждом делении клеток (уже через неделю эмбрион состоит из 128 единиц, далее в геометрической прогрессии) ДНК копируется заново. И всякий раз при копировании вкрадываются ошибки, которые усугубляются неблагоприятным воздействием природной среды — химическим и радиоактивным. Но у клеток есть целый набор орудий, позволяющий исправлять эти ошибки еще до того, как они привели к опасным последствиям. Именно за открытие этих механизмов Линдал, Модрич и Санджар получили премию. Если бы не эти ферменты, подчеркивают члены Нобелевского комитета, человек превратился бы в химический хаос еще до рождения.

Что это дает

Если бы у человека не имелось механизмов репарации (починки ДНК), то его геном попросту бы «развалился». Сбой даже в одном гене может привести к тому, что кодируемая им информация изменится, в результате чего колоссально возрастет риск появления рака. К примеру, наследственные дефекты приводят к появлению заболевания ксеродерма пигментная, из-за которого у человека отсутствуют ферменты, устраняющие повреждения, наносимые клеткам кожи ультрафиолетовым излучением. В результате риск возникновения рака кожи у страдающих от этого заболевания людей возрастает в разы. Проблемы с репарацией ДНК могут привести и к наследственному раку толстой кишки.

Нередко система репарации ДНК полностью или частично не работает в раковых клетках. Из-за этого их ДНК становится нестабильной, что способствует мутациям и неуязвимости рака в ходе химиотерапии. При этом больные клетки в большой степени зависят от еще работающей системы репарации: без нее ДНК окажется чересчур поврежденной, и больные клетки умрут. Таким образом, подавление механизмов репарации поможет замедлить распространение рака.

После оглашения имен победителей Линдалу задали вопрос, можно ли довести механизмы репарации (починки) ДНК до уровня, который позволит людям жить вечно. Нобелиат ответил отрицательно, добавив, что вообще не верит в бессмертие.

«Я не верю в вечную жизнь, но могу сказать, что в результате повреждения ДНК возникает рак и другие серьезные заболевания. Поэтому мы пытаемся максимально эффективно бороться с этими повреждениями. А для этого первым делом необходимо понять механизмы их появления», — сказал 77-летний биохимик.

По словам ученого, он исследует механизмы репарации ДНК — например, для того, чтобы воспрепятствовать восстановлению раковых клеток после химиотерапии. Линдал пояснил, что в будущем можно будет трансформировать рак и ряд других болезней в хронические, то есть такие, с которыми люди вполне могут жить, как это происходит с диабетом.

Сообразили на троих

В 1960-е годы научное сообщество было уверено, что молекулы ДНК являются крайне прочными и практически не меняются на протяжении всей жизни организмов. Биохимик Томас Линдал (родился в 1938 году), работая в Каролинском институте, показал, что в работе ДНК постоянно накапливаются дефекты — следовательно, должны существовать естественные механизмы «починки» молекул. В 1974 году Линдал нашел фермент, который убирает из ДНК поврежденные кусочки цитозина (это нуклеиновое основание легко теряет аминогруппу и вместо гуанина начинает склеиваться с аденином). В 1980-90-е годы Линдал, к тому времени переехавший в Великобританию, описал работу гликозилаз (группы ферментов, работающих на первом этапе ремонта ДНК) и смог воспроизвести этот процесс (эксцизионная репарация) в лабораторных условиях.

Азиз Санджар родился в 1946 году на юго-востоке Турции (на границе с Сирией). После получения диплома врача в Стамбуле он несколько лет проработал сельским врачом, но в 1973 году заинтересовался биохимией. Его поразило, что бактерии, получив смертельно опасную дозу ультрафиолета, достаточно быстро восстанавливают силы после облучения синим светом в видимом диапазоне. Уже в США, в техасской лаборатории, Санджар определил и успешно клонировал ген фермента, отвечающего за устранение ущерба от ультрафиолета (фотолиазы). В 1970-е годы это открытие не вызвало интереса в американских вузах, и Санджару пришлось пойти простым лаборантом в медицинскую лабораторию Йеля.

Именно там ученый описал вторую систему клеточного ремонта после облучения ультрафиолетом. В отличие от фотолиазы, она функционирует в условиях темноты. В конце 1980-х Санджар получил постоянную должность в Университете штата Северная Каролина в Чэпел-Хилл и изучал общее и различное в том, как чинится ДНК бактерий и человека. На популярном турецком форуме Eksi Sozluk (аналог Reddit) Нобелевскую премию Санджару предрекали еще в 2005 году.

Пол Модрич (родился в 1946 году в штате Нью-Мексико, США) нашел способ, с помощью которого клетки исправляют ошибки в ДНК в процессе деления. Эта система обнаружения и репарации вставок, пропусков и ошибочных спариваний нуклеотидов, возникающих в процессе репликации и рекомбинации ДНК, позволяет снизить вероятность ошибок примерно с десяти в минус восьмой до десяти в минус девятой степени. Сейчас Модрич преподает биохимию в Университете Дьюка и является научным сотрудником Медицинского института Говарда Хьюза.

При чем тут химия

В последние десятилетия химики занимаются все более экзотическими темами — изобретателю динамита Альфреду Нобелю они бы вряд ли пришли в голову. Эксперты нобелевского комитета по химии предпочитают междисциплинарные исследования (в гораздо большей степени, чем комитеты по физике и медицине/физиологии).

Среди последних лауреатов — изобретатели флуоресцентных молекул, демонстрирующих движение клеток, квазикристаллов, компьютерных моделей биофизических процессов и новых микроскопов. Награды 2015 года переломили этот тренд «маргинальных» вопросов: работа ДНК является центральной темой биофизики, биохимии и молекулярной биологии, а в истории Нобелевской премии она была отмечена еще в 1962 году, когда Уотсон, Крик и Уилкинс стали лауреатами за открытие структуры молекулы ДНК.

Кто они

Выбор лауреатов Нобелевской премии по химии в 2015 году (равно как и по физике и физиологии/медицине) явно указал на глобализацию мировой науки — ее двигают вперед уже не только белые мужчины из Европы и США. Нобели впервые достались гражданке Китая (Юю Ту), получили премию еще и два японца, швед, канадец, два американца и — впервые в истории научных премий — турок Азиз Санджар, работающий в США. Карьера Санджара и Юю Ту ярко иллюстрирует проникновения «света просвещения» в самые удаленные уголки планеты: будущий великий биохимик родился в многодетной семье, где оба родителя были безграмотны, и успел проработать несколько лет врачом в турецкой глубинке. Создательница лекарства от малярии даже не смогла получить ученую степень в маоистском Китае, и только потребности войны сделали возможной ее научную работу (в китайской «шарашке»).

Трудно переоценить роль США в современной науке, которая сегодня состоит еще и в том, что именно на территории Штатов работают и получают мировое признание выходцы из развивающихся стран — такие как Санджар. Кстати, именно в ХXI веке США вырвались в лидеры «химического Нобеля»: за 15 лет граждане этой страны лишь два раза не вошли в число получателей награды (в 2007-м и 2011 годах).

Примечательно, что компания Thomson Reuters, которая пытается предсказать потенциальных лауреатов, ориентируясь на наукометрические показатели, как и в 2014 году, не смогла угадать ни одного лауреата. С 2002 года списки Thomson Reuters предсказали 35 обладателей Нобелевской премии. С 2013 года, когда компания угадала с Питером Хиггсом и Франсуа Энглером, ситуация изменилась: будущие лауреаты оказывались среди потенциальных претендентов за прошлые годы. Так, например, в 2014 году Нобелевскую премию по физике разделил с коллегами Судзи Накамура, названный в качестве потенциального лауреата за несколько лет до этого.

По мнению представителей компании, вероятным лауреатом 2015 года являлась американка Каролин Бертоцци, занимающаяся изучением химических реакций, которые протекают в организме и не мешают его работе. Это направление называется биоортогональной химией. Название основано на переносном значении слова «ортогональный», то есть независимый от чего-либо, и обозначает взаимную независимость протекания искусственных и естественных процессов.

Среди претендентов на Нобелевскую премию по химии были также американские исследователи Джон Гуденоф и Стэнли Уиттингем, которые еще в начале 1980 годов описали свойства LiCoO2 в качестве возможного анодного материала для вторичной батареи. Благодаря этому и были разработаны литий-ионные аккумуляторы, сейчас используемые повсеместно.

Нобелевскую премию по химии могли получить Эммануэль Шарпантье из Германии и Дженнифер Дудна из США, разработавшие метод редактирования генома человека CRISPR/Cas9. Механизм использования системы CRISPR/Cas заключается в том, что в ДНК вводится двунитевой разрыв. При этом разрез производится в месте, которое программируется той маленькой молекулой РНК, которая вводится в клетку. Таким образом можно точечно редактировать геномы прямо в живых клетках.