Нобелевская премия по медицине
В соответствии с этой насчитывающей уже более ста лет традицией, на минувшей неделе были объявлены имена лауреатов за 2004-й год. Радиожурнал «Наука и техника» – тоже по традиции, хотя и не такой старой, – посвящает три выпуска рассказу об учёных-лауреатах, удостоенных этой награды за открытия в области естественных наук – медицины и физиологии, физики и химии.
Мы не раз говорили о том, что Нобелевских премий зачастую удостаиваются учёные весьма преклонного возраста, причём за исследования, выполненные два, три, а то и четыре десятилетия назад. Однако работа, удостоенная премии по медицине и физиологии в нынешнем году, по меркам Нобелевского комитета совсем свежая: она была опубликована всего 13 лет назад. Да и авторы её ещё не достигли пенсионного возраста и продолжают активную научную деятельность.
Итак, 4-го октября Каролинский институт в Стокгольме объявил о том, что Нобелевскую премию 2004-го года поделят между собой двое американских учёных – Ричард Аксел (Richard Axel) и Линда Бак (Linda B. Buck). Этой чести они удостоились за выдающиеся достижения в области изучения механизма обоняния. Примечательно, что награда присуждена за фундаментальные исследования в сфере физиологии, а не за работы прикладного характера в клинической медицине, как это бывает обычно. Председатель Нобелевского комитета Йёран Ханссон (Göran Hansson), говоря о заслугах лауреатов, так сформулировал значение полученных ими результатов:
Благодаря их открытиям мы теперь лучше понимаем, как функционирует человеческий организм. Это поистине уникальный случай в истории науки, чтобы двое исследователей в одиночку, без посторонней помощи, столь подробно и всесторонне изучили механизм действия одного из важнейших чувств человека. Я нисколько не сомневаюсь в том, что результаты этих исследований очень скоро найдут практическое применение в медицине.
Это мнение полностью разделяет Урбан Лендаль (Urban Lendahl), профессор генетики Каролинского института:
Эти исследования действительно открывают новые перспективы. Мы уже делим время на две эпохи: на ту, что была до публикации работы Аксела и Бак, и на ту, что наступила после этого. Их исследование привело к пересмотру очень многих представлений, к смене парадигмы.
Однако прежде чем обратиться к сути открытия новоиспечённых нобелевских лауреатов, давайте кратко познакомимся с ними самими.
Ричард Аксел родился 2-го июля 1946-го года в Нью-Йорке. Практически вся научная жизнь исследователя так или иначе связана с расположенным в его родном городе Колумбийским университетом: в 1962-м году Аксел поступил учиться в Колумбийский колледж при университете, в 1967-м году получил здесь степень бакалавра, здесь же он выполнил те исследования, за которые удостоился теперь Нобелевской премии, здесь он и сегодня ведёт научную работу и преподаёт. Лишь докторскую диссертацию по медицине в 1970-м году Аксел защищал не в родном Колумбийском университете, а в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. Но в 1974-м году он вернулся в альма-матер и приступил там к исследовательской деятельности. Уже через 2 года Аксел пришёл к выводу, что для изучения функции неизвестных генов эффективнее всего искусственно перенести их в чужую клетку, и разработал основанную на этой идее методику. Она стала весомым вкладом учёного в создание целого ряда лекарственных препаратов-бестселлеров. В их числе – «авонекс», широко используемый в терапии рассеянного склероза, и «активаза», применяемая как тромболитическое средство. Прикладные результаты работ Аксела защищены многочисленными патентами, лицензионные отчисления приносят университету из года в год весьма внушительные доходы, сумма которых уже превысила 400 миллионов долларов. Сегодня 58-летний Ричард Аксел – профессор биохимии, молекулярной биофизики и патологии, член Национальной академии наук, Американского философского общества, Американской академии гуманитарных и точных наук, лауреат множества престижных премий за выдающиеся научные достижения, – возглавляет лабораторию в Медицинском институте Хауарда Хьюза при Колумбийском университете. Джордж Рапп (George Rupp), до недавнего времени ректор университета, характеризует новоиспечённого нобелевского лауреата как чрезвычайно дисциплинированного учёного, которым и любознательного исследователя. Впрочем, нельзя умолчать и о том, что некоторые коллеги упрекают Аксела во властолюбии и высокомерии и приписывают ему роль «серого кардинала» в области нейрофизиологии обоняния.
Линда Бак на полгода моложе своего коллеги, с которым она поделила теперь Нобелевскую премию: она родилась 29-го января 1947-го года в Сиэтле. В 1975-м году Бак закончила расположенный здесь же Вашингтонский университет, получив степень бакалавра сразу по двум специальностям – психологии и микробиологии. Пятью годами позже молодая исследовательница защитила докторскую диссертацию по иммунологии в Юго-Западном медицинском центре Техасского университета в Далласе, после чего сразу же приступила к научной деятельности в Колумбийском университете. Совместные с Ричардом Акселом исследования продолжались более 10-ти лет – с 1980-го по 1991-й годы – и завершились той самой публикацией в журнале «Cell», которая удостоена теперь высшей в научном мире премии. В том же году Бак переехала из Нью-Йорка в Бостон, штат Массачусетс, где получила место профессора нейробиологии в Гарвардской медицинской школе. Там она проработала 11 лет, продолжая параллельно вести научно-исследовательскую работу в Медицинском институте Хауарда Хьюза при Колумбийском университете. Начиная с 2002-го года, Линда Бак – профессор, член Национальной академии наук США и лауреат многих научных премий, в том числе европейских, – возглавляет лабораторию в отделе фундаментальных исследований Центра изучения раковых заболеваний имени Фреда Хатчинсона в своём родном Сиэтле, где продолжает изучать генетические и биохимические механизмы, регулирующие восприятие запахов. Разбуженная среди ночи телефонным звонком из Стокгольма, Бак долго не могла понять, что случилось, и лишь пробормотала спросонья, что решительно ничего не имеет против присуждения ей Нобелевской премии, – сообщил журналистам глава Нобелевского комитета Йёран Ханссон. «Её не следовало так рано будить, – сетует ведущий немецкий специалист в области нейрофизиологии обоняния профессор Ханс Хатт (Hans Hatt), заведующий кафедрой физиологии клетки Рурского университета в Бохуме, хорошо знающий Бак по разного рода международным конгрессам и симпозиумам. – Она «сова» и трудоголик к тому же, работает очень много по вечерам и ложится спать поздно». Профессор Хатт отзывается о Линде Бак как о чрезвычайно серьёзном учёном и очень открытом, приветливом человеке.
Итак, в чём же состоит эпохальное открытие американских исследователей, удостоенное Нобелевской премии? В том, что они на молекулярном и на клеточном уровнях изучили и объяснили нейрофизиологический механизм обоняния, позволяющий человеку различать в среднем около 10-ти тысяч запахов. Сама Линда Бак поясняет этот механизм так:
Обоняние начинается в полости носа, на том участке слизистой оболочки, где миллионы специализированных нейросенсорных клеток улавливают молекулы пахучих веществ. Соответствующие сигналы поступают в отдел головного мозга, именуемый обонятельной луковицей, а уже оттуда – в другие отделы головного мозга, которые, в конечном счёте, и позволяют нам осознанно воспринимать и различать запахи и испытывать связанные с ними эмоции.
Но это, следует признать, слишком общее описание, лишённое подробностей, а в них-то и заключено самое интересное. Обоняние долгое время оставалось наиболее загадочным из чувств. Эксперименты, в ходе которых подопытным животным давали нюхать различные пахучие вещества – одоранты – и при этом измеряли электрическую активность обонятельных нейронов, ясности не внесли: одни и те же нервные клетки реагировали на самые разные запахи, пусть и с разной интенсивностью, так что открыть секрет идентификации тысяч и тысяч ароматов не удавалось. Аксел и Бак подошли к проблеме с другого конца: решили выявить и описать обонятельные рецепторы, то есть протеины, расположенные снаружи на мембране обонятельных клеток и способные улавливать молекулы одорантов. Найти гены, которые кодируют эти белки, казалось не очень сложной задачей – следовало всего лишь определить, какие из них активны в обонятельных клетках полости носа, и только в них. Но из этого ничего не вышло. Причина выяснилась позже: оказалось, что рецепторов этих огромное множество, но все они разные, а главное – синтезируются в ничтожных количествах.
Поиск генов, кодирующих обонятельные рецепторы, значительно упростился после того, как Линда Бак сформулировала три критерия, которым они должны были удовлетворять: в частности, выяснилось, что эти рецепторные протеины имеют строго определённую доменную структуру, так что искать следовало лишь те гены, которые кодируют белки только этой разновидности. Учёным действительно удалось обнаружить целое семейство таких генов, но подлинной сенсацией стало их количество: свыше тысячи! Урбан Лендаль говорит:
Из публикации результатов первого исследования Аксела и Бак мы узнали, какие гены в нашем наследственном материале отвечают за обоняние. Но больше всего научный мир поразило то, что их так много – 3 процента всего генома!
Это у человека! Что касается других млекопитающих, в частности, мышей – а именно на этих лабораторных животных и провели большую часть своих исследований Аксел и Бак, – то у них этот показатель, если иметь в виду активные гены, ещё выше. Иными словами, обоняние обеспечивается большим количеством генов, нежели любое другое из чувств, будь то слух, осязание или даже зрение. Это говорит, прежде всего, о том, что в истории эволюции восприятие запахов всегда играло – и продолжает играть – чрезвычайно важную, нередко жизненно важную роль, причём даже у весьма примитивных организмов. Уже бактерии находят пищу и благоприятную среду обитания по запаху. У рыб число обонятельных рецепторов ещё относительно невелико – около сотни, – но у более высокоорганизованных животных, обитающих на суше, обоняние служит главным средством коммуникации, идёт ли речь о том, чтобы распознать опасность, найти пищу, выбрать брачного партнёра, почуять приближение врага или пометить «свою» территорию. Понятно, что у людей обоняние в процессе эволюции несколько притупилось – вследствие того, что мощное развитие получила речь, обеспечившая более непосредственный обмен информацией. Если у мышей, кошек и собак вся тысяча обонятельных генов реально кодирует соответствующие рецепторные белки, то у человекообразных обезьян в активном состоянии находятся лишь около 700 генов, а у людей – ещё вдвое меньше. Однако восприятие запахов всё же играет весьма важную роль и у человека. Впрочем, к этой теме мы вернёмся чуть позже, а пока продолжим знакомиться с результатами исследований Аксела и Бак.
Итак, они обнаружили и описали более тысячи генов, которые кодируют более тысячи протеинов-рецепторов, ответственных за восприятие запахов. В носовой полости на площади всего в несколько квадратных сантиметров расположены около 30-ти миллионов клеток обонятельного эпителия, однако каждая из них имеет на поверхности мембраны лишь какой-то один вид рецепторного белка и, значит, способна воспринимать весьма ограниченное количество родственных запахов. В результате определённого каскада внутриклеточных биохимических реакций соответствующий сигнал поступает в особый отдел головного мозга, именуемый обонятельной луковицей. Именно здесь расположены примерно 2 тысячи узкоспециализированных образований – так называемых клубочков, – в которых осуществляются первичный приём сигналов от соответствующих рецепторов, их обработка и передача в другие отделы мозга. Поскольку же подавляющее большинство запахов вызываются одновременным действием нескольких различных пахучих молекул, а каждая из обонятельных клеток откликается сразу на несколько родственных запахов, причём реагирует на них с различной интенсивностью, всё огромное многообразие воспринимаемых нами ароматов складывается в мозге как своего рода мозаика.
Механизмы обоняния, выявленные Акселом и Бак, в полной мере относятся и к восприятию так называемых феромонов – биологически активных химических веществ, выделяемых животными, в том числе и человеком, в окружающую среду и специфически влияющих на поведение, физиологическое и эмоциональное состояние других особей того же вида. В частности, феромоны, стимулирующие половое влечение, именуются аттрактантами. Большинство наземных млекопитающих имеют в полости носа, кроме основного органа обоняния, ещё и так называемый вомероназальный, или якобсонов орган. Он-то и участвует в восприятии запахов, управляющих половым поведением. Акселу и Бак удалось выявить отдельное семейство из 140 генов, кодирующих рецепторы клеток вомероназального органа. Ещё недавно считалось, что у человека этот орган закладывается на определённой стадии эмбрионального развития, а затем атрофируется, но сегодня большинство специалистов придерживаются иной точки зрения. Просто влияние вомероназального органа на поведение человека не столь ярко выражено, как у животных, поскольку сознательный компонент в восприятии внешней среды у людей сильнее, чем подсознательный, а восприятие феромонов относится именно к области подсознательного. Да и обычное обоняние для человека больше связано с эмоциями и воспоминаниями. Кстати, открытия Аксела и Бак дают и этому феномену конкретное объяснение: из обонятельной луковицы сигналы передаются митральными клетками в два отдела мозга – в кору больших полушарий, регулирующую наше сознательное поведение, и в гиппокампус – одну из структур внутри лимбической системы, ответственную за эмоции, характер и память. Впрочем, в некоторых случаях обоняние может и человеку спасти жизнь: каждому ясно, сколь важно вовремя почувствовать утечку газа или запах дыма.
Вот и всё на сегодня. В следующем выпуске радиожурнала «Наука и техника» через неделю мы поговорим о лауреатах Нобелевской премии 2004-го года по физике.