Instytut Karoliński w Sztokholmie przyznał tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie mechanizmów, w jaki sposób komórki odczuwają i adaptują się do zmian dostępności tlenu. Nagrodą podzielą się po równo Amerykanin William G. Kaelin Jr., Brytyjczyk Sir Peter J. Ratcliffe i Amerykanin Gregg L. Semenza. Tlen ma kluczowe znaczenie dla procesów przemiany materii. Tegorocznych laureatów wyróżniono za odkrycie procesów regulacji aktywności genów, które pozwalają organizmowi dopasowywać się do zmian poziomu tlenu. Ich prace pomogły w tworzeniu nowych metod terapii anemii, raka i wielu innych chorób. Ich ubocznym skutkiem jest doping sportowy z wykorzystaniem EPO.
BREAKING NEWS:The 2019 #NobelPrize in Physiology or Medicine has been awarded jointly to William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe and Gregg L. Semenza for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability. pic.twitter.com/6m2LJclOoL
Jak pisze w swym uzasadnieniu Instytut Karoliński, znaczenie tlenu dla życia było jasne od stuleci, jednak bardzo długo nie rozumiano, jak organizm może się adaptować do zmian jego poziomu. Dzięki pracom tegorocznych noblistów nauka zrozumiała jeden z kluczowych dla życia mechanizmów adaptacji, poznała, w jaki sposób wpływa on na przemianę materii w komórkach i procesy fizjologiczne. Dzięki nim możliwe było opracowanie nowych metod terapii wielu chorób, w tym nowotworowych.
Oxygen sensing is central to a large number of diseases. The discoveries made by this years #NobelPrize laureates have fundamental importance for physiology and have paved the way for promising new strategies to fight anaemia, cancer and many other diseases. pic.twitter.com/I7oecTXHGX
NobelPrize7 padziernika 2019
Badania dotyczące mechanizmów gospodarki tlenowej organizmu były wyróżniane medycznym Noblem już wcześniej. W 1931 roku nagrodę przyznano Otto Warburgowi za odkrycie enzymatycznego procesu przemiany pożywienia w energię, zachodzącego z udziałem tlenu w mitochondriach. W 1938 roku nagrodę otrzymał Corneille Heymans, który odkrył, że wyspecjalizowane komórki kłębka szyjnego wyczuwają poziom tlenu w tętnicy szyjnej, komunikują się bezpośrednio z mózgiem i w ten sposób sterują procesem naszego oddychania. Jeśli brakuje nam tlenu, oddychamy szybciej.
Poza reakcją kłębka szyjnego, niedotlenienie (hypoksja) wywołuje też wiele innych, fundamentalnych reakcji fizjologicznych. Kluczowe znaczenie ma podniesienie poziomu homonu, erytropoetyny, czyli EPO, które prowadzi do przyspieszenia produkcji czerwonych ciałek krwi (erytrocytów). Sam fakt enzymatycznej kontroli procesu erytropoezy też nie był niespodzianką, ale bardzo długo nie wiedziano, jak steruje nią poziom tlenu.
Grupa Gregga Semenzy badała gen kodujący EPO i sprawdzała, jak poziom tlenu wpływa na jego aktywność. W badaniach na modyfikowanych genetycznie myszach pokazała, że zmiana fragmentów DNA sąsiadujących z tym genem wpływa na ich reakcję na niedotlenienie. Sir Peter Ratcliffe z zespołem też badał zależną od poziomu tlenu regulację genu EPO. Obie grupy pokazały, że mechanizm wyczuwający O2 jest obecny we wszystkich tkankach, w wielu rożnych rodzajach komórek, nie tylko komórkach nerkowych, które EPO wytwarzają.
W kulturach komórek wątroby Semenza odkrył kompleks białkowy, który wiąże się z ważnym fragmentem DNA w sposób zależny od poziomu tlenu. Nazwał go czynnikiem indukowanym hipoksją (HIF). Prace nad wyizolowaniem tego czynnika przyniosły sukces i w 1995 roku opublikowano pracę, w której go opisano. Okazało się, że HIF składa się z dwóch białek, tak zwanych czynników transkrypcyjnych HIF-1α i ARNT, zidentyfikowano też geny, które je kodują. To pozwoliło rozpocząć pracę nad zrozumieniem całego mechanizmu.
Badania pokazały, że w warunkach dużego dostępu do tlenu komórki zawierają bardzo mało HIF-1α. Gdy poziom tlenu spada, ilość HIF-1α rośnie tak, że może przyłączać się do genów EPO i regulować ich aktywność. Okazało się też, że w normalnych warunkach HIF-1α ulega szybkiej degradacji, natomiast w przypadku hypoksji jest chronione. Z czasem udało się ustalić, że owa szybka degradacja ma związek z aktywnością genu VHL, którego mutacje prowadzą do zespołu von Hippla-Lindaua, zwiększającego ryzyko nowotworów ośrodkowego układu nerwowego i nerek. Grupa Ratcliffa odkryła, że białko VHL może fizycznie oddziaływać z HIF-1α i jest niezbędne w procesie degradacji. Trzeba było jednak wyjaśnić, jak dokładnie poziom tlenu tę relację między VHL i HIF-1α reguluje. Zarówno Kaelin, jak i Ratcliffe w 2001 roku opublikowali prace, które opisały, jak to się dokładnie odbywa.
Instytut Karoliński podkreśla, że przełomowe prace tegorocznych noblistów pozwoliły zrozumieć różne fizjologiczne reakcje organizmu na zmiany poziomu tlenu. Dotyczy to zarówno pracy mięśni podczas silnego wysiłku, zachowania organizmu na dużych wysokościach, jak i mechanizmów kompensowania niedoboru tlenu przez tworzenie nowych naczyń krwionośnych i zwiększanie produkcji czerwonych krwinek. Okazuje się też, że dostępność tlenu z pomocą tego samego mechanizmu wpływa na pracę układu immunologicznego.
Mechanizm opisany przez tegorocznych noblistów ma znaczenie w terapii wielu chorób. Pozwala zrozumieć na przykład anemię związaną z chorobami nerek i upośledzoną w związku z tym produkcją EPO. Jego wykorzystanie daje szanse na skuteczną walkę z rakiem. Komórki nowotworowe namnażają się szybko i potrzebują bardzo dużo tlenu, próby odcięcia raka od krwiobiegu, zablokowania dostępu tlenu są uznawane za jedne z najbardziej obiecujących terapii onkologicznych.
Kolejne przykłady możliwego wykorzystania tej wiedzy to przypadki zawału serca, czy niedokrwiennego udaru mózgu, albo przypadki zranień, gdzie dochodzi do krwotoku, czy też niedotlenienia dziecka przy porodzie. W walce ze skutkami wszystkich tych zaburzeń wiedza, którą mamy dzięki dzisiejszym noblistom ma kluczowe znaczenie. Z niedotlenieniem mamy też do czynienia w sytuacjach niezwiązanych z chorobą, choćby w wysokich górach organizm musi się do rozrzedzenia powietrza przyzwyczaić, tworzy wtedy więcej czerwonych krwinek, a ludzie są w stanie wchodzić na ośmiotysięczniki bez dodatkowego tlenu. Ten efekt wykorzystują na obozach wysokogórskich sportowcy, gdy wracają na niziny są gotowi do większego wysiłku. Czasem wykorzystują go też niezgodnie z prawem. Zrozumienie działania hormonu, erytropoetyny, czyli EPO pozwoliło opracować metodę nielegalnego dopingu.
Rozpoczął się tydzień, podczas którego poznamy laureatów Nagrody Nobla w sześciu dziedzinach. Wśród laureatów można spodziewać się większej liczby kobiet - tak wynika z zapowiedzi sekretarza generalnego Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk Görana Hanssona. Akademia zmieniła zasady nominacji tak, by promować kobiety i osoby różnorodne etnicznie, które do tej pory - jak stwierdziła - były nie dość reprezentowane.
Oprócz nagrody finansowej każdy z laureatów otrzymuje dyplom i złoty medal. Na awersie medalu widnieje profil fundatora nagrody - Alfreda Nobla, wraz z datą jego urodzenia i śmierci zapisaną cyframi rzymskimi. Ta strona medalu jest taka sama w przypadku medycyny i fizjologii, fizyki, chemii, oraz literatury, ponieważ odznaczenia w tych kategoriach wykonał szwedzki rzeźbiarz i grawer Erik Lindberg. Nieco inaczej wygląda awers medalu dla laureata pokojowej Nagrody Nobla oraz ustanowionej dopiero w 1968 roku nagrody w dziedzinie ekonomii.
Każdy z medali jest ręcznie robiony, waży średnio 175 gramów i ma średnicę 66 milimetrów. Najcięższy jest ten z ekonomii, który waży o kilka gramów więcej niż pozostałe. Każdy nagrodzony otrzymuje jeden medal, ale może sobie zażyczyć jego repliki. Ta jednak wybita jest z brązu i jedynie pokryta złotem.
Od 1901 roku laureaci Nagród Nobla są wybierani co roku w dziedzinie: literatury, fizyki, chemii oraz medycyny lub fizjologii. Równie długo przyznawana jest też Nagroda Pokojowa. Alfred Nobel nie ustanowił nagrody dla ekonomistów, którą przyznaje się dopiero od 1968 roku. Jej fundatorem jest Bank Szwecji.
Nazwiska laureatów tradycyjnie ogłaszane są na początku października, wręczenie nagrody ma zaś miejsce w rocznicę śmierci jej fundatora - 10 grudnia w Oslo i Sztokholmie.