Od tlenu wszystko zależy – nagroda Nobla z medycyny

Konrad Siuda

Nagroda Nobla z medycyny otrzymała trójka naukowców – William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza za badania nad komórkowymi mechanizmami adaptacji komórek do zaopatrzenia w tlen. 

Komórki organizmu potrzebują tlenu by generować energię potrzebną im do funkcjonowania. Dostępność tlenu jest kluczowa dla efektywności procesów metabolicznych. Naukowcy badali w jaki sposób komórki określają dostępność tlenu w środowisku i jak reagują na zmiany jego poziomu. 

Mechanizmy regulujące zaopatrzenie w tlen na poziomie organizmu były znane już wcześniej. Kłębek szyjny zlokalizowany w rozwidleniu tętnicy szyjnej wspólnej reaguje na wzrost stężenia dwutlenku węgla i spadek tlenu kurcząc tętnice i regulując częstość oddechu i rytm serca. Kolejnym poziomem regulacji jest układ hormonalny erytropoetyny (EPO). Hormon wydzielany w w wątrobie i korze nerek w odpowiedzi na spadek prężność tlenu we krwi powoduje wzmożenie wytwarzania erytrocytów. Większa liczba czerwonych krwinek i hemoglobiny powoduje, że krew niesie ze sobą więcej tlenu. 

Naukowcy poszukiwali mechanizmu, który stanowi „czujnik” stężenia tlenu na poziomie komórki. Starali się znaleźć odpowiedź na pytanie jak to się dzieje, że komórka może zareagować na taki bodziec odczytując informację zawartą w genomie i uruchomić produkcję odpowiednich białek.

Kluczowy w mechanizmie czujnika tlenowego okazała się kompleks HIF (Hypoksja Inductable Factor – czynnik indukowany niedotlenieniem). Jeden ze składników tego układu – HIF-1 alfa jest peptydem bardzo szybko rozkładanym w komórce gdy zaopatrzenie w tlen jest na prawidłowym poziomie. Gdy zaś tlenu brakuje jego rozkład jest zatrzymywany i jego poziom rośnie. 

Nadal jednak brakowało części elementów układanki by zrozumieć przebieg całego procesu. Odpowiedzi dostarczyły badania, które prowadził William Kaelin nad rzadkim zespołem von Hippla-Lindaua (VHL)charakteryzującym się zwiększoną predyspozycją do niektórych nowotworów. Istotą tej choroby jest uszkodzony gen. Badając komórki z nieprawidłowym genem stwierdzono w nich wzmożoną aktywność genów stymulowanych brakiem tlenu. Wprowadzenie do komórki prawidłowego genu przywracało ich aktywność do prawidłowego poziomu. Badania Kaelina nad genem VHL oraz Ratcliffa i Semeza nad Kompleksem HIF dały kompletny obraz mechanizmu działania regulacji tlenowej procesów w komórce.

Reagowania komórek na zawartość tlenu jest odstawą funkcjonowania wielu procesów przebiegających na poziomie całego organizmu. Mięśnie w czasie wysiłku czy tworzenie czerwonych krwinek stymulowane jest bodźcem tlenowym. Również rozwój płodu czy wzrost naczyń krwionośnych podlega tlenowej stymulacji