Δύο Αμερικανοί ερευνητές, ο Γουίλιαμ Κέιλιν (William G. Kaelin) και ο Γκρέγκ Σεμέντσα (Gregg L. Semenza) τιμήθηκαν, μαζί με τον γεννημένο στη Βρετανία, Πίτερ Ράτκλιφ, (sir Peter J. Ratcliffe) με το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής 2019. Ο τομέας της ιατρικής είναι ο πρώτος στον οποίο απονέμεται κάθε χρόνο το βραβείο Νόμπελ.
Τα βραβεία Νόμπελ για επιτεύγματα στην επιστήμη, την ειρήνη και τη λογοτεχνία απονέμονται από το 1901 και ιδρύθηκαν από τον εφευρέτη και επιχειρηματία Άλφρεντ Νόμπελ. Το 2018 το Νόμπελ Ιατρικής είχαν πάρει δύο ανοσολόγοι, ο Αμερικανός Τζέιμς Άλισον και ο Ιάπωνας Τασούκου Χόνζο, για τις ανακαλύψεις τους για σχετικά με το πώς η χρήση του ανοσοποιητικού συστήματος μπορεί να παίξει ενεργό ρόλο στη θεραπεία κατά του καρκίνου.
Οι τρεις επιστήμονες που βραβεύτηκαν φέτος -από ένα σύνολο 633 υποψηφιοτήτων- ανακάλυψαν πώς τα κύτταρα αισθάνονται και προσαρμόζονται στα κυμαινόμενα επίπεδα οξυγόνου μέσα στο σώμα. Κάθε κύτταρο στο ανθρώπινο σώμα χρειάζεται οξυγόνο για την κανονική του λειτουργία. Και η προσαρμογή σε διαφορετικά επίπεδα οξυγόνου είναι μια από τις βασικές εξελικτικές προσαρμογές για τις περισσότερες μορφές ζωής στη Γη. Η γνώση αυτή ανοίγει το δρόμο για ανάπτυξη στρατηγικών καταπολέμησης σοβαρών ασθενειών, όπως η αναιμία και ο καρκίνος.
Η επιτροπή απονομής, σε ανακοίνωσή της για το βραβείο, το οποίο συνοδεύεται από χρηματικό έπαθλο ύψους 913.000 δολαρίων, δηλώνει πως οι φετινοί νικητές αποκάλυψαν τον μηχανισμό με βάση τον οποίο λειτουργεί μια από τις πιο ουσιαστικές για τη ζωή προσαρμοστικές διαδικασίες. Η συγκεκριμένη έρευνα αποτελεί τη βάση της κατανόησης του πώς τα επίπεδα οξυγόνου μέσα στο σώμα επιδρούν στις μεταβολικές διαδικασίες των κυττάρων και επηρεάζουν τις φυσιολογικές λειτουργίες. Τόσο το περιβάλλον όσο και η φυσιολογική κατάσταση του σώματος καθορίζουν πόσο οξυγόνο είναι διαθέσιμο στα κύτταρα.
Για παράδειγμα, σε μεγαλύτερα υψόμετρα, η διαθεσιμότητα του οξυγόνου μειώνεται. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τους ορειβάτες, οι οποίοι πρέπει να προσαρμοστούν στο υψόμετρο προκειμένου να βοηθήσουν το σώμα τους να αυξήσει την ικανότητα μεταφοράς του οξυγόνου στο αίμα. Αυτό είναι απαραίτητο για την αποφυγή της “ασθένειας του βουνού” και άλλων θεμάτων υγείας που σχετίζονται με το υψόμετρο, όπως οι πνευμονικές και εγκεφαλικές παθήσεις. Τα επίπεδα οξυγόνου στο ανθρώπινο σώμα κυμαίνονται συνεχώς, ανάλογα με το αν το άτομο τρώει ή νηστεύει, ασκείται ή ξεκουράζεται ακόμα και αν είναι στρεσαρισμένο ή ήρεμο. Κατά τη διάρκεια της άσκησης, η παροχή οξυγόνου στους μύες αυξάνεται για την παροχή ενέργειας. Αυτό αφήνει λιγότερο οξυγόνο για άλλα όργανα όπως το συκώτι. Σε πολλές ασθένειες, η βλάβη στα αιμοφόρα αγγεία μπορεί να μειώσει την παροχή αίματος, και συνεπώς την παροχή οξυγόνου, στο προσβεβλημένο όργανο, γεγονός που μπορεί να κάνει τον ασθενή ακόμη πιο άρρωστο. Έτσι, τα επίπεδα οξυγόνου μέσα στο κύτταρο είναι σημαντικά τόσο για υγιείς όσο και για άρρωστους ανθρώπους.
Η επιτροπή απονομής Νόμπελ υπογραμμίζει ότι η αποφασιστική σημασία του οξυγόνου για τη ζωή είναι γνωστή εδώ και χρόνια και η λειτουργία του μεταβολισμού στους ζωικούς οργανισμούς γίνεται όλο και πιο κατανοητή από την εποχή του Αντουάν Λαβουαζιέ (θεμελιωτής της σύγχρονης χημείας) και μετά. “Αλλά η διαδικασία προσαρμογής των κυττάρων στις διακυμάνσεις των επιπέδων οξυγόνου παρέμενε εδώ και χρόνια ένα ανεξιχνίαστο μυστήριο”. Αν το οξυγόνο είναι ένα τόσο σημαντικό στοιχείο για την επιβίωση, πώς αντιμετωπίζει το ανθρώπινο σώμα αυτές τις γρήγορες και συνεχείς διακυμάνσεις;
Αρχικά, λίγο μετά το 1990, οι Semenza και Ratcliffe ανακάλυψαν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, ότι τα κύτταρα προσαρμόζονται στις αλλαγές των επιπέδων οξυγόνου φτιάχνοντας περισσότερη ποσότητα από μια πρωτεΐνη που ονομάζεται HIF-1. Όταν τα επίπεδα οξυγόνου μειώνονται, η πρωτεΐνη HIF αναστέλλει τις διαδικασίες κατανάλωσης οξυγόνου των κυττάρων αλλάζοντας τη δραστηριότητα πολλών γονιδίων, και επιτρέποντας έτσι στα κύτταρα να προσαρμοστούν γρήγορα και να επιβιώσουν στο περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου. Λίγα χρόνια αργότερα, οι Kaelin και Ratcliffe χαρακτήρισαν πώς τα επίπεδα οξυγόνου στα κύτταρα ρυθμίζουν την ποσότητα του HIF-1 που παράγεται. Μετά αυτή τη θεμελιώδη ανακάλυψη, πολυάριθμες μελέτες από ερευνητές σε όλο τον κόσμο, αποκάλυψαν τους πολλούς ρόλους αυτής της πρωτεΐνης στη διατήρηση της υγείας του σώματος και πώς μπορεί να εμφανιστούν ασθένειες όταν σπάσει το σύστημα ανίχνευσης του οξυγόνου. Η πρωτεΐνη HIF είναι πλέον γνωστό ότι ελέγχει μια ποικιλία λειτουργιών σε πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των κυττάρων του ανοσοποιητικού, του εγκεφάλου και των καρκινικών κυττάρων.
Ζωτικής σημασίας το πώς τα κύτταρα αισθάνονται το οξυγόνο
Το οξυγόνο, με τύπο Ο2 (βρίσκεται συνήθως ως μόριο ενωμένο με δύο άτομα), αποτελεί περίπου το ένα πέμπτο της γήινης ατμόσφαιρας και είναι απαραίτητο για τη ζωή των ζώων: χρησιμοποιείται από τα μιτοχόνδρια που υπάρχουν σε όλα σχεδόν τα ζωικά κύτταρα για να μετατρέψουν την τροφή σε ενέργεια. Ο Otto Warburg, αποδέκτης του Βραβείου Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 1931, αποκάλυψε ότι αυτή η μετατροπή είναι μια ενζυματική διαδικασία.
Κατά την εξέλιξη των ειδών, αναπτύχθηκαν μηχανισμοί για να εξασφαλιστεί επαρκής παροχή οξυγόνου στους ιστούς και τα κύτταρα. Το σώμα των καρωτίδων μας -τα δύο μεγάλα αιμοφόρα αγγεία και στις δύο πλευρές του λαιμού- περιέχει εξειδικευμένα κύτταρα που αντιλαμβάνονται τα επίπεδα οξυγόνου του αίματος. Το 1938, το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής δόθηκε στον Corneille Heymans για τις ανακαλύψεις του που έδειχναν πώς η αίσθηση του οξυγόνου στο αίμα μέσω του καρωτιδικού σώματος ελέγχει τον αναπνευστικό ρυθμό επικοινωνώντας απευθείας με τον εγκέφαλο. Εκτός από την ταχεία προσαρμογή της καρωτίδας στα χαμηλά επίπεδα οξυγόνου (υποξία), υπάρχουν και άλλες θεμελιώδεις φυσιολογικές προσαρμογές.
Βασική φυσιολογική απόκριση στην υποξία είναι η αύξηση των επιπέδων της ορμόνης ερυθροποιητίνης (ΕΡΟ), η οποία οδηγεί σε αυξημένη παραγωγή ερυθρών αιμοσφαιρίων (ερυθροποίηση). Η ερυθροποιητίνη παράγεται από κύτταρα στους νεφρούς και είναι απαραίτητη για τον έλεγχο του σχηματισμού ερυθροκυττάρων. Η σημασία του ορμονικού ελέγχου της ερυθροποίησης ήταν ήδη γνωστή στις αρχές του 20ου αιώνα, αλλά ο τρόπος με τον οποίο αυτή η διαδικασία ελεγχόταν από το οξυγόνο παρέμεινε ένα μυστήριο.
Ο Gregg Semenza μελέτησε το γονίδιο της ερυθροποιητίνης και πώς ρυθμίζεται από τα διαφορετικά επίπεδα οξυγόνου. Χρησιμοποιώντας γονιδιακά τροποποιημένους ποντικούς, βρήκε ότι ειδικά τμήματα DΝΑ που βρίσκονται δίπλα στο γονίδιο της ΕΡΟ μεσολαβούν ως απόκριση στην υποξία. Ο sir Peter Ratcliffe μελετούσε επίσης την εξαρτώμενη από το οξυγόνο ρύθμιση του γονιδίου της ΕΡΟ. Και οι δύο ερευνητικές ομάδες διαπίστωσαν ότι ο μηχανισμός ανίχνευσης οξυγόνου υπήρχε σχεδόν σε όλους τους ιστούς, όχι μόνο στα νεφρικά κύτταρα όπου παράγεται η ΕΡΟ. Αυτά ήταν σημαντικά ευρήματα που έδειξαν ότι ο μηχανισμός ήταν γενικός και λειτουργούσε σε πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων.
Ο Semenza, σε καλλιεργημένα ηπατικά κύτταρα, ανακάλυψε ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών που δεσμεύεται στο αναγνωρισμένο τμήμα DΝΑ με τρόπο εξαρτώμενο από τη διαθεσιμότητα του οξυγόνο. Ονόμασε αυτό το σύμπλεγμα HIF (hypoxia-inducible factor). Εκτεταμένες προσπάθειες κατανόησης του συμπλέγματος HIF ξεκίνησαν και το 1995, όταν ο Semenza δημοσίευσε μερικά από τα βασικά του ευρήματα, συμπεριλαμβανομένης της ταυτοποίησης των γονιδίων που κωδικοποιούν τον HIF.
Ο HIF βρέθηκε να αποτελείται από δύο διαφορετικές πρωτεΐνες που δεσμεύουν το DNA, τους λεγόμενους παράγοντες μεταγραφής, που τώρα ονομάζονται HIF-1α και ARNT. Όταν τα επίπεδα οξυγόνου είναι υψηλά, τα κύτταρα περιέχουν πολύ λίγο HIF-1α. ‘Οταν τα επίπεδα οξυγόνου είναι χαμηλά, αυξάνεται η ποσότητα του HIF-1α έτσι ώστε να μπορεί να δεσμεύεται και επομένως να ρυθμίζει το γονίδιο ΕΡΟ καθώς και άλλα γονίδια. Πολλές ερευνητικές ομάδες έδειξαν ότι ο HIF-1α, που κανονικά αποικοδομείται ταχέως, διαφεύγει αυτής της διαδικασίας όταν υπάρχει υποξία. ‘Οταν υπάρχουν κανονικά επίπεδα οξυγόνου, μια κυτταρική μηχανή που ονομάζεται πρωτεάσωμα (proteasome), αναγνωρισμένη με το Βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2004, υποβαθμίζει τον HIF-1α. Κάτω από αυτές τις συνθήκες ένα μικρό πεπτίδιο, η υβικουιτίνη (ubiquitin), προστίθεται στην πρωτεΐνη HIF-1α. Η υβικουιτίνη λειτουργεί ως μια “ετικέτα” για τις πρωτεΐνες που προορίζονται για αποικοδόμηση στο πρωτεάσωμα -δηλαδή τις επισημαίνει με ένα σημάδι.
Ο τρόπος με τον οποίο η υβικουιτίνη δεσμεύεται από την πρωτεΐνη HIF-1α, κατά τρόπο εξαρτώμενο από το οξυγόνο, παρέμεινε το κεντρικό ερώτημα και η απάντηση ήρθε από μια απροσδόκητη κατεύθυνση. Την ίδια περίπου εποχή που ο Semenza και ο Ratcliffe εξέταζαν τη ρύθμιση του γονιδίου της EPO, ο ερευνητής του καρκίνου William Kaelin, μελετούσε ένα κληρονομικό σύνδρομο, τη νόσο von Hippel-Lindau (νόσος VHL). Αυτή η γενετική ασθένεια οδηγεί σε δραματικά αυξημένο κίνδυνο ορισμένων καρκίνων σε οικογένειες με κληρονομικές μεταλλάξεις. Ο Kaelin έδειξε ότι το γονίδιο της VHL κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη που αποτρέπει την εμφάνιση του καρκίνου. Έδειξε επίσης ότι τα καρκινικά κύτταρα που δεν διαθέτουν λειτουργικό γονίδιο VHL εκφράζουν μη φυσιολογικά υψηλά επίπεδα γονιδίων που ρυθμίζονται από την υποξία. Αλλά όταν το γονίδιο VHL επανεισάγεται σε καρκινικά κύτταρα, αποκαθίστανται τα φυσιολογικά επίπεδα. Αυτή ήταν μια σημαντική ένδειξη ότι το VHL εμπλεκόταν στον έλεγχο των αποκρίσεων στην υποξία.
Πρόσθετες ενδείξεις προήλθαν από διάφορες ερευνητικές ομάδες που έδειξαν ότι το VHL αποτελεί μέρος ενός συμπλέγματος που επισημαίνει τις πρωτεΐνες με υβικουιτίνη, χαρακτηρίζοντάς τες για αποικοδόμηση στο πρωτεάσωμα. Ο Ratcliffe και η ερευνητική ομάδα του έκαναν μια σημαντική ανακάλυψη: ότι το VHL μπορεί να αλληλεπιδράσει με το HIF-1α και απαιτείται για την αποικοδόμηση του σε φυσιολογικά επίπεδα οξυγόνου.
Χάρη στο πρωτοποριακό έργο των τριών βραβευθέντων με Νόμπελ ερευνητών, γνωρίζουμε περισσότερα για το πώς τα διαφορετικά επίπεδα οξυγόνου ρυθμίζουν θεμελιώδεις φυσιολογικές διεργασίες. Η ανίχνευση οξυγόνου επιτρέπει στα κύτταρα να προσαρμόζουν το μεταβολισμό τους σε χαμηλά επίπεδα οξυγόνου: για παράδειγμα στους μύες μας κατά την έντονη άσκηση. Άλλα παραδείγματα προσαρμοστικών διεργασιών που ελέγχονται από την ανίχνευση οξυγόνου περιλαμβάνουν τη δημιουργία νέων αιμοφόρων αγγείων και την παραγωγή ερυθρών αιμοσφαιρίων. Το ανοσοποιητικό μας σύστημα και πολλές άλλες φυσιολογικές λειτουργίες ρυθμίζονται επίσης από τους μηχανισμούς ανίχνευσης του οξυγόνου.
Η ανίχνευση του οξυγόνου έχει αποδειχθεί ότι είναι ουσιαστικής σημασίας κατά την ανάπτυξη του εμβρύου για τον έλεγχο του φυσιολογικού σχηματισμού αιμοφόρων αγγείων και της ανάπτυξης του πλακούντα. Επίσης η ανίχνευση του οξυγόνου αποτελεί κεντρικό στοιχείο πολλών ασθενειών. Για παράδειγμα, οι ασθενείς με χρόνια νεφρική ανεπάρκεια συχνά υποφέρουν από σοβαρή αναιμία λόγω μειωμένης έκφρασης του γονιδίου της ΕΡΟ.
Τέλος, ο μηχανισμός που ελέγχεται από το οξυγόνο έχει σημαντικό ρόλο στον καρκίνο. Στους όγκους, ο μηχανισμός που ελέγχεται από το οξυγόνο χρησιμοποιείται για να διεγείρει το σχηματισμό αιμοφόρων αγγείων και να αναμορφώσει το μεταβολισμό για τον αποτελεσματικό πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων. Τα καρκινικά κύτταρα διαιρούνται και αναπτύσσονται γρήγορα και έχουν μεγαλύτερη όρεξη τόσο για θρεπτικά συστατικά όσο και για οξυγόνο. Αλλά τα αιμοφόρα αγγεία που τροφοδοτούν τον όγκο δεν μπορούν να συμβαδίσουν με την ανάπτυξη του καρκίνου. Τα έξυπνα καρκινικά κύτταρα επιβιώνουν παράγοντας μεγαλύτερες ποσότητες πρωτεΐνης HIF. Οι HIF πυροδοτούν αλλαγές στον μεταβολισμό των καρκινικών κυττάρων και τις μετατρέπουν σε λειτουργία χαμηλού οξυγόνου και χαμηλής ενέργειας. Αυτό βοηθά τα καρκινικά κύτταρα να επιβιώσουν σε συνθήκες φτωχές σε οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά και να συνεχίσουν να αναπτύσσονται και να εξαπλώνονται. Κάποιες έρευνες έχουν δείξει ακόμη ότι η αύξηση της πρωτεΐνης HIF στα καρκινικά κύτταρα προκαλεί αντίσταση στα φάρμακα χημειοθεραπείας. Έτσι, οι φαρμακευτικές εταιρείες στοχεύουν πλέον τις πρωτεΐνες HIF για τη θεραπεία πολλών καρκίνων.
Οι προσπάθειες σε ακαδημαϊκά εργαστήρια και ορισμένες φαρμακευτικές εταιρείες επικεντρώνονται τώρα στην ανάπτυξη φαρμάκων που μπορούν να επηρεάσουν διαφορετικές καταστάσεις ασθενειών είτε ενεργοποιώντας είτε μπλοκάροντας τους μηχανισμούς ανίχνευσης οξυγόνου.
