Alitalo, Kari

Jaakkola, Panu

Karppinen, Peppi

Myllyharju, Johanna

Finnish

Helsingin yliopiston digitaalinen arkisto

PALKINNOTV uoden 2019 fysiologian ja lääketie‑teen Nobelin palkinnon saivat Sir Peter Ratcliffe (Oxfordin yliopisto, Yhdisty‑nyt kuningaskunta), William Kaelin Jr. (Har‑vard Medical School, Boston, Yhdysvallat) ja Gregg Semenza ( Johns Hopkins University, Baltimore, Yhdysvallat) (KUVA 1) solujen mo‑lekyylitason hapentunnistusmekanismien löy‑tämisestä. Sama kolmikko sai vuonna 2016 yhdysvaltalaisen lääketieteellisen Lasker Award ‑palkinnon, joka on monesti ennustanut Nobe‑lin palkinnon saamista (1).Riittävä hapensaanti on välttämätöntä ihmis‑ten lisäksi kaikille korkeammille elämänmuo‑doille energian tuottamiseksi mitokondrioissa. Solujen on pystyttävä reagoimaan hapenpuut‑teeseen eli hypoksiaan nopeasti sekä pitämään hapensaanti riittävänä. Hapen merkitys elimis‑tölle ja punasolujen rooli hapenkuljetuksessa on tunnettu pitkään. Ensimmäiset mekanismit, joilla solut reagoi‑vat hypoksiaan, löydettiin vasta 1990‑luvulla huolimatta siitä, että hypoksian tiedetään ole‑van merkittävä tekijä lukuisissa sairauksissa. Näihin kuuluvat muun muassa munuaisten vajaatoiminnasta ja muista syistä johtuvat ane‑miat, sydän‑ ja verisuonitautien ja diabetek‑sen komplikaatiot sekä monet tulehdustilat. Hypoksialla on merkittävä rooli myös syövän kasvussa ja resistenssissä säde‑ ja lääkehoidol‑le (2). Nykyään tiedetään, että solut reagoivat hypoksiaan aktivoimalla satojen geenien luen‑Panu Jaakkola, Johanna Myllyharju, Peppi Karppinen ja Kari AlitaloNobelin palkinto 2019 solujen hapen-tunnistusmekanismien löytäjilleKUVA 1. Vuoden 2019 Lääketieteen Nobel-palkinnon saajat. Vasemmalta Gregg Semenza, William Kaelin Jr. ja Sir Peter Ratcliffe. Kuva Institute De Francen palkinnonjakoseremoniasta vuodelta 2012.taa. Tätä kautta hypoksia lisää punasolujen määrää ja hapenkuljetusta kudoksiin, muuttaa energia‑aineenvaihdunnan mitokondriaalisesta glykolyyttiseksi sekä auttaa soluja selviytymään vähähappisissa olosuhteissa.Hapentunnistusmekanismien jäljille päästiin munuaisista erittyvän, punasolujen tuotantoa lisäävän erytropoietiini (EPO) ‑geenin kautta. Semenzan ryhmä löysi EPO‑geenistä hypok‑siassa aktivoituvan DNA‑sekvenssin (hypoxia response element, HRE) (3). Ratcliffen ryh‑mä huomasi nopeasti, että HRE‑mekanismi ei ole spesifinen EPO:lle tai munuaissoluille, vaan se toimii käytännössä kaikissa ihmisen soluissa (4). Vastaavia HRE‑alueita tunnistet‑tiin myöhemmin useista muistakin hypoksiassa indusoituvista geeneistä, mukaan lukien useat glykolyyttiset entsyymit (5,6). Seuraava läpimurto tapahtui, kun Semenzan ryhmä eristi hypoksiaindusoituvan tumateki‑jän (7). Se koostui kahdesta proteiinista, jotka nimettiin hypoksiassa indusoituviksi tekijöiksi (hypoxia inducible factor, HIF) 1 alfa ja 1 bee‑ta (HIF‑1α ja HIF‑1β). Ryhmä osoitti, että HIF‑1‑alfa‑proteiinin hajotustahti on happiosa‑paineesta riippuvainen. Ryhmä osoitti myös, että HIF lisää useiden muidenkin hypoksiassa indusoituvien geenien luentaa. Tällaiset geenit tuottavat esimerkiksi endoteelikasvutekijää (VEGF), joka on oleel‑linen verisuonten uudiskasvussa esimerkiksi ateroskleroottisten kudosiskemioiden ja syöpä‑kasvainten yhteydessä. Solujen HIF‑1‑alfa‑pitoisuus lisääntyykin voimakkaasti erityisesti syöpäkasvainten huonosti happeutuneissa osis‑sa. Pian HIF‑1‑alfan löydyttyä Ratcliffen ryhmä tunnisti siitä uudentyyppisen alueen, joka vas‑taa HIF‑1‑alfan hapesta riippuvaisesta hajotuk‑sesta (8).Samanaikaisesti Semenzan ja Ratcliffen hypoksiatutkimusten kanssa Kaelin tutki pe‑rinnöllistä von Hippel–Lindaun (VHL) tau‑tia. Sitä sairastavilla on riski sairastua muun muassa hemangioomiin, feokromosytoomaan sekä kirkassoluiseen munuaissyöpään, joissa kaikissa on huomattavan runsas uudis veri‑suonitus. Kaelinin ryhmä eristi VHL‑geenin ja osoitti sen tuottaman proteiinin (pVHL) estä‑vän kasvainten kasvua (9). Suurimmasta osasta kirkassoluisia munuaissyöpiä löytyi joko VHL‑geenin mutaatio tai inaktivaatio, minkä Kaelin osoitti johtavan hypoksiavasteesta tuttujen geenien ilmentymiseen. Tämä löydös liitti yh‑teen kaksi alun perin erillisiltä näyttävää tutki‑muskohdetta, hypoksiavasteen ja VHL‑geenin mutaatiot (10).Kaelin osoitti myös, että VHL on osa E3‑ubi‑kitiiniligaasi‑proteiinikompleksia, joka sääte‑lee monien valkuaisaineiden proteasomaalista hajotusta (11). Pian tämän löydöksen jälkeen Ratcliffen ryhmä näytti, että pVHL:ää vaadi‑taan HIF‑1‑alfan hajotukseen, jota ei tapahdu hypoksiassa, jossa HIF‑1‑alfa ja siitä riippuvai‑nen hypoksinen geeniluenta aktivoituvat (12).Viimeisenä palapelin osana oli ymmärtää mekanismi, jolla HIF‑1‑alfa merkitään hapesta riippuvaisesti siten, että pVHL tunnistaa sen hajotuksen kohteeksi fysiologisessa happiosa‑paineessa. Merkitsemisen tiedettiin vaativan hapen lisäksi rauta‑atomeja, mikä johti useisiin teorioihin mekanismista sekä kilpajuoksuun niiden löytämiseksi. Tutkijat ehdottivat, että hemin kaltainen proteiini voisi toimia hapen tunnistajana, että happiradikaalit muokkaisivat HIF‑1‑alfaa tai että HIF itse sitoisi rautaa he‑min tavoin.Yllättävä lopputulos, jota tekemässä oli myös Panu Jaakkola, julkaistiin vuonna 2001 Ratclif‑fen ja Kaelinin ryhmien rinnakkaisina artikke‑leina Science‑lehdessä (13,14). Artikkeleissa osoitettiin, että HIF‑1‑alfa merkitään hydrok‑syloimalla proliini‑aminohappo reaktiossa, joka vaatii happea. Tämä johtaa pVHL‑kompleksin sitoutumiseen ja HIF‑1‑alfan hajottamiseen, kun tarjolla on riittävästi happea. Aiemmin oli luultu, että prolyylihydroksylaatiota tarvitaan vain kollageenien synteesissä. Pian tämän jälkeen löydettiin merkitse‑miseen tarvittavat entsyymit (15,16). Nämä HIF‑prolyylihydroksylaasit, joita tunnetaan kolme isoentsyymiä (PHD1–3, EGLN2,1,3 ja HIF‑P4H‑1–3), toimivat happisensoreina kai‑kissa eläinsoluissa ja reagoivat hyvin nopeasti tilanteissa, joissa hapen osapaine laskee liikaa (KUVA 2). Tämänvuotiset Nobelin palkinnon saajat te‑kivät havaintoja, joilla on perustavanlaatuinen merkitys sekä ihmisen fysiologian että monien PALKINNOTP. Jaakkola ym.KUVA 2. Solujen geenitoiminnan aktivoituminen ja suojautumismekanismi happipitoisuuden pienentyessä.  Riittävässä happiosapaineessa HIF-prolyylihydroksylaasit (PHD) merkitsevät HIF-alfa-proteiinin  hydroksylaatiolla (OH), mikä johtaa VHL-geenin tuottaman proteiinin (pVHL) sitoutumiseen sekä HIF-alfan hajottamiseen protea-someissa. Hypoksiassa HIF-alfa  stabiloituu ja sitoutuu HIF-beetan kanssa hypoxia response element (HRE) -geeni säätelyalueisiin. Tämä johtaa yli 300 geenin aktivoitumiseen. Niillä on tehtäviä hapen kuljetuksen ja veri-suonituksen lisäämisessä sekä glykolyyttisen aineenvaihdunnan ja solujen suojelun aktivoimisessa. Esimerkkejä aktivoituvista geeneistä on merkitty kuvaan.Ang-2 = angiopoietin 2, Bcl-2 = B-cell lymphoma 2, BNip3 = BCL2 interacting protein 3, EPO = erythropoietin, GLUT-1 = glucose transporter 1, HIF = hypoxia inducible factor, iNOS = inducible nitric oxide synthase, LDH-A = lactate dehydrogenase ApVHLPHDHIF-α HIF-α HIF-αHIF-αHIF-αHIF-βHIF-βHIF-α:n hajotusHRE DNAOHOHO2O2HappipitoisuusO2PHDHRE:stä riippuva geenien aktivaatioHapenkuljetuksen lisääntyminen       EPO, iNOSUudisverisuonittuminen       VEGF, Ang-2Glykolyyttinen aineenvaihdunta       GLUT-1, LDH-ASolujen selviytyminen       Bcl-2, BNip3sairauksien syntymekanismien ymmärtämises‑sä. Nähtäväksi jää, millaisia lääkkeitä heidän keksimiinsä hapen tunnistusmekanismeihin voidaan kohdistaa erilaisten sairauksien yhtey‑dessä. Rohkaisevaa on, että ensimmäinen lääke, joka estää PHD2:n toimintaa, on hyväksytty munuaisten vajaatoiminnasta johtuvan ane‑mian hoitoon Aasiassa. Myös munuaissyövässä aktivoituvan HIF‑2‑alfan pienimolekyylinen estäjä on antanut lupaavia tuloksia edennyttä munuaissyöpää sairastavien potilaiden hoidos‑sa varhaisen vaiheen kliinisissä kokeissa.Jaakkola työskenteli tutkijatohtorina Ratclif‑fen ryhmässä vuosina 1999–2001 ja oli avain‑tekijä tuona aikana syntyneessä Nobelin pal‑kintoon johtaneessa työssä. Hän on jatkanut tutkimusyhteistyötä ryhmän kanssa. Peppi Karppinen oli tutkijatohtorina Kaelinin ryh‑mässä vuosina 2007–2008 ja jatkaa tutkimus‑yhteistyötä ryhmän kanssa. Johanna Myllyhar‑ju tekee tutkimusyhteistyötä Ratcliffen kanssa, ja Ratcliffe on toiminut tieteellisen asiantuntija‑ryhmän jäsenenä solujen ja soluväliaineen vuo‑rovaikutuksen huippuyksikössä (2012–2017), jonka varajohtaja Myllyharju oli. Kari Alitalo työskentelee aihepiiriin läheisesti liittyvällä tut‑kimusalueella, ja hän on tuntenut nobelistit pit‑kään useista kansainvälisistä yhteyksistä, muun muassa Yhdysvaltain National Academyn jäse‑nenä. ■PANU JAAKKOLA, LT, professori, vs. tutkimusjohtajaHUS Syöpäkeskus ja Helsingin yliopistoJOHANNA MYLLYHARJU, FT, professoriPEPPI KARPPINEN, LT, professoriOulun yliopistoKARI ALITALO, LT, akatemiaprofessoriHelsingin yliopistoNobelin palkinto 2019KIRJALLISUUTTA1. Karppinen P. Lasker Award ‑palkinto hy‑poksiavastereitin selvittäjille – reitin lääk‑keet edenneet kliinisissä kokeissa viimei‑seen vaiheeseen. Duodecim 2017;133:9.2. Minn H, Jaakkola P. Kasvainhypoksia: hait‑ta vai mahdollisuus? Duodecim 2005;121: 1601–4.3. Semenza GL, Nejfelt MK, Chi SM, Antona‑rakis SE. Hypoxia‑inducible nuclear fac‑tors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci U S A 1991;88:5680–4.4. Maxwell PH, Pugh CW, Ratcliffe PJ. In‑ducible operation of the erythropoietin 3’ enhancer in multiple cell lines: evi‑dence for a widespread oxygen‑sensing mechanism. Proc Natl Acad Sci U S A 1993; 90:2423–7.5. Semenza GL, Jiang BH, Leung SW, ym. Transcriptional regulation of genes en‑coding glycolytic enzymes by hypoxia‑inducible factor 1. J Biol Chem 1994;269: 23757–63.6. Firth JD, Ebert BL, Pugh CW, Ratcliffe PJ. Oxygen‑regulated control elements in the phosphoglycerate kinase 1 and lactate dehydrogenase A genes: similarities with the erythropoietin 3’ enhancer. Proc Natl Acad Sci U S A 1994;91:6496–500.7. Wang GL, Semenza GL. Purification and characterization of hypoxia‑inducible fac‑tor 1. J Biol Chem 1995;270:1230–7.8. Pugh CW, O’Rourke JF, Nagao M, ym. Activation of hypoxia‑inducible fac‑tor‑1; definition of regulatory domains within the alpha subunit. J Biol Chem 1997;272:11205–14.9. Iliopoulos O, Kibel A, Gray S, Kaelin WG Jr. Tumour suppression by the human von Hippel‑Lindau gene product. Nat Med 1995;1:822–6.10. Iliopoulos O, Levy AP, Jiang C, ym. Negati‑ve regulation of hypoxia‑inducible genes by the von Hippel‑Lindau protein. Proc Natl Acad Sci U S A 1996;93:10595–9.11. Lonergan KM, Iliopoulos O, Ohh M, ym. Regulation of hypoxia‑inducible mRNAs by the von Hippel‑Lindau tumor suppres‑sor protein requires binding to complexes containing elongins B/C and Cul2. Mol Cell Biol 1998;18:732–41.12. Maxwell PH, Wiesener MS, Chang GW, ym. The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia‑inducible factors for oxygen‑dependent proteolysis. Nature 1999;399:271–5.13. Jaakkola P, Mole DR, Tian YM, ym. Tar‑geting of HIF‑alpha to the von Hippel‑Lindau ubiquitylation complex by O2‑regulated prolyl hydroxylation. Science 2001;292:468–72.14. Ivan M, Kondo K, Yang H, ym. HIFalpha targeted for VHL‑mediated destruction by proline hydroxylation: implications for O2 sensing. Science 2001;292:464–8.15. Epstein AC, Gleadle JM, McNeill LA, ym. C. elegans EGL‑9 and mammalian homo‑logs define a family of dioxygenases that regulate HIF by prolyl hydroxylation. Cell 2001;107:43–54.16. Bruick RK, McKnight SL. A conserved fa‑mily of prolyl‑4‑hydroxylases that modify HIF. Science 2001;294:1337–40.PALKINNOTP. Jaakkola ym.

Nobelin palkinto 2019 solujen hapen-tunnistusmekanismien löytäjille

https://helda.helsinki.fi/bitstream/10138/323884/1/duo15205.pdf

Nobelin palkinto 2019 solujen hapen-tunnistusmekanismien löytäjille

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Helsingin yliopiston digitaalinen arkisto