Сегодня день рождения молекулярного биолога Сусуму Тонегава

YaZQFEUYods1

Сегодня, 5 сентября, родился первооткрыватель механизма формирования разнообразия антител, нобелевский лауреат Сусуми Тонегава.

Сусуму Тонегава (имя ученого иногда транслитерируют как «Судзуми») родился в Японии, в крупном городе Нагоя. Его отец был инженером в текстильной компании, и, поскольку Сусуму в школе увлекся химией, было естественно пойти по стопам отца. Здесь, однако, в судьбу Тонегава вмешалась политика: он был участником движения против американского присутствия в Японии, поэтому, когда в 1960 году страны снова подписали договор о сотрудничестве, общее для его круга чувство разочарования толкнуло Тонегава в науку.

Более всего его привлекала молекулярная биология, которая после недавнего открытия структуры ДНК и генетического кода начала поставлять одну биологическую сенсацию за другой. Тонегава поступил в аспирантуру Университет Киото, однако уже спустя два месяца после начала работы его научный руководитель решил, что заниматься наукой в Японии — дело для молодого человека бесперспективное, и, в приступе редкого для научных руководителей альтруизма, рекомендовал Сусуму в Америку, в Университет Калифорнии в Сан-Диего.

В Калифорнии Тонегава сначала занялся изучением транскрипции бактериофагов, а затем перешел на исследование эукариотических вирусов в группе будущего нобелевского лауреата Ренато Дульбекко. Здесь снова в судьбу ученого вмешались внешние обстоятелества: поскольку он был стипендиатом программы Фулбрайта, то, по условиям выдачи визы, ученый должен был покинуть США и жить за ее пределами как минимум два года. Хоть бросать незаконченную работу не хотелось, Тонегаве пришлось найти другое место, которым, по обстоятельствам практически случайным, оказался иммунологический институт в Базеле.

Оказавшись в Швейцарии, Тонегава, который почти ничего не понимал в иммунологии, поначалу пытался продолжить работу над вирусами, но потом нашел идеальную для человека с его опытом работы с ДНК тему. В то время в иммунологии в полный рост встал парадокс генетического кодирования антител: если за наследственность, как недавно стало известно, отвечает ДНК и только она, то как кодируется огромное разнообразие антител, которое присутствует (казалось бы изначально) у каждого человека? Если антитела к каждому, даже самому экзотичному веществу или микроорганизму, так или иначе существуют в крови — то где взять столько генов и столько ДНК для их кодирования?

Иммунологи никак не могли ответить на этот вопрос, а для молекулярных биологов той поры эукариоты и их иммунитет казались слишком сложными объектами, чтобы тратить на них время. Человеком, который решил этот парадокс, оказался Сусуму Тонегава.

zEdmQAz-2CI1

Он обнаружил, что кодирующие антитела гены претерпевают сильные перестройки по мере созревания иммунной системы. При гибридизации с матричной РНК выделенная из эмбрионов мыши ДНК давала совершенно другую картину по сравнению с ДНК взрослых животных.

Оказалось, что для производства разнообразия иммуноглобулинов клетки животных обладают совершенно уникальным механизмом перетасовки генов из нескольких отдельных «кусочков». В геноме оплодотворенной яйцеклетки содержится набор из отдельных фрагментов вариабельной части антител (они называются V- , D- и J-сегменты), которые в каждом отдельном лимфоците рекомбинируют с образованием одного уникального варианта на клетку. Когда такой единичный лимфоцит сталкивается с антигеном, точно подходящим для его антитела, он начинает быстро делиться, и количество производителей такого антитела резко возрастает. Это и является основой иммунологической памяти. Дальнейшие работы Тонегавы и других групп позволили полностью раскрыть молекулярный механизм V (D) J-рекомбинации, за что ученый и получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1987 году.

Интересно, что когда принципиальный вопрос с механизмом рекомбинации был решен, Тонегава решил не продолжать успешные исследования в иммунологии, а перешел в совершенно совершенно новую для себя области науки — нейробиологию.

Объектом его интереса стал механизм формирования памяти и обучения — область, пионером которой был Павлов. Однако Тонегава продолжил исследования нашего соотечественника на совершенно другом методическом уровне — методами оптогенетики.

Оптогенетикой называют сочетание генной инженерии и оптики. Оптогенетика позволяет получать животных, определенные клетки которых активируются подачей света по оптоволокну. Автором этого метода является голландец Карл Дизерот. Оптогенетика основана на использовании особых трансмембранных белков — каналродопсинов, которые при облучении синим светом начинают пропускать ионы, что, в случае нейронов, приводит к деполяризации мембраны и нервному импульсу.

Мышам, в геном которых введен ген каналродопсина, обычно в корм добавляют вещество, которое ингибирует синтез каналродопсина. Когда же ингибирование прекращают, трансмембранный белок начинает синтезироваться в активированных клетках, и они оказываются помеченными этим чувствительным к свету белком.

oeVeqCh2qWI1

Сусуму Тонегава на конференции FEBS2013 в Санкт-Петербурге. Его доклад был посвящен работе по формированию у мышей ложной памяти. Осенью того же года статья с описанием работы появилась в Science. Фото: Александр Ершов

Как показал несколько лет назад Тонегава, если синтез каналродопсинов в мозге разблокировать в тот момент, когда мышь активно запоминает новую обстановку, то нейроны, участвующие в формировании памяти этого события (Тонегава называет их «энграмой памяти»), оказываются помеченными. Если облучить мозг такой мыши светом, она неожиданно вспомнит ту ситуацию, в которой она тогда оказалась: если при этом она получала электрический импульс, мышь замрет, если положительный сигнал — реакция будет противоположной.

Сейчас Тонегава продолжает исследования в этой области. Прошлым летом он приезжал с докладом на конференцию FEBS в Санкт-Петербурге, где рассказал о том, что с помощью оптогенетики можно не только активировать энграмму памяти, но и получить ложную память — то есть проассоциировать два события, которые не были связаны в реальности. Буквально на днях вышла новая статья именинника, в которой он показал, что можно поменять эмоциональную модальность памяти, то есть сделать неприятные воспоминания приятными и наоборот. Тонегава не устает подчеркивать, что несмотря на огромные успехи оптогенетики текущее понимание механизмов памяти остается очень неполным. Он, например, со большим скепсисом относится к довольно популярной теории, которая связывает образование памяти с синтезом в нейронах киназы PKMzeta, но очень осторожно говорит на тему того, что же все-таки представляет собой энграмма памяти.