В декабре. 14 ноября 2014 года, после многих месяцев отсутствия ожидаемых результатов, биохимик Джим Спудич лег в постель, прочитал отрывок из романа, заснул и увидел сон, который изменил фокус всей его области в размышлениях о том, что вызывает общие и часто смертельный порок сердца.
Джим Спудич не из тех заядлых читателей, которые проглатывают книгу за два дня и сразу же переходят к следующей на своей тумбочке. Он просто читает себя перед сном по вечерам, когда хочет отвлечься от мыслей о своей работе. Что большую часть времени.
"Творческое исследование – это не работа – это постоянная, почти детская одержимость, движимая любопытством, которое есть у всех детей," сказал Спудич, Ph.D., профессор биохимии. "Я вижу себя ребенком, которому никогда не приходилось расти."
Но даже ученым нужно спать. 77-летний Спудич обычно получает свою долю – около восьми часов в сутки. Но когда ему понадобится помощь, чтобы свернуть с места, это сработает хорошая тайна убийства, особенно если действие происходит на юго-западе Америки, где он провел несколько лет в детстве и чью покрытую месами местность он много раз летал в кресле пилота. маленький самолет. (Он лицензированный пилот.)
Полет – это лучший выход для Spudich, Douglass M. и Нола Лейшман, профессор сердечно-сосудистых заболеваний. "Я могу выходить раз в пару недель на час, залезать в облака и получать какую-то перспективу, когда все внизу исчезает," он сказал. В частности, его вкус к видам с высоты птичьего полета отдает предпочтение столовым горам, которые выглядят так, как если бы вы отпилили вершину горы.
Однажды вечером, в декабре 2014 года, 54-летняя жена Спудича, Анна, хорошо знающая его вкусы, подсунула ему чтение перед сном – загадка убийства. Спудич выбил несколько глав перед тем, как заснуть, только чтобы проснуться в темноте с зародышем видения, которое разрешит тайну, над которой он размышлял больше года.
"Нет ничего необычного в том, что мы, ученые, ложимся спать, мечтая о наших исследованиях," Спудич сказал. "Отличительной чертой этого сна было то, что он изменил весь ход нашей работы."
Умирая молодым
Когда ему было 5 лет, Спудич переехал со своей семьей из Иллинойса в Феникс, потому что у его старшей сестры была серьезная болезнь сердца, и ее врач предупредил, что она никогда не переживет еще одну холодную зиму. В теплом и сухом климате Аризоны она прожила еще пять лет, прежде чем умерла от сердечного приступа.
Сердце бьется, потому что оно состоит из мышечных клеток, которые ритмично сокращаются синхронно, а затем расслабляются, перекачивая кровь по сосудистой системе. С 1969 года Спудич сосредоточился на паре белков, которые делают возможным любое сокращение мышц. Его интерес заставил его сосредоточиться на определенном заболевании, которое называется гипертрофической кардиомиопатией.
"ГКМП, как мы ее часто называем, была впервые признана генетической болезнью всего около 25 лет назад," Спудич сказал. "Это выражается в том, что молодые спортсмены в расцвете сил падают от внезапной смерти, когда никто даже не знал, что с ними что-то не так."
Определяющим клиническим симптомом HCM является гиперсокращающееся сердце. "Это как если бы вы на короткое время," Спудич сказал. "Проблема в том, что вы делаете это 24 часа в сутки, каждый день своей жизни."
В ответ сердечная мышца утолщается и в конечном итоге становится жесткой, перекрывая кровоток через орган. Прогресс может закончиться внезапной смертью.
Каждый 500 человек страдает HCM. "Число пациентов продолжает расти," Спудич сказал. "Раньше мы не знали, сколько их было, потому что люди не проверяли." Но с открытием того, что ГКМП может возникать – и обычно происходило – в результате генетических мутаций, интенсивный скрининг генов выявил сотни различных мутаций, в основном в небольшом количестве белков механизма сокращения мышц, которые могут вызывать расстройство.
Загадка, которая годами ставила Спудича в тупик, такова: "Обычно мы думаем, что мутации приводят к тому, что белок не работает так же хорошо, как его неизмененная версия; они возятся с тем, что было красивым эволюционным дизайном," он сказал. "Но мутации HCM делают обратное. Они каким-то образом заставляют белок работать лучше.’" Результат – слишком сильное сердцебиение.
Более трети этих мутаций происходит в гене, кодирующем белок, который непосредственно участвует в каждом нашем движении и каждом ударе нашего сердца. Спудич кое-что знает об этом протеине, который называется миозином. В 2012 году он получил желанную премию Ласкера, в основном за изобретение новых способов изучения отдельных молекул миозина и их взаимодействия с другим белком, называемым актином.
Из примерно 40 почти идентичных версий миозина, вырабатываемых в каждой клетке тела, Спудич уделяет наибольшее внимание сердечному миозину, версии, вырабатываемой и используемой клетками сердечной мышцы. На самом деле лаборатория Спудича, состоящая из восьми человек, – одна из немногих в мире, серьезно воздействующих на сердечный миозин человека, – сказал он. "Итак, я обязан продолжать работать над этим, пока мы не пересечем финишную черту."
Современные методы лечения HCM оставляют желать лучшего. Врачи полагаются на обычные сердечные препараты, которые, например, замедляют сердцебиение. Окончательное лечение приходит позже: операция на открытом сердце для удаления лишней сердечной мышцы. "Вы можете сделать это только один раз," Спудич сказал.
Ищете подсказки
Общая структура молекулы миозина, известная с 1960-х годов, напоминает двуглавого монстра: два больших шаровидных "головы" торчащий из стебельчатого хвоста. Давно известно, что миозин иногда принимает позу, в которой его головы сгибаются и прижимаются к хвосту, что напоминает спящего фламинго, спрятавшего голову под крыло.
"Но отношение этого к HCM было по существу неизвестно," Спудич сказал.
Чтобы понять, почему это важно, полезно знать, как сокращаются здоровые мышцы. Спудич сыграл важную роль в объяснении этого в точных молекулярных деталях.
Клетка сердечной мышцы содержит около сотни повторяющихся структурных субъединиц, называемых саркомерами, расположенных одна за другой в ряд. Саркомер состоит из богатого миозином "толстые нити" чередование с параллельным "тонкие нити" сделан из актина.
При более внимательном рассмотрении видно, что каждая толстая нить связана с нижними половинками хвостов молекул миозина. В ответ на электрические импульсы, проходящие через сердце, миозиновые головки, выступающие из толстой нити, поглощают ближайшую актиновую нить, а затем тянут ее, как моряки тянутся вместе за веревку, сближая стенки саркомеров и заставляя мышечные волокна сокращаться. , прежде чем снова расслабиться.
Это сердцебиение. И если эти миозиновые матросы слишком сильно дергают за эти актиновые веревки? Это гиперсжимаемость, отличительная черта HCM.
Но почему это могло произойти?
Около 35-40 процентов всех известных мутаций, вызывающих ГКМ, относятся к сердечному миозину, что делает его очевидным кандидатом для тщательного изучения. Но около дюжины лет назад никто не мог изучить эффекты мутаций сердечного миозина, сказал Спудич, потому что биотехнологии для получения значительных количеств этого миозина, которые могли бы работать, еще не существовало.
Затем один из его постоянных сотрудников в Университете Колорадо придумал, как это осуществить. Спудич отказался от всего, чем он занимался, и начал систематически характеризовать эффекты индуцирующих ГКМ мутаций на функцию молекул сердечного миозина, задавая вопрос: почему такое количество разнообразных мутаций может вызывать гиперсократимость миозина??
Большинство этих мутаций возникает на голове молекулы. Еще одна большая партия находится в верхней части его хвоста. Спудич предположил, что мутации каким-то образом заставили каждую отдельную молекулу сердечного миозина двигаться быстрее или сильнее, чем обычно.
"Но во многих изученных нами мутациях ни скорость, ни сила молекул не учитывали гиперсжимаемость, вызванную мутациями," он сказал. "Нам что-то не хватало."
Сновидение
В декабре. 14, 2014, после многих месяцев не получения ожидаемых результатов, Спудич лежал без сна в постели поздно ночью, гадая, какую улику он упустил.
"Всего на одну ночь перестань думать о своей работе," Анна сказала ему. Она дала ему книгу, которая, как она была уверена, ему понравится: «Меса с привидениями» Луи Л’Амура. Сюжет книги разворачивался в обстановке юго-западной горы, похожей на многие, за которыми Спудич наблюдал сверху во время своего пребывания в воздухе на юго-западе.
Он кивнул примерно на 20 страницах, проснувшись через несколько часов после яркого сна, в котором изображение мезы трансформировалось в молекулу миозина.
Было 5:30.м. Вспыхнув от вдохновения, Спудич вскочил с кровати и направился к своему компьютеру, в его голове возникла новая гипотеза.
Молекулы белков рождаются в виде линейных последовательностей химических строительных блоков, называемых аминокислотами, но эта одномерность длится недолго. Почти как только каждая молекула образуется в клетке, она складывается в характерную трехмерную форму, которую сохранит до конца своей жизнеспособности.
Благодаря широко доступному программному обеспечению для молекулярного моделирования исследователи, включая Спудича, могут быстро вращать интересующую молекулу в любом из трех измерений на экране. Если смотреть с правильной точки зрения, одна часть поверхности миозиновой головы представляет собой широкое пространство, такое же плоское, как столешница сна, который только что разбудил спящего ученого.
Спудич сказал, что те, кто изучает миозин, знают об этой мезоподобной поверхности с 1993 года. Но до сих пор никто не задумывался о его значении.
Каждая аминокислотная последовательность белковой молекулы определяется геном, кодирующим этот конкретный белок. На выбор предлагается 20 различных разновидностей аминокислот, каждая из которых имеет свои отличительные биохимические особенности: например, отрицательный или положительный электрический заряд в сравнении с нейтральным.
Один типичный тип мутации приводит к замене одной аминокислоты на другую.
Команда Спудича ранее сгенерировала компьютерные модели, отмечающие точки вдоль линейной последовательности сердечного миозина, где было обнаружено, что мутированная аминокислота вызывает HCM. Места этих мутаций, казалось, были довольно беспорядочно разбросаны по молекуле.
Но если посмотреть на правильно свернутую молекулу, как сейчас делал Спудич, можно было заметить, что многие из этих мутаций попадают где-то на мезоподобную поверхность головки миозина. Многие другие падали вдоль той части хвоста, в которую упиралась голова, когда молекула принимала свое "спать" позиция.
Все руки на палубе
Группа Спудича изучала около 15 наиболее распространенных мутаций сердечного миозина, вызывающих ГКМ. Они знали, что большинство этих мутаций имели эффект изменения или устранения электрического заряда, который должна была иметь аминокислота в неизмененной молекуле.
Теперь его осенило: противоположности притягиваются. Поверхности с большим количеством положительных зарядов притягиваются к поверхностям с большим количеством отрицательных зарядов на них. Любая мутация, которая снижает это противодействие заряду, может привести к тому, что миозиновая головка будет меньше времени прижиматься к своему хвосту и больше времени будет дергать за ближайшую актиновую нить. Эти мутации не изменяют силу или скорость молекул миозина; они просто делают больше голов, чтобы тянуть.
Спудич и другие упускали из виду следующее: большую часть времени многие миозиновые головки в толстой нити ломаются – по крайней мере, в здоровой сердечной мышце. В толстых волокнах обычно находится огромная резервная армия бездельников миозиновых головок, что хорошо; эти бездельники могут быть задействованы нормальными физиологическими реакциями, когда это необходимо. Но мутации HCM эффективно подталкивают их к работе, даже когда они не нужны.
Спудич рассуждал, что сократительная сила саркомера пропорциональна количеству миозиновых головок "хватание" на актиновую нить в любой момент. Обычно мезоподобная поверхность молекулы сердечного миозина проводит большую часть своего времени в согласованной близости с частью "хвост" секция, изолирующая головку, чтобы она не могла захватить актиновую нить.
Глядя на свернутую молекулу сердечного миозина на экране своего компьютера, Спудич понял, что, ослабляя общее притяжение между головой и хвостом молекулы миозина, индуцирующие ГКМ мутации высвобождали миозиновые головки, чтобы захватить соседний актиновый филамент, увеличивая количество миозиновые головы фактически тянут свой вес в любой момент. Следовательно, гиперсокращающееся сердце. Не совсем доказательство, но гипотеза с светлым будущим.
Группа Спудича с тех пор показала, что мутации в этих подозрительных участках действительно изменяют положение сердечного миозина и заставляют больше задуматься. В статье 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences в соавторстве со Спудичем было высказано предположение, что препарат под названием мавакамтен, который сейчас проходит третью фазу клинических испытаний для лечения ГКМП, может быть успешным в обращении вспять гиперсокращаемости, вызванной широким спектром мутаций, индуцирующих ГКМП. на мезе миозина.
Все пациенты в двух предыдущих исследованиях мавакамтена показали значительное улучшение. Эти испытания спонсировались биотехнологической компанией MyoKardia Inc. из Южного Сан-Франциско., что Спудич стал соучредителем в 1998 году, чтобы ускорить преобразование его результатов в препараты, которые можно было бы использовать в клинической практике для лечения ГКМП. Мавакамтен был плодом этого открытия.
"Препарат переводит доступные головы в недоступное состояние – противоположность тому, что, как я считаю, делает большинство этих мутаций," Спудич сказал.
В принципе, этот подход может применяться к большинству мутаций, вызывающих ГКМП.
Что касается The Haunted Mesa, Спудич в конце концов закончил и, по его словам, получил от него удовольствие. Но то, что запомнилось ему, – это образ столовой горы и ее пророческой силы, проявленный во сне той ночью.
Что, если бы жена Спудича не дала ему эту книгу прочитать в ту ночь? "Я думаю, что кто-то другой наткнулся бы на ту же идею," он сказал. "Мечта только подтолкнула его, ускорив прогресс на несколько лет."
За это все приветствуют Морфеуса. "Сон потрясающий," Спудич сказал. "Вы так долго думали, думали и думали о чем-то. И вдруг мечта решает загадку за тебя."