Кристиан де Дюв: Биография и научные открытия

Введение

Бельгийский биохимик и цитолог (1917–2013)

Кристиан Рене Мари Жозеф, виконт де Дюве (2 октября 1917 – 4 мая 2013) был бельгийским цитологом и биохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Он сделал случайные открытия двух клеточных органелл, пероксисомы и лизосомы, за которые разделил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1974 году с Альбертом Клодом и Джорджем Э. Паладе («за их открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки»). Помимо пероксисомы и лизосомы, он ввёл научные термины, такие как аутофагия, эндоцитоз и экзоцитоз, за один раз. Сын бельгийских беженцев времён Первой мировой войны, де Дюве родился в Темзе-Диттоне, Суррей, Англия. Его семья вернулась в Бельгию в 1920 году. Он получил образование у иезуитов в колледже «Наша Дама» в Антверпене и изучал медицину в Католическом университете в Лёвене. Получив степень доктора медицины в 1941 году, он занялся исследованиями в области химии, работая над инсулином и его ролью при сахарном диабете. Его диссертация принесла ему высшую университетскую степень agrégation de l'enseignement supérieur (эквивалент PhD) в 1945 году. Благодаря работе по очистке пенициллина он получил степень магистра в 1946 году. Он прошёл дальнейшее обучение у (будущих лауреатов Нобелевской премии) Хьюго Теорелла в Каролинском институте в Стокгольме, а также у Карла и Герти Кори в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. В 1947 году он поступил на медицинский факультет в Лёвене. В 1960 году его пригласили в Институт Рокфеллера (ныне Рокфеллеровский университет). По взаимной договорённости с Лёвене, с 1962 года он стал профессором в обоих университетах, разделяя время между Лёвене и Нью-Йорком. В 1974 году, в том же году, когда он получил Нобелевскую премию, он основал МКП, который позже был переименован в Институт де Дюве. В 1985 году он стал почётным профессором Университета Лувена, а в 1988 году – профессором Рокфеллера. В 1989 году король Бельгии Бодуэн присвоил де Дюве звание виконта. Он также был лауреатом премии Франки, Международной премии Фонда Гайрднера, премии Хайнекена и медали Э. Б. Уилсона. В 1974 году он основал Международный институт клеточной и молекулярной патологии в Брюсселе, который в конечном итоге был переименован в Институт де Дюве в 2005 году. Он был президентом-основателем премии L'Oréal UNESCO Awards for Women in Science. Он умер в результате легальной эвтаназии после продолжительных страданий от рака и фибрилляции предсердий. Он хотел специализироваться на эндокринологии и присоединился к лаборатории бельгийского физиолога Жозефа П. Буккарта, который в основном интересовался инсулином. В 1940 году, в его последний год обучения в медицинской школе, немцы вторглись в Бельгию. Он был призван в бельгийскую армию и направлен на юг Франции в качестве медицинского офицера. Там он почти сразу же был взят в плен немцами. Его умение свободно говорить по-немецки и по-фламандски помогло ему перехитрить своих захватчиков. Он бежал обратно в Бельгию в приключении, которое позже описал как «более комичное, чем героическое». Впоследствии он получил степень магистра химии в 1946 году, для чего работал над очисткой пенициллина. Чтобы повысить свой уровень в области биохимии, он проходил обучение в лаборатории Хьюго Теорелла (который позже получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1955 году) в Нобелевском медицинском институте в Стокгольме в течение 18 месяцев в 1946–1947 годах. В 1947 году он получил финансовую поддержку в качестве стипендиата Фонда Рокфеллера и в течение шести месяцев работал с Карлом и Герти Кори в Вашингтонском университете в Сент-Луисе (супруги были совместными лауреатами Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1947 году).

Christian René Marie Joseph, Viscount de Duve (2 October 1917 – 4 May 2013) was a Nobel Prize winning Belgian cytologist and biochemist. He made serendipitous discoveries of two cell organelles, peroxisome and lysosome, for which he shared the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1974 with Albert Claude and George E. Palade ("for their discoveries concerning the structural and functional organization of the cell"). In addition to peroxisome and lysosome, he invented scientific names such as autophagy, endocytosis, and exocytosis in a single occasion. The son of Belgian refugees during the First World War, de Duve was born in Thames Ditton, Surrey, England. His family returned to Belgium in 1920. He was educated by the Jesuits at Our Lady College, Antwerp, and studied medicine at the Catholic University of Leuven. Upon earning his MD in 1941, he joined research in chemistry, working on insulin and its role in diabetes mellitus. His thesis earned him the highest university degree agrégation de l'enseignement supérieur (equivalent to PhD) in 1945. With his work on the purification of penicillin, he obtained an MSc degree in 1946. He went for further training under (later Nobel Prize winners) Hugo Theorell at the Karolinska Institutet in Stockholm, and Carl and Gerti Cori at the Washington University in St. Louis. He joined the faculty of medicine at Leuven in 1947. In 1960 he was invited to the Rockfeller Institute (now Rockefeller University). With mutual arrangement with Leuven, he became professor in both universities from 1962, dividing his time between Leuven and New York. In 1974, the same year he received his Nobel Prize, he founded the ICP, which would later be renamed the de Duve Institute. He became emeritus professor of the University of Louvain in 1985, and of Rockefeller in 1988. De Duve was granted the rank of Viscount in 1989 by King Baudouin of Belgium. He was also a recipient of Francqui Prize, Gairdner Foundation International Award, Heineken Prize, and E. B. Wilson Medal. In 1974 he founded the International Institute of Cellular and Molecular Pathology in Brussels, eventually renamed the de Duve Institute in 2005. He was the founding President of the L'Oréal UNESCO Awards for Women in Science. He died by legal euthanasia after long suffering from cancer and atrial fibrillation. He wanted to specialize in endocrinology and joined the laboratory of the Belgian physiologist Joseph P. Bouckaert, whose primary interest was one insulin. During his last year at medical school in 1940, the Germans invaded Belgium. He was drafted to the Belgian army, and posted in southern France as medical officer. There, he was almost immediately taken as prisoner of war by Germans. His ability to speak fluent German and Flemish helped him outwit his captors. He escaped back to Belgium in an adventure he later described as "more comical than heroic". He subsequently obtained a MSc in chemistry in 1946, for which he worked on the purification of penicillin. To enhance his skill in biochemistry, he trained in the laboratory of Hugo Theorell (who later won The Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1955) at the Nobel Medical Institute in Stockholm for 18 months during 1946–47. In 1947, he received a financial assistance as Rockefeller Foundation fellow and worked for six months with Carl and Gerti Cori at Washington University in St. Louis (the husband and wife were joint winners of The Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1947).

Карьера и исследования

В марте 1947 года де Дюве присоединился к преподавательскому составу медицинской школы Католического университета Лёвена, где преподавал физиологическую химию. В 1951 году он стал штатным профессором. В 1960 году Детлев Бронк, тогдашний президент Рокфеллерского института (ныне Рокфеллерского университета) в Нью-Йорке, встретился с ним в Брюсселе и предложил ему должность профессора и лабораторию. Ректор Лёвена, опасаясь окончательно потерять де Дюве, достиг компромисса за ужином: де Дюве сохранил частичную занятость с освобождением от преподавания и проведения экзаменов. Ректор и Бронк заключили соглашение, которое первоначально действовало в течение пяти лет. Официальное внедрение состоялось в 1962 году, и де Дюве одновременно возглавлял исследовательские лаборатории в Лёвене и в Рокфеллерском университете, разделяя время между Нью-Йорком и Лёвеном. В 1969 году Католический университет Лёвена был разделен на два отдельных университета по языковому принципу, что вызвало споры. Де Дюве выбрал присоединиться к франкоязычной части, Université catholique de Louvain. В 1985 году он вышел на пенсию в Университете Лувена, а в 1988 году – в Рокфеллере, однако продолжал заниматься исследованиями. В частности, он изучал распределение ферментов в клетках печени крысы, используя скоростную зональную центрифугу. Его работа по фракционированию клеток дала представление о функциях клеточных структур. Он специализировался на субклеточной биохимии и клеточной биологии и открыл новые клеточные органеллы.

Восстановление глюкагона

Гормон глюкагон был обнаружен К. П. Кимбаллом и Джоном Р. Мёрлином в 1923 году как гипергликемическое (повышающее уровень сахара в крови) вещество среди экстрактов поджелудочной железы. Биологическая значимость глюкагона была неизвестна, и само название практически забылось. Это оставалось загадкой, когда де Дюве присоединился к Букерту в университете Лёвена для работы над инсулином. С 1921 года инсулин был первым коммерческим гормональным препаратом, изначально производимым компанией Eli Lilly and Company, но их методы экстракции содержали примеси, вызывавшие умеренную гипергликемию – прямо противоположный ожидаемому и желаемому эффекту. В мае 1944 года де Дюве понял, что кристаллизация может удалить эти примеси. Он показал, что процесс производства инсулина Lilly был загрязнен, продемонстрировав, что при введении крысам инсулин Lilly вызывал первоначальную гипергликемию, в то время как датский инсулин Novo – нет. После публикации его исследования в 1947 году, Lilly модернизировал свои методы для устранения примесей. К тому времени де Дюве присоединился к Карлу Кори и Герти Кори в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, где он работал с коллегой-исследователем Эрлом Уилбуром Сазерлендом-младшим, который впоследствии получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1971 году. Первоначальная гипотеза де Дюве о том, что глюкагон вырабатывается альфа-клетками поджелудочной железы, подтвердилась, когда он продемонстрировал, что избирательное повреждение альфа-клеток кобальтом прекращало выработку глюкагона у морских свинок; он наконец изолировал очищенный гормон в 1953 году, включая гормон, полученный из птиц. Де Дюве первым предположил, что выработка инсулина (который снижает уровень сахара в крови) стимулирует поглощение глюкозы печенью; он также предложил, что существует механизм, балансирующий выработку инсулина и глюкагона для поддержания нормального уровня сахара в крови (см. гомеостаз). Эта идея вызывала много споров в то время, но его повторное открытие глюкагона подтвердило его тезисы. В 1953 году он экспериментально доказал, что глюкагон действительно влияет на выработку (и, следовательно, на поглощение) глюкозы.

The hormone glucagon was discovered by C. P. Kimball and John R. Murlin in 1923 as a hyperglycaemic (blood sugar elevating) substance among the pancreatic extracts. The biological importance of glucagon was not known and the name itself was essentially forgotten. It was a still a mystery at the time de Duve joined Bouckaert at Leuven University to work on insulin. Since 1921, insulin was the first commercial hormonal drug originally produced by the Eli Lilly and Company, but their extraction methods introduced an impurity that caused mild hyperglycaemia, the very opposite of what was expected or desired. In May 1944 de Duve realised that crystallisation could remove the impurity. He demonstrated that Lilly's insulin process was contaminated, showing that, when injected into rats, the Lilly insulin caused initial hyperglycaemia and the Danish Novo insulin did not. Following his research published in 1947, Lilly upgraded its methods to eliminate the impurity. By then de Duve had joined Carl Cori and Gerty Cori at Washington University in St. Louis, where he worked with a fellow researcher Earl Wilbur Sutherland, Jr., who later won the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1971. De Duve's original hypothesis that glucagon was produced by pancreatic alpha cells was proven correct when he demonstrated that selectively cobalt damaged alpha cells stopped producing glucagon in guinea pigs; he finally isolated the purified hormone in 1953, including those from birds. De Duve was first to hypothesise that the production of insulin (which decreased blood sugar levels), stimulated the uptake of glucose in the liver; he also proposed that a mechanism was in place to balance the productions of insulin and glucagon in order to maintain normal blood sugar level, (see homeostasis). This idea was much disputed at the time, but his rediscovery of glucagon confirmed his theses. In 1953 he experimentally demonstrated that glucagon did influence the production (and thus the uptake) of glucose.

Открытие лизосомы

Кристиан де Дюве и его команда продолжали изучать механизм действия инсулина в клетках печени, сосредоточившись на ферменте глюкозо-6-фосфатазе – ключевом ферменте метаболизма сахара (гликолиза) и мишени инсулина. Они обнаружили, что G6P является основным ферментом, регулирующим уровень сахара в крови, но даже после многократных экспериментов им не удалось очистить и изолировать фермент из клеточных экстрактов. Поэтому они прибегли к более трудоемкой процедуре фракционирования клеток для обнаружения активности фермента. Именно тогда произошло случайное открытие. Для оценки точной активности фермента команда использовала методику со стандартизированным ферментом – кислой фосфатазой, но обнаружила, что активность оказалась неожиданно низкой – весьма низкой, то есть около 10% от ожидаемого значения. Однажды они измерили активность фермента в некоторых очищенных клеточных фракциях, которые хранились в течение пяти дней. К их удивлению, активность фермента вернулась к уровню свежего образца, и подобные результаты воспроизводились каждый раз при повторении процедуры. Это привело к гипотезе о том, что некий барьер ограничивает быстрый доступ фермента к субстрату, в результате чего ферменты могли диффундировать только через определенное время. Они описали этот барьер как мембранную структуру, окруженную мембраной и содержащую кислую фосфатазу. Другой фермент (использованный в процедуре фракционирования клеток) был получен из мембранных фракций, которые, как известно, являются клеточными органеллами. В 1955 году де Дюве назвал их «лизосомами», чтобы отразить их пищеварительные свойства. В том же году Алекс Б. Новиков из Университета Вермонта посетил лабораторию де Дюва и, используя электронную микроскопию, впервые получил визуальное подтверждение существования органеллы лизосомы. Используя метод окрашивания для кислой фосфатазы, де Дюве и Новиков дополнительно подтвердили локализацию гидролитических ферментов (кислых гидролаз) в лизосомах.

Открытие пероксисомы

Случайная удача сопутствовала де Дюву в открытии еще одного важного явления. После подтверждения существования лизосом, команда де Дюве обеспокоилась присутствием (в фракции клеток печени крысы) фермента урат-оксидазы. Де Дюв полагал, что это не лизосома, поскольку это не кислотная гидролаза, типичная для лизосомных ферментов; однако, ее распределение было схожим с распределением фермента кислой фосфатазы. В дальнейшем, в 1960 году он обнаружил другие ферменты (такие как каталаза и D-аминокислотная оксидаза), которые также распределялись в клеточной фракции подобным образом – и тогда считалось, что это митохондриальные ферменты. (В. Бернхард и К. Руйлье ранее описали подобные внемитохондриальные органеллы как микротела и полагали, что они являются предшественниками митохондрий.) Де Дюв отметил, что эти три фермента демонстрировали схожие химические свойства и были аналогичны другим пероксидогенерирующим оксидазам. Де Дюв скептически относился к использованию термина «микротела» для обозначения вновь обнаруженных ферментов, поскольку, как он отмечал, «слишком мало известно об их ферментном составе и роли в физиологии клеток печени, чтобы обосновать такое предложение на данный момент». Он предположил, что эти ферменты принадлежат к одной и той же клеточной органелле, но отличной от ранее известных. В 1966 году он официально опубликовал свои результаты, предложив название пероксисомы для этих органелл, поскольку они участвуют в пероксидазных реакциях. В 1968 году ему удалось впервые получить пероксисомы в больших количествах, подтвердив, что L-α-гидроксикислотная оксидаза, D-аминокислотная оксидаза и каталаза являются уникальными ферментами пероксисом. Де Дюв и его команда показали, что пероксисомы играют важную метаболическую роль, включая β-окисление жирных кислот с очень длинной цепью по пути, отличному от митохондриального; и что они принадлежат к большому семейству эволюционно связанных органелл, присутствующих в различных клетках, включая растительные и простейшие, где они выполняют различные функции. (И им были даны специфические названия, такие как глиоксисомы и гликосомы.)

Происхождение клеток

Работа Де Дюва способствовала формированию растущего консенсуса относительно принятия эндосимбиотической теории, согласно которой органеллы в эукариотических клетках произошли от определенных прокариотических клеток, поселившихся внутри эукариотических клеток в качестве эндосимбионтов. По версии Де Дюва, эукариотические клетки с их структурами и свойствами, включая способность захватывать пищу посредством эндоцитоза и переваривать её внутриклеточно, развились в первую очередь. Впоследствии прокариотические клетки были включены в состав эукариотических клеток для формирования дополнительных органелл. Де Дюв предположил, что пероксисомы, позволившие клеткам противостоять растущему количеству свободного молекулярного кислорода в атмосфере ранней Земли, могли быть первыми эндосимбионтами. Поскольку пероксисомы не содержат собственной ДНК, эта гипотеза имеет значительно меньше доказательств, чем аналогичные утверждения относительно митохондрий и хлоропластов. Последние годы его жизни были посвящены изучению происхождения жизни, в которой, как он признавал, всё ещё преобладали спекуляции (см. тиоэстер).

Религиозные убеждения

Де Дюве был воспитан в католической вере. В последние годы жизни он склонялся к агностицизму, а то и к строгому атеизму. Однако де Дюве полагал, что "большинство современных биологов склонны рассматривать жизнь и разум как космические императивы, заложенные в саму структуру Вселенной, а не как исключительно маловероятные продукты случайности". "Было бы преувеличением сказать, что я не боюсь смерти, – откровенно заявил он бельгийской газете Le Soir всего за месяц до своей кончины, – но я не боюсь того, что последует за ней, поскольку я не верующий". Он твердо отстаивал биологическую эволюцию как установленный факт и отвергал креационизм и теорию разумного замысла, что четко изложено в его последней книге "Генетика первородного греха: влияние естественного отбора на будущее человечества". Он был одним из семидесяти восьми лауреатов Нобелевской премии по науке, поддержавших усилия по отмене Закона Луизианы об образовании в области науки 2008 года.

Семья

Его семья (фон Дюве) происходила из Ганновера и обосновалась в Бельгии после битвы при Ватерлоо. Де Дюв женился на Жанин Герман 30 сентября 1943 года. У них было двое сыновей, один из которых – известный профессор искусствоведения Тьерри де Дюве, и две дочери. Жанин умерла в 2008 году в возрасте 86 лет. Де Дюв был кремирован по своему завещанию, а его прах был распределен между членами семьи и друзьями.

Награды и почести

Де Дюве получил премию Франки за биологические и медицинские науки в 1960 году и Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1974 году. Король Бельгии Бодуэн удостоил его титулом виконта в 1989 году, а в 1973 году Королевская нидерландская академия искусств и наук присудила ему премию доктора Г. П. Хайнекена по биохимии и биофизике. В 1975 году он был избран иностранным членом Национальной академии наук (США). Он получил медаль Хардена Биохимического общества Великобритании в 1978 году, премию Теобальда Смита от Медицинского колледжа Олбани в 1981 году, премию Хименеса Диаса в 1985 году, премию новаторов в области биохимии от Медицинского колледжа Вирджинии в 1986 году и медаль Э. Б. Уилсона в 1989 году. Он также был членом Королевской академии медицины и Королевской академии наук, искусств и литературы Бельгии, Папской академии наук Ватикана, Американской академии искусств и наук, Французской национальной академии медицины, Академии наук Парижа, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina и Американского философского общества. В 1988 году он был избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS) и оставался его президентом до 1991 года. В 1997 году, в день своего 80-летия, институт был переименован в Институт клеточной патологии имени Кристиана де Дюве. В 2005 году его название было сокращено до Института де Дюве. Де Дюве был одним из основателей Бельгийского общества биохимии и молекулярной биологии, основанного 15 сентября 1951 года. Де Дюве запомнился как создатель важной научной терминологии. Он ввел термины «лизосома» в 1955 году, «пероксисома» в 1966 году, а также одновременно термины «аутофагия», «эндоцитоз» и «экзоцитоз» на Симпозиуме фонда Ciba по лизосомам, проходившем в Лондоне 12–14 февраля 1963 года, когда, по его словам, он "был в творческом настроении для создания новых слов". Жизнь Де Дюве, включая его работу, приведшую к получению Нобелевской премии, и его страсть к биологии, легла в основу документального фильма «Портрет лауреата Нобелевской премии: Кристиан де Дюве» (Portrait de Nobel : Christian de Duve), снятого Орели Вийнанц. Впервые фильм был показан на телеканале Eurochannel в 2012 году.

De Duve won the Francqui Prize for Biological and Medical Sciences in 1960, and the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 1974. King Baudouin of Belgium honoured him to Viscount in 1989. and the Dr H. P. Heineken Prize for Biochemistry and Biophysics in 1973 from the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. He was elected a foreign associate of the National Academy of Sciences (United States) in 1975. He won the Harden Medal of the Biochemical Society of Great Britain in 1978; the Theobald Smith Award from the Albany Medical College in 1981; the Jimenez Diaz Award in 1985; the Innovators of Biochemistry Award from Medical College of Virginia in 1986; and the E. B. Wilson Medal in 1989. He was also a member of the Royal Academies of Medicine and the Royal Academy of Sciences, Arts, and of Literature of Belgium; the Pontifical Academy of Sciences of the Vatican; the American Academy of Arts and Sciences; the French National Academy of Medicine; the Academy of Sciences of Paris; the Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina; the American Philosophical Society. He was elected a Foreign Member of the Royal Society (ForMemRS) in 1988. He remained its president until 1991. On his 80th birthday in 1997 it was renamed the Christian de Duve Institute of Cellular Pathology. In 2005 its name was further contracted to simply the de Duve Institute. De Duve was one of the founding members of the Belgian Society of Biochemistry and Molecular Biology, established on 15 September 1951. De Duve is remembered as an inventor of important scientific terminology. He coined the word lysosome in 1955, peroxisome in 1966, and autophagy, endocytosis, and exocytosis in one instance at the Ciba Foundation Symposium on Lysosomes held in London during 12–14 February 1963, while he, "was in a word coining mood." De Duve's life, including his work resulting in a Nobel Prize, and his passion for biology is the subject of a documentary film Portrait of a Nobel Prize: Christian de Duve (Portrait de Nobel : Christian de Duve), directed by Aurélie Wijnants. It was first aired on Eurochannel in 2012.