Нобелевская неделя 2025. Мэри Брункоу о мышах из Ок-Риджской лаборатории и открытии гена FOXP3

Мэри Брункоу начала свою лекцию с благодарностей наставникам — Лэрри Сэндлеру, эксперту в генетике дрозофил из Вашингтонского университета (Сиэтл), и Ширли Тилгман, молекулярному биологу из Принстонского университета. В лаборатории Сэндлера Мэри Брункоу провела полтора года в начале своей карьеры и благодаря ему поняла, что хочет посвятить себя исследованиям, хотя до этого собиралась стать врачом. А диссертацию Мэри Брункоу писала под научным руководством Тилгман, и этот опыт развил в ней критическое мышление и непредвзятость.

Исследования, которые привели к открытию гена FOXP3, изначально не были посвящены иммунологической толерантности — способности иммунной системы реагировать на чужеродные антигены, при этом не реагируя на собственные. Ученых больше интересовало состояние иммунитета, при котором толерантность нарушается и возникают аутоиммунные заболевания, отторжение трансплантатов и т.д. Используя генетический подход, они хотели найти мишени для дальнейшей разработки лекарств против таких состояний.

История FOXP3 началась с линии мышей scurfy (англ. «паршивый, покрытый чешуйками»). В Ок-Риджской национальной лаборатории, которая была создана в рамках Манхэттенского проекта, не только разрабатывали ядерное оружие, но также исследовали влияние радиации на организм. Секцией генетики млекопитающих в этой лаборатории руководили Уильям и Лиана Расселл, которые получили множество мутантных линий мышей.

Большинство этих линий появились из-за воздействия радиации, но мутация, характерная для линии scurfy, была спонтанной. Впервые этих мышей описали в 1949 году, и в течение 40 лет после этого линия мышей поддерживалась, но не исследовалась. Самцы линии scurfy (это была первая описанная Х-сцепленная мутация у мышей, и фенотипические аномалии проявлялись именно у самцов, поскольку у них одна Х-хромосома) отличались крайним истощением, шелушением кожи, патологическим увеличением селезенки, печени и лимфоузлов, при этом тимус, напротив, был уменьшен. На фото слева представлен самец линии scurfy, а справа — самка, обладающая нормальным фенотипом несмотря на носительство мутации.

В 1980-х годах патогенез мутации, вызывающий фенотип scurfy, был подробнее описан Вирджинией Годфри и Джоном Уилкинсоном. Они показали, что у животных развивается лимфопролиферативное заболевание, которое каким-то образом вызвано бесконтрольно активируемыми CD4+ Т-клетками и сопровождается повышением уровня цитокинов. Это заболевание, которое приводило к гибели самцов примерно за три недели жизни, посчитали аутоиммунным.

В 1990-х годах Мэри Брункоу работала в биотехнологической компании Darwin Molecular Corporation, которая искала новые мишени для лекарств против аутоиммунных заболеваний, рака и ВИЧ. У одного из основателей компании, Дэвида Галаса, были связи с Ок-Риджской национальной лабораторией — так Darwin Molecular, заинтересовавшись мышами с необычным аутоиммунным заболеванием, получила линию scurfy.

В 1994 году перед Мэри Брункоу поставили задачу найти мутацию, вызывающую этот фенотип. В компании не было специального вивария, поэтому лабораторных животных содержали в мало используемой кладовке.

Брункоу решила сузить интервал для поиска гена, мутация в котором вызывает фенотип scurfy: для этого она проводила масштабные эксперименты по обратному скрещиванию мышей, чтобы выявить новые рекомбинационные события. В 1990-е годы такая задача картирования геномных локусов была нетривиальной: ученые не располагали полной последовательностью генома, но при этом сравнивали свои результаты с картами, полученными другими, опираясь на уже известные маркеры.

Благодаря финансовым возможностям компании ученые получили доступ к передовым на тот момент технологиям, получившим развитие благодаря проекту «Геном человека»: получение библиотек кДНК, автоматизированное секвенирование и т.д. Используя самые современные подходы в молекулярной биологии и биоинформатике, Мэри Брункоу совместно с Эриком Джеффери, Кэтрин Хьеррилд и Брайаном Пэйпером сузили интервал, в котором находилась мутация, до участка Х-хромосомы длиной примерно в 500 тысяч пар оснований. С помощью биоинформатических инструментов BLAST и GENSCAN определили, что в этом участке находится всего 20 генов. Некоторые из них были уже известны, другие оказались новыми.

Сравнивая последовательности генов у животных дикого типа и мутантных животных, ученые обнаружили, что последний из 20 генов, который они проверили, вызывает фенотип scurfy.

 Cтраница из лабораторного журнала Кэтрин Хьеррилд, где описано обнаружение мутации    

Изначально ген называли FKH из-за высокой гомологии с белками — транскрипционными факторами семейства Forkhead. Фенотип scurfy вызывался инсерцией двух аденинов в этом гене со сдвигом рамки считывания в участке гена, который кодировал ДНК-связывающий домен белка.

Исследователи также нашли ортолог гена FKH у человека. Полученные последовательности человеческого и мышиного гена они передали в Номенклатурный комитет, задачей которого было валидировать их результаты и присвоить имя найденному гену. В результате ген получил название Foxp3.

Чтобы подтвердить, что именно мутация в гене Foxp3 вызывает фенотип scurfy, ученые клонировали последовательность Foxp3 дикого типа и доставили ее в ооцит мыши линии scurfy. После доставки трансгена самцы-носители мутации приобрели нормальный фенотип: в частности, их лимфоузлы уменьшились до нормальных размеров. По результатам работы в 2001 году была опубликована статья в Nature Genetics.

Аналогичное фенотипу scurfy у мышей состояние у людей называется синдромом IPEX, по первым буквам основных признаков: иммунодисрегуляция, полиэндокринопатия, энтеропатия, X-сцепленность. Брункоу вместе с коллегами, которые работали с пациентами, имеющими этот синдром, установили, что это заболевание также вызывается мутациями в гене FOXP3. При этом степень тяжести болезни зависит от самой мутации: всего их было известно больше 170. Это открытие напрямую повлияло на то, как врачи теперь работают с пациентами с синдромом IPEX: при подозрении на такой диагноз пациенту назначают генетический анализ локуса FOXP3.

FOXP3 оказался высококонсервативным среди позвоночных транскрипционным фактором. Однако с точки зрения разработки лекарств эта мишень неудачная, что отмечал в своем выступлении и другой нобелиат 2025 года, Фред Рамсделл. Этот белок находится в ядре, поэтому малыми молекулами или биотехнологическими препаратами на него воздействовать тяжело.

Мэри Брункоу рассказала о другом своем проекте, которым занималась параллельно с исследованием мышей scurfy. Его результатом стало открытие гена SOST, который вызывает склеростеоз — аутосомно-рецессивное заболевание, для которого характерно избыточное образование плотной костной ткани. Используя тот же подход, что и с мышами линии scurfy, но с материалом от пациентов с склеростеозом, ученые идентифицировали ген SOST, кодирующий склеростин — белок из семейства секретируемых антагонистов BMP (костных морфогенетических белков). С точки зрения разработки лекарств эта мишень оказалась более удачной: не секретируемый белок легче воздействовать, а сигналинг, связанный с BMP, тогда был уже хорошо известен. На данный момент одобрены к применению лекарства, действующие на склеростин: например, моноклональное антитело ромосозумаб ингибирует склеростин и используется для лечения остеопороза.

И все же открытие FOXP3 позволило исследовать различные сигнальные пути, находящиеся под регуляцией этого белка — в таком случае воздействовать лекарствами можно на их компоненты, а не на сам FOXP3. После открытия гена исследователи показали, что FOXP3 экспрессируется на маленькой (5–10%) популяции CD3+ Т-клеток, которые также экспрессируют CD25. Позднее эти клетки назвали регуляторными Т-клетками, а FOXP3 оказался не просто их маркером, но и ключевым для программирования их «идентичности» фактором. Многие подходы к лечению аутоиммунных заболеваний, рака и других заболеванием основаны на использовании регуляторных Т-клеток.

В заключение Мэри Брункоу поблагодарила всех сотрудников разных лабораторий, причастных к открытию FOXP3.