EARL WILBUR SUTHERLAND (1915–1974)

Jakýsi Earl Wilbur Sutherland vedl na počátku 20. století v kansaském městě Burlingame obchod se střižním zbožím. Se svou ženou Edith rozenou Hartshornovou přivedl na svět pět dětí, mezi nimi jmenovce, narozeného tam 19. listopadu 1915. Od raného dětství se Earl Wilbur Sutherland mladší na toulkách po okolních lesích sžíval s přírodou a doma hltal Lovce mikrobů Paula de Kruifa, což ho přivedlo k poznání, že chce být lékařem. Plány ohrožené rozpadem manželství rodičů zachránilo stipendium pro studium na Washburnově koleji v nedalekém městě Topeka, kde pak v roce 1937 dosáhl Earl bakalářského stupně.

Téhož roku se oženil s Mildred Riceovou a začal studovat na Lékařské fakultě Washingtonovy univerzity v missourském Saint Louisu. V posledních dvou ročnících (1940/41 a 1941/42) pracoval jako asistent farmakologického ústavu, který od roku 1931 vedl profesor Carl Ferdinand Cori, a v ústavní laboratoři vládla asistentka Gerty Theresa Coriová. Oba v Praze narození manželé pozvedli skromné pracoviště na vrcholnou úroveň a při Earlově nástupu v roce 1940 byl ústav už proslulým střediskem světové vědy. Na pokrocích poznání enzymatické přeměny glukózy v glykogen se v pokusech s purifikovanými enzymy podílel také student-asistent Sutherland s prvním Coriho doktorandem Sidneyem P. Colovickem (The Enzymatic Conversion of Glucose-6-Phosphate to Glycogen. J Biol Chem 1941; 140: 309–310; s Colowickem a Corim).

S doktorátem lékařství nastoupil Earl v roce 1942 jako sekundář ve fakultní Barnesově nemocnici, odkud ho však hned v roce 1943 vzdálilo povolání k armádě, s níž v následujících 2 letech jako chirurg praporu absolvoval evropské tažení pod velením generála George Smitha Pattona. Po válce se vrátil do Saint Louisu, ne však už ke klinické praxi, neboť Carl Cori ho přesvědčil, aby u něho jako instruktor vyučoval farmakologii. Když pak byl Cori v roce 1946 jmenován profesorem biochemie, přešel s ním Sutherland jako instruktor do nově zřízeného Biochemického ústavu Washingtonovy univerzity a tam pokračoval ve výzkumu enzymů metabolismu sacharidů (Mechanism of the Phosphoglyceric Mutase Reaction. J Biol Chem 1949; 181: 153–159; s Posternakem a Corim).

Kladl si otázku, zda uvolňování glukózy působí epinefrin zvýšením její tvorby, nebo jejím vytlačováním z buňky. Tento první známý hormon byl objeven už koncem 19. století, mechanismus působení hormonů však zůstával stále nepoznán. Sutherland nejprve v roce 1950 prokázal, že hyperglykemický faktor slinivky a epinefrin působí uvolňování glukózy zvýšením její tvorby (The Effect of the Hyperglycemic Factor of the Pancreas and of Epinephrine on Glycogenolysis. Rec Prog Horm Res 1950; 5: 441–463). Toho roku byl jmenován „assistant professor“ biochemie. V roce 1951 začal zkoumat, jak epinefrin v jaterních buňkách vyvolává odbourávání glykogenu na glukózu. Brzy nato objevil, že epinefrin působí aktivací glykogenfosforylázy katalyzující uvolnění glukóza-1-fosfátu z koncové alfa-1,4-glykosidické vazby (Effect of Hyperglycemic-Glycogenolytic Factor and Epinephrine on Liver Phosphorylase. J Biol Chem 1951; 188: 531–543; s Corim). V roce 1952 byl jmenován „associate professor“ biochemie Washingtonovy univerzity.

V roce 1953 přijal profesuru farmakologie na clevelandské Western Reserve University. V pokračování výzkumu fosforylázy zpočátku sdílel všeobecnou nedůvěru k analýze působení hormonů v preparátech buněčné drti, „assistant professor“ Theodore R. Rall ho však přiměl k překonání této nedůvěry. S „Tedem“ Rallem a W. D. Wosilaitem pak Sutherland prokázal, že aktivita fosforylázy je regulována změnami rovnováhy fosforylace a defosforylace (The Relationship of Epinephrine and Glucagon to Liver Phosphorylase. I. Liver Phosphorylase; Preparation and Properties. J Biol Chem 1956; 218: 459–468; s Wosilaitem. II. Enzymatic Inactivation of Liver Phosphorylase. Ibid.: 469–481; s Wosilaitem. III. Reactivation of Liver Phosphorylase in Slices and in Extracts. Ibid.: 483–495; s Rallem a Wosilaitem).

V roce 1955 prokázali Edmond Fischer a Edwin Krebs v Seattlu potřebu ATP a Mg²⁺ pro fosforylázu. Sutherland s Rallem začal proto hormony do buněčných výtažků přidávat v přítomnosti ATP a Mg²⁺ a takto vyvolal stimulační účinky epinefrinu a glukagonu na aktivitu fosforylázy v bezbuněčných systémech (The Relationship of Epinephrine and Glucagon to Liver Phosphorylase. IV. Effect of Epinephrine and Glucagon on the Reactivation of Phosphorylase in Liver Homogenates. J Biol Chem 1957; 224: 463–475; s Rallem a Berthetem). S W. F. Henionem objevil, že fosforylázy se liší imunologickými vlastnostmi podle typu buněk (Immunological Differences of Phosphorylases. J Biol Chem 1957; 224: 477–488; s Henionem).

S Rallem objevil, že epinefrin stimuluje glykogenfosforylázu nepřímo prostřednictvím „druhého posla“, kterého objevil jako termostabilní faktor v buněčné drti, jejíž odstranění z jaterního homogenátu vyřadilo stimulaci fosforylázy, a určil jej jako adeninnukleotid (The Properties of an Adenine Ribonucleotide Produced with Cellular Particles, ATP, Mg++, and Epinephrine or Glucagon. J Am Chem Soc 1957; 79: 3608; s Rallem), blíže pak „druhého posla“ určil jako cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) (Formation of a Cyclic Adenine Ribonucleotide by Tissue Particles. J Biol Chem 1958; 232: 1065–1076; s Rallem) a vyslovil domněnku, že jako „druhý posel“ účinkuje cAMP i pro jiné hormony (Fractionation and Characterization of a Cyclic Adenine Ribonucleotide Formed by Tissue Particles. J Biol Chem 1958; 232: 1077–1091; s Rallem).

S Rallem objevil, že tvorbu cAMP stimuluje epinefrin adenylátcyklázou (Relation of Adenosine-3’,5’-Phosphate and Phosphorylase to the Actions of Catecholamines and Other Hormones. Pharmacol Rev 1960; 12: 265–299; s Rallem. Adenyl Cyclase. I. Distribution, Preparation, and Properties. J Biol Chem 1962; 237: 1220–1227; s Rallem a Menonem). Známým fosfatázám cAMP odolával, Sutherland však s Butcherem objevil fosfodiesterázu, odbourávající cAMP na adenosin 5’-fosfát (Adenosine 3’,5’-Phosphate in Biological Materials. I. Purification and Properties of Cyclic 3’,5’-Nucleotide Phosphodiesterase and Use of This Enzyme to Characterize Adenosine 3’,5’-Phosphate in Human Urine. J Biol Chem 1962; 237: 1244–1250; s  Butcherem). Výsledky podpořily závěr, že tkáňové koncentrace cAMP představují rovnováhu mezi faktory syntézy cAMP (adenylátcyklázový systém) a faktory odbourávání cAMP (fosfodiesterázy).

Sutherland usoudil, že cAMP může sloužit jako druhý posel pro různé hormony a neurotransmitery, a vyslovil domněnku, že jiné hormony také nepronikají do buňky a působí na jejím povrchu, kde stimulace adenylcyklázy vede k tvorbě cAMP a ten pak v buňce aktivuje nebo inhibuje různé metabolické pochody (Adenyl Cyclase. I. Distribution, Preparation, and Properties. J Biol Chem 1962; 237: 1220–1227; s Rallem a Menonem). Tato hypotéza bořila dosavadní představy a narážela na silný odpor. Potom však Sutherland prokázal, že cAMP je syntetizován v buněčné membráně (The Cellular Location of Adenyl Cyclase in the Pigeon Erythrocyte. J Biol Chem 1963; 238: 3016–3023; s Davorenem), zanedlouho vyvolal jedinou látkou, cAMP, četné účinky epinefrinu (Action of Epinephrine and the Role of the Adenyl Cyclase System in Hormone Action. Rec Prog Horm Res 1965; 21: 623–646; s Oyeem a Butcherem) a prokázal, že cAMP slouží jako „druhý posel“ nejméně tuctu jiných hormonů a neurotransmiterů (The Role of Cyclic 3’,5’-AMP in Response to Catecholamines and Other Hormones. Pharmacol Rev 1966; 18: 145–161; s Robisonem).

Po rozvodu pětadvacetiletého manželství s Mildred Riceovou v roce 1962 uzavřel Sutherland o rok později sňatek s Claudií Sebeste Smithovou, proděkankou Vanderbiltovy univerzity ve městě Nashville ve státě Tennessee, a téhož roku tam přijal profesuru fyziologie. Obklopili ho nadaní badatelé Reginald Butcher, Joel Hardman, G. Alan Robison a další. Sutherland s nimi na krysím srdci zkoumal vztah mezi biochemickým dějem (změny hladin cAMP) a funkční aktivitou (srdeční stah) a prokázal, že zprostředkovatelem pozitivně inotropní odpovědi na epinefrin a jiné beta-adrenergní stimulanty je cAMP (The Effect of Epinephrine on Adenosine 3’,5’-Phosphate Levels in the Isolated Perfused Rat Heart. Mol Pharmacol 1965; 1: 168–177; s Robisonem, Butcherem, Oyeem a Morganem). Tento nález přinesl výrazný pokrok ve farmakoterapii kardiovaskulárních a respiračních poruch, jako je hypertenze, bradykardie, srdeční blokáda, městnavé srdeční selhání a průduškové astma.

V roce 1965 Sutherland s R. S. Makmanem nečekaně objevil cAMP v bakteriích, které jakožto jednobuněčné žijí bez hormonů (Adenosine 3’,5’-Phosphate in Escherichia coli. J Biol Chem 1965; 240: 1309–1314; s Makmanem). Zjištění účinků cAMP na adaptaci jednobuněčných organismů na prostředí ukázalo, že cAMP plní v bakterii úlohu primitivního hormonu.

Sutherland předpokládal existenci mnoha „druhých poslů“. S Hardmanem obrátil pozornost od cAMP k cyklickému guanosinmonofosfátu (cGMP), nedlouho předtím zjištěnému jako hlavní organický fosfát v krysí moči (Measurement of Guanosine 3’,5’-Monophosphate and Other Cyclic Nucleotides. Variations in Urinary Excretion with Hormonal State of the Rat. J Biol Chem 1966; 241: 4812–4815; s Hardmanem a Davisem). O jeden až dva řády nižší koncentrace cGMP než cAMP ve tkáních po léta brzdila pokrok výzkumu. Přesto Sutherland s Hardmanem prokázal, že syntéza cGMP je regulována guanylcyklázou (Guanyl Cyclase, an Enzyme Catalyzing the Formation of Guanosine 3’,5’-Monophosphate from Guanosine Triphosphate. J Biol Chem 1969; 244: 6363-6370; s Hardmanem). Pozdější výzkum odhalil cGMP jako klíčový regulátor fototransdukce, iontových kanálků a relaxace hladké svaloviny.

V roce 1971 publikoval Sutherland monografii o „druhém poslu“ (Cyclic AMP. New York: Academic Press 1971; s Robisonem a Butcherem) a „za své objevy týkající se mechanismů působení hormonů“ byl poctěn Nobelovou cenou za fyziologii nebo lékařství. Po každoročním dělení ceny v letech 1962–1970 byl tu nyní opět jediný laureát. Jako nashvillský profesor se stal Sutherland prvním laureátem Nobelovy ceny za fyziologii nebo lékařství z amerického Jihu. Dne 10. prosince 1971 ho ve Stockholmu uvedl profesor Peter Reichard z Karolinského lékařsko-chirurgického institutu volnou citací Monodovy poučky o totožnosti základních životních pochodů: Co platí pro bakterie, platí i pro slony. Zmínil zásadní rozdíl mezi nimi v potřebě koordinace buněk u mnohobuněčných organismů, kterou zajišťují hormony, během posledních sedmdesáti let postupně objevované jako látky důležité svými funkcemi i jejich poruchami, ale s mechanismem působení záhadným až do chvíle, kdy Sutherland začal studovat působení epinefrinu na tvorbu glukózy v játrech a svalech, přitom objevil cyklický AMP a jeho funkci „druhého posla“ přejímajícího zprávu od hormonu a odevzdávajícího ji uvnitř buňky, objevil místo tvorby cAMP v buněčné membráně, pochopil, že cAMP je prostředníkem nejen pro epinefrin, ale cestou přes specifické receptory v membráně také pro různé další hormony, a objevil tak obecný mechanismus jejich působení, a nakonec objevil cAMP překvapivě i v bakteriích, kde reguluje adaptaci na prostředí, takže jej lze považovat za první primitivní hormon. Rozdíl mezi jedno- a vícebuněčnými organismy tedy není tak velký a pokud jde o cAMP, lze Monodovu poučku také obrátit: Co platí pro slony, platí i pro bakterie. Dne 11. prosince 1971 měl Sutherland nobelovskou přednášku (Studies on the Mechanism of Hormone Action. Science 1972; 177: 401–408).

V roce 1973 byl zvolen do Národní akademie věd a prezident Nixon ho dekoroval Národní medailí vědy. Téhož roku odešel Sutherland z Nashville na univerzitu v Miami na Floridě jako „distinguished professor“ biochemie. Tehdy už několik laboratoří hlásilo experimentální nálezy potvrzující klíčovou roli cAMP v aktivaci buněk širokou paletou hormonů včetně kortikotropinu, lutropinu, tyroxinu, tyreotropinu a parathormonu. Lákavě zjednodušující domněnku, že zvyšováním intracelulární hladiny cAMP působí všechny hormony, Sutherland nesdílel. Pozdější objevy dalších „druhých poslů“, jako jsou vápník, arachidonová kyselina a její metabolity eikosanoidy, oxid dusnatý, inozitoltrifosfát a diacylglycerol, daly mu za pravdu.

Na své badatelské i učitelské dráze došel Earl Wilbur Sutherland, věčně „zápasící se svými osobními démony“ (Rubin), za svůj nedlouhý život velmi daleko. Zemřel 9. března 1974 v Miami na pooperační komplikace a byl pochován na městském hřbitově v kansaském rodišti. Zůstala po něm vdova, dva synové, dvě dcery a dlouhá řada vynikajících žáků: především nepostradatelný spolupracovník Ted Rall, dále Joseph Beavo, Reginald Butcher, Joel Hardman, Roger Johnson, G. Alan Robison, Günter Schultz a pozdější laureát Nobelovy ceny Ferid Murad. Na Sutherlandovo dílo navázali i další laureáti této ceny Paul Greengard, Robert Furchgott, Louis Ignarro, Alfred Gilman i Martin Rodbell.

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz