De ce a fost acordat din nou Premiul Nobel pentru Medicină 2017 pentru ritmul circadian?

Ritmul circadian și Premiul Nobel

Credem „în sinea noastră” că viața se desfășoară mereu într-un ritm și încercăm să trăim în acord cu el, deoarece ceasul nostru biologic, numit ritm circadian, ne face să dormim când este timpul de somn și să ne trezim când trebuie, controlând elemente precum tensiunea arterială, temperatura corpului, frecvența cardiacă și alternanța somn-veghe. Haideți să privim împreună modul în care au fost cercetate la nivel molecular bazele „ceasului biologic și ritmului circadian”, subiect despre care auzim tot mai des în ultimii ani. Apoi să intrăm în viața unuia dintre laureații despre care vom vorbi, care nu s-a putut ține de ritmul vieții, unul dintre cei 3 oameni de știință care au câștigat acest Nobel.

- Subiect conex: Una dintre cele mai remarcabile descoperiri ale lui Aziz Sancar și echipei sale: ritmul circadian, cancerul și chimioterapia!

Premiul Nobel pentru Medicină sau Fiziologie 2017

Premiul Nobel pentru Medicină sau Fiziologie 2017 a fost câștigat de 3 oameni de știință americani: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash și Michael W. Young. Au fost recompensați pentru studiile care examinează ritmul circadian la nivel molecular. De fapt, omenirea știa de mult despre existența ritmului intern / biologic; chiar în secolul al 18-lea, astronomul Jean Jacques d’Ortous de Mairan îl observase la planta mimoza printr-o metodă foarte practică. Remarcase că frunzele plantei se deschideau spre soare ziua și se închideau seara. S-a întrebat cum se va comporta planta în lipsa luminii solare și a ținut-o într-un mediu întunecat. Planta și-a continuat totuși activitatea zilnică obișnuită. Acest lucru era posibil numai datorită propriului „ceas intern” al plantei. În timp, studiile noi au arătat că nu numai plantele, ci și oamenii și celelalte animale au un ceas biologic. Însă cercetarea nu trebuia să se oprească aici: era necesară elucidarea ceasului biologic la nivel molecular și descoperirea genei sau genelor care asigură acest sistem.

De la stânga la dreapta: Jeffrey C. Hall; Michael Rosbash; Michael W. Young

Cum funcționează ceasul nostru biologic?

În anii ’70, Seymour Benzer și studentul său au început să studieze la musculițele de fructe gena care controlează ceasul biologic . Produseseră o mutație într-o genă necunoscută, iar mecanismul ceasului biologic al musculiței fusese perturbat. Au numit această genă period , însă nu au reușit să o izoleze și să îi demonstreze complet efectul. Gena avea să fie izolată în anul ’90 de doi dintre laureații Nobel, Jeffrey C. Hall și Michael Rosbash. O proteină codificată de această genă, proteina PER, era produsă și acumulată în celulă în timpul nopții. Ziua era descompusă, iar ceasul biologic continua astfel într-un ciclu. Existau însă unele aspecte neexplicate: cum se stabilea că producerea proteinelor acumulate noaptea trebuia oprită și cum se realiza oprirea? Pe de altă parte, cum își amâna ceasul biologic funcționarea până la o nouă rundă de producție? Răspunsul la aceste întrebări a venit de la celălalt om de știință recompensat cu Nobel, Michael W. Young.

Oprirea și amânarea producției de proteine

În cercetarea efectuată în anul ’94, Young a izolat o genă al cărei nume înseamnă „fără timp”, gena timeless. Aceasta producea proteina „TIM”, prelua proteina PER din citoplasmă, partea celulei din afara nucleului, și o transporta în nucleu, unde se asocia cu PER și îi oprea producția. În anul ’98, Young a descoperit o altă genă, „doubletime”, și a arătat că aceasta produce proteina „DBT”, care amână producția proteinei PER.

Această serie importantă de cercetări este foarte valoroasă deoarece clarifică ritmul circadian. Ceasul nostru biologic adaptează fiziologia la diferitele momente ale zilei; influențează comportamentul, secreția hormonilor, nivelul maxim sau minim de alertă al corpului, mișcările coordonate și alte activități asemănătoare.

Figura 1: Ceasurile biologice ale organismelor sunt controlate prin oscilațiile nivelului PER, o proteină produsă de gena period, (1). Proteina TIM, produsă de gena TIMELESS, transportă PER în nucleu, (2), iar acumularea PER în nucleu inhibă activitatea genei period în acel interval.

Figura 2: Sunt necesare proteine suplimentare pentru exprimarea genei period. Proteina TIM, codificată de gena timeless, interacționează cu proteina PER. Această interacțiune este esențială pentru acumularea PER în nucleu și reprimarea genei period. Proteina DBT este codificată de gena doubletime. DBT este o enzimă protein-kinază care fosforilează PER și duce la degradarea ei. Degradarea PER mediată de DBT contribuie la întârzierea dintre acumularea ARNm period și cea a proteinei PER. CLK și CYK, codificați de genele clock și cycle, sunt doi factori de transcripție care activează gena period.

Notă: un factor de transcripție este o proteină care se poate lega de o anumită secvență a ADN-ului pentru a regla transcripția genelor. Transcripția este procesul prin care secvența de nucleotide care formează ADN-ul este copiată într-o secvență de ARN de enzima ARN-polimerază. Cu alte cuvinte, reprezintă transferul informației genetice din ADN în ARN.

Ceasul circadian influențează fiziologia corpului în multe privințe: Acest ceas ajută la reglarea somnului, comportamentului alimentar, secreției hormonale, tensiunii arteriale și temperaturii corpului. O mare parte a genelor noastre este reglată de acest ceas.

Culisele științei – suferința omului de știință

Din păcate, poveștile de succes nu au întotdeauna un final fericit! Viețile oamenilor de știință sunt adesea pline mai degrabă de suferință decât de triumf și fericire. Jeffrey C. Hall, unul dintre cei 3 valoroși cercetători care au elucidat mecanismele ceasului biologic, a părăsit știința cu aproximativ 10 ani în urmă. Hall și-a petrecut aproape jumătate din cariera începută în anii 1980 încercând să dezlege misterele ceasului biologic. Era nefericit când s-a retras, deoarece nu găsise suficient sprijin pentru continuarea studiilor și nu reușise să obțină fonduri de cercetare. La casa sa din mediul rural, a acordat un interviu amplu revistei Current Biology și a vorbit despre unele probleme serioase cu care se confruntau. Lumea pierduse o minte demnă de Premiul Nobel pentru că viziunea sa nu fusese înțeleasă.

De fapt, tocmai aceasta ar trebui să fie lecția pe care o învățăm din viața lui Hall: dacă vrem să formăm oameni care vor modela viitorul, trebuie să muncim împreună pentru generațiile care vor avea succes și să susținem știința și progresul în orice condiții.

Ce înseamnă pentru noi aceste cercetări ale ceasului biologic?

• Ritmul circadian are un rol important în secreția hormonilor, reglarea somnului, repararea leziunilor ADN-ului și reglarea tensiunii arteriale.
• După cum se știe, cauza fundamentală a cancerului este acumularea leziunilor ADN-ului. Ritmul circadian participă la repararea leziunilor ADN-ului. Descoperirea proteinelor implicate în ritmul circadian poate deschide calea unor tratamente oncologice de nouă generație. 
• Ritmul circadian are un efect important în tratamentul bolilor. Cercetările recente au constatat că efectul unor medicamente oncologice variază în funcție de ritmul circadian. 
• Numeroși factori ai vieții cotidiene, precum lipsa somnului, consumul excesiv de stimulente precum cafeaua, nicotina fiind și ea un stimulent, stresul și munca de noapte, influențează negativ ritmul circadian și favorizează apariția unor boli. De aceea, înțelegerea mecanismului ritmului circadian este una dintre temele fundamentale ale medicinei moderne.

Subiect conex:

- Cercetările care i-au adus lui Aziz Sancar Premiul Nobel: mecanismele reparării ADN-ului

- Premiul Nobel pentru Medicină 2016 i-a fost acordat lui Yoshinori Ohsumi pentru cercetările privind autofagia