Почему Нобелевскую премию по медицине 2017 года вновь присудили за циркадный ритм?

Циркадный ритм и Нобелевская премия

Мы «внутренне» верим, что жизнь проходит в определённом ритме, и стараемся жить соответственно. Это обеспечивают наши биологические часы — циркадный ритм, позволяющий спать и просыпаться вовремя и управляющий давлением, температурой тела, частотой сердцебиения и циклом сна и бодрствования. Давайте рассмотрим, как на молекулярном уровне изучались основы биологических часов и циркадного ритма, о которых мы всё чаще слышим в последние годы. А затем заглянем в жизнь не сумевшего удержаться в ритме жизниодного из 3 учёных, получивших эту Нобелевскую премию.

- Связанная тема: Одно из самых заметных открытий Азиза Санджара и его команды: циркадный ритм, рак и химиотерапия!

Нобелевская премия по физиологии или медицине 2017 года

Нобелевскую премию по физиологии или медицине 2017 года получили 3 американских учёных: Джеффри К. Холл, Майкл Росбаш и Майкл У. Янг. Их наградили за изучение циркадного ритма на молекулярном уровне. О существовании внутреннего, биологического ритма человечество знало давно: ещё в 18-м веке астроном Жан-Жак д’Орту де Меран наблюдал его у мимозы простым способом. Он заметил, что днём её листья раскрываются к солнцу, а вечером закрываются. Заинтересовавшись поведением растения без солнечного света, он поместил его в темноту. Растение всё равно продолжало обычную суточную активность. Это объяснялось только собственными «внутренними часами» растения. Позднейшие исследования показали, что биологические часы есть не только у растений, но и у людей и других животных. Однако требовалось идти дальше: понять часы на молекулярном уровне и открыть ген или гены, обеспечивающие этот порядок.

Слева направо: Джеффри К. Холл; Майкл Росбаш; Майкл У. Янг

Как работают наши биологические часы?

В 70-х годах Сеймур Бензер и его ученик начали изучать у плодовых мушек ген, управляющий биологическими часами . Они вызвали в ещё неизвестном гене мутацию , нарушившую механизм биологических часов мушки. Этот ген назвали period , но выделить его и полностью показать действие не удалось. В 90-м году ген выделили двое будущих нобелевских лауреатов — Джеффри К. Холл и Майкл Росбаш. Кодируемый им белок PER вырабатывался и накапливался в клетке ночью, а днём разрушался, поддерживая цикл биологических часов. Но оставались вопросы: как определяется момент прекращения выработки накопившегося ночью белка и как она останавливается? Как часы откладывают следующий цикл производства? Ответы дал другой нобелевский лауреат — Майкл У. Янг.

Прекращение и задержка выработки белка

В исследовании 94-го года Янг выделил ген timeless, название которого означает «вневременной». Он вырабатывает белок TIM, который переносит PER из цитоплазмы — части клетки вне ядра — в ядро, где соединяется с PER и прекращает его производство. К 98-му году Янг открыл ещё один ген, doubletime, который вырабатывает белок DBT и задерживает производство PER.

Эта важная серия работ ценна тем, что объясняет циркадный ритм. Биологические часы приспосабливают физиологию к разным периодам суток: влияют на поведение, выделение гормонов, наибольшую и наименьшую настороженность организма, координацию движений и другие процессы.

Рисунок 1: Биологические часы организмов управляются колебаниями уровня PER, белка, производимого геном period (1). Белок TIM, образующийся благодаря гену TIMELESS, переносит PER в ядро (2), где PER накапливается и подавляет текущую активность гена period.

Рисунок 2: Для экспрессии гена period необходимы дополнительные белки. Кодируемый геном timeless белок TIM взаимодействует с PER. Это взаимодействие критично для накопления PER в ядре и подавления period. Ген doubletime кодирует DBT — протеинкиназу, фосфорилирующую PER и приводящую к его разрушению. Опосредованное DBT разрушение PER способствует задержке между накоплением мРНК period и белка PER. CLK и CYK, кодируемые генами clock и cycle, — два транскрипционных фактора, активирующих period.

Примечание: транскрипционный фактор — белок, способный связываться с определённой последовательностью DNA и регулировать транскрипцию генов. Транскрипция — процесс копирования последовательности нуклеотидов DNA ферментом РНК-полимеразой в последовательность RNA. Иначе говоря, это передача генетической информации от DNA к RNA.

Циркадные часы влияют на физиологию организма во многих отношениях: Они помогают регулировать сон, пищевое поведение, выделение гормонов, давление и температуру тела. Значительная часть наших генов регулируется этими часами.

Обратная сторона науки — тяготы учёного

К сожалению, истории успеха не всегда заканчиваются счастливо! Жизнь учёных полна скорее трудностей, чем триумфа и радости. Джеффри К. Холл, один из 3 выдающихся учёных, объяснивших основу биологических часов, ушёл из науки примерно 10 лет назад. Около половины профессиональной карьеры, начавшейся в 1980-х годах, он посвятил разгадке биологических часов. Уходя, он был несчастлив: не нашёл достаточной поддержки и не смог получить финансирование для продолжения работ. В своём сельском доме он дал большое интервью журналу Current Biology, рассказав о серьёзных проблемах. Из-за непонимания его замысла мир потерял нобелевского уровня исследовательский ум.

Именно такой урок следует извлечь из жизни Холла: если мы хотим воспитывать людей, определяющих будущее, нужно вместе трудиться ради поколений, стремящихся к успеху, и при любых обстоятельствах поддерживать науку и прогресс.

Что эти исследования биологических часов означают для нас?

• Циркадный ритм играет важную роль в выделении гормонов, регулировании сна, восстановлении повреждений DNA и регуляции артериального давления.
• Как известно, основная причина рака — накопление повреждений DNA. Циркадный ритм участвует в восстановлении повреждений DNA. Открытие участвующих в нём белков может открыть путь к противоопухолевому лечению нового поколения. 
• Циркадный ритм оказывает важное влияние на лечение заболеваний. Недавние исследования показали, что действие некоторых противоопухолевых препаратов меняется в зависимости от него. 
• Многие повседневные факторы — недосыпание, избыток стимуляторов вроде кофе (никотин тоже стимулятор), стресс и ночная работа — нарушают циркадный ритм, создавая предпосылки для некоторых заболеваний. Поэтому понимание его механизма — одна из фундаментальных задач современной медицины.

Связанная тема:

- Работы, принёсшие Азизу Санджару Нобелевскую премию: механистическое восстановление DNA

- Нобелевскую премию по медицине 2016 года получил Ёсинори Осуми за исследования аутофагии