Текст уведомления здесь

Расписано по часам

Нобелевскую премию 2017 года по физиологии и медицине дали за описание молекулярного механизма, регулирующего циркадные ритмы

Лауреаты Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине — американцы Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш — получили свою награду «за открытия молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом». «Чердак» объясняет, что это за механизмы, как они работают и зачем клетке знать, который час.
Добавить в закладки
Комментарии

Что такое циркадный ритм

Условия жизни на Земле за три с лишним миллиарда лет, которые она существует, менялись (было холодно и жарко, мокро и сухо и так далее), но одно оставалось почти неизменным — 24-часовые сутки, смена дня и ночи, вызванная вращением планеты вокруг своей оси. За все это время жизнь приспособилась к закатам и рассветам и обзавелась собственными внутренними часами. Этим циркадным (от лат. circa — «вокруг, примерно, около» и dies — «день») ритмам безжалостно подчинены очень многие процессы в организме: помимо сна и бодрствования, это, например, обмен веществ, гормональный уровень, температура тела и даже (опосредованно, конечно) поведение.

О том, как важны для нас естественные «внутренние часы», говорят многие исследования. Например, искусственное продление светового дня может вызывать ожирение и связанные с ним заболевания вроде диабета. В разное время суток организм, по-видимому, по-разному подвержен инфекциям: биологические часы животных влияют на способность вирусов к репликации и распространению между клетками. С циркадными ритмами может быть связано даже восприятие цветов — это показали на примере того самого платья, из-за которого в 2015 году чуть не разругался интернет.

За что дали премию

Александра Пучкова, старший научный сотрудник лаборатории нейробиологии сна и бодрствования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, рассказала «Чердаку», что ученые, как это обычно и бывает, открыли «клеточные часы» у мушек-дрозофил. Уже потом выяснилось, что этот часовой механизм довольно универсален — аналогичным способом смена дня и ночи закреплена на генетическом уровне и у других животных и человека.

Как поясняет Нобелевский комитет, впервые ген, влияющий на циркадный ритм, идентифицировали в 70-е годы Сеймур Бензер и Рональд Конопка: мутации в гене, названном ими period, сбивали с толку «внутренние часы» мушек-дрозофил и те жили в ритме, отличном от привычного для их собратьев. Двое сегодняшних лауреатов, Джеффри Холл и Майкл Росбаш, в 1984 году сумели изолировать и секвенировать этот ген. Затем они показали, что белок PER, который кодирует этот ген, накапливается ночью и разрушается днем.

«[Лауреаты] на мушках-дрозофилах выяснили, что есть один ген. Потом оказалось, что этих генов на самом деле много, они регулируют друг друга, и если их изменять, то этот период может стать больше или меньше 24 часов, а если его сломать, то он [ген] вообще исчезнет. А потом выяснили, что очень похожий механизм есть у человека… Они показали, как вся эта машинка работает», — сказала Пучкова.

Вся система «клеточных часов» регулирует сама себя: белок PER постепенно накапливается в ядре и блокирует собственный синтез, потом белок постепенно разрушается, и period снова начинает работать, белок накапливается и так далее. «Вишенкой» на этом торте стало открытие третьего лауреата премии, Майкла Янга, который в 1994 году показал, что специальный белок TIM связывается с белком PER и помогает тому попасть из цитоплазмы клетки (где PER образуется) в ядро (где работает ген period). Затем Янг открыл и третий ген, doubletime, который замедляет накопление белка PER, как бы точнее настраивая внутренние часы на 24-часовой цикл.

Упрощенная иллюстрация механизма «циркадных часов» / © The Nobel Assembly at Karolinska Institutet, nobelprize.org
Упрощенная иллюстрация механизма «циркадных часов» / © The Nobel Assembly at Karolinska Institutet, nobelprize.org

Когда секретарь Нобелевского комитета по физиологии и медицине Томас Перлманн позвонил одному из лауреатов, Майклу Росбашу, тот сначала помолчал, а потом сказал: «Вы, должно быть, шутите».

Научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии Карельского научного центра РАН Ирина Курбатова не удивлена, что премию дали именно за эти работы: по ее словам, это крайне перспективная область научных исследований, непосредственно связанная как с фундаментальной медициной, так и с медицинской практикой.

«Механизмы регуляции циркадными генами различных функций организма изучаются до сих пор, и неудивительно, что такая премия была присуждена именно в этой области. Это исследования как раз „на гребне волны“ научной, это очень интересно, и здесь очень много белых пятен остается», — сказала Курбатова «Чердаку».

Главный редактор журнала Science и бывший директор Национального института общих медицинских наук Джереми Берг заявил изданию STAT, что работа нынешних нобелевских лауреатов «элегантна». «До их открытий устройство циркадных часов было тайной. С помощью генетики и инструментов молекулярной биологии они нашли очень элегантный молекулярный механизм с петлей обратной связи, в которой белок контролирует собственную экспрессию», — сказал Берг.

Что дальше

Интересно, что «часы», найденные Холлом, Росбашем и Янгом, работают не только, скажем, в клетках мозга, которыми вы пользуетесь, когда слышите слово «часы», но и вообще во всех клетках, имеющих ядро. Именно так эти часы вмешиваются во все биологические процессы, которыми интересуется новая область науки, хронобиология.

Хронобиологи вместе с сомнологами (специалистами по сну) и другими учеными пытаются выяснить, как можно повлиять на перестройку «внутренних часов», которая, например, происходит, когда вы летите в другой часовой пояс или работаете в ночную смену. Как пояснила Пучкова, химические «часы» в нашем организме умеют воспринимать внешние сигналы — в первую очередь свет (и это, к слову, тоже показали в своих исследованиях сегодняшние нобелевские лауреаты). То есть с помощью светотерапии можно, скажем, лечить депрессию или сезонное аффективное расстройство, вызванное неестественно коротким световым днем.

Ирина Курбатова и ее коллеги изучают связь циркадных генов с сердечно-сосудистыми заболеваниями. «Это важно, потому что в условиях Европейского Севера, где мы живем, суточное освещение таково, что циркадные ритмы претерпевают десинхронизацию. Мы получаем мало света, у нас нехарактерная для обычных условий длина светового дня», — поясняет она. Так как циркадные гены, помимо прочего, регулируют и ритм артериального давления, если их работа нарушена, у человека возникает повышенный риск сердечно-сосудистых патологий.

Исследования нобелевских лауреатов подвели теоретическую основу под целую область медицины. Курбатова напоминает, что уже сейчас при лечении гипертонии лекарства человеку часто даются строго в определенное время, например чтобы избежать утреннего подъема давления. «Чтобы знать четко механизм того, как это все регулируется, естественно, надо знать генетический, клеточный уровень», — говорит исследовательница.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью

Премия за самоедство

Нобелевку по медицине и физиологии присудили за изучение механизмов аутофагии

Лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2016 году стал Есинори Осуми, профессор Токийского технологического института, «за открытия механизмов аутофагии» — процесса утилизации отживших и поврежденных структур в клетке. «Чердак» разобрался, зачем она нужна, что сделал ученый и чем полезно понимание механизмов аутофагии.
Добавить в закладки
Комментарии

Слово «аутофагия» в переводе с греческого означает «поедание себя». Звучит страшно, однако аутофагия — полезный процесс уничтожения поврежденных или устаревших клеточных структур, при котором старые или поврежденные органеллы оборачиваются в кусочек клеточной мембраны — аутофагосому — и сливаются с лизосомой — клеточной органеллой, содержащей различные ферменты для расщепления белков, жиров и другой сложной органики до строительных кирпичиков, готовых к использованию самой клеткой.

Техобслуживание клетки

«С помощью аутофагии клетка постоянно переваривает стареющие органеллы, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории клеточных взаимодействий Института биоорганический химии РАН Елена Свирщевская. — Это естественный биологический процесс, который постоянно идет в клетке и резко усиливается при голодании, воздействии радиации или токсических веществ и в других стрессовых ситуациях, повреждающих клеточные органеллы».

Аутофагия — это один из самых мягких процессов программируемой клеточной гибели. Так, если клетка в результате своей работы или каких-либо внешних воздействий совсем испортилась и сбилась со своей программы, организм может запустить ее апоптоз, полностью уничтожающий клетку. Аутофагия же используется, когда повреждения клетки незначительны и ее еще можно исправить «на ходу». [ ... ]

Читать полностью

Чего от нас хотят микробы?

Они управляют нашим поведением и добиваются желаемого

Недавно в журнале Nature вышла очередная статья, возлагающая вину за целый ряд человеческих болезней, в том числе психических, на микробов — обитателей нашего кишечника. За полвека изучения кишечных бактерий ученые так и не смогли определиться, чего они приносят больше — пользы или вреда. Но успели убедиться в том, что среди прочего микробы могут вызвать изменения в поведении человека и его психическом здоровье. Мы переводим их сигналы с микробьего языка на человеческий и предлагаем читателю самому решить, друзья нам бактерии или враги (но не обещаем, что они не повлияют на его мнение).
Добавить в закладки
Комментарии

Про микробов и людей

Помните советский мультфильм про лося, на рогах которого ездили лесные звери и устроили себе там дом? Наш организм — такой же лось для триллионов одноклеточных организмов (большинство из них составляют бактерии), которых собирательно называют микробами, микрофлорой или микробиотой. Можно даже сказать, что мы и наши микробы составляем один метаорганизм, который необходимо рассматривать как единое целое, поскольку людей, лишенных микробов, не существует.

Люди и микробы объединились во имя самого ценного, что нужно живому организму, — во имя еды. Люди умеют ее добывать, а микробы — переваривать. Однако для мирного сосуществования им необходимо выполнять договор о ненападении. Поэтому, действуя на скопления иммунных клеток стенки кишечника, бактерии смягчают возможный иммунный ответ. Если этого не происходит, например, из-за недостатка бактерий, иммунитет человека становится более агрессивным. Вероятно, именно из-за этого у детей, выросших в условиях пониженного содержания бактерий (в чистоте, вне контакта с матерью и ее молоком), чаще развиваются аллергии и аутоиммунные заболевания. Со своей стороны, микробы не разрушают стенки кишечника. Впрочем, они остаются мирными соседями лишь до тех пор, пока не проникнут внутрь организма человека. Там они вызывают тяжелые воспаления, с которыми непросто бороться.

Кроме того, микробы требуют защиты своих интересов. Например, им важно, чтобы к ним регулярно поступала пища, а стенка кишечника их не травмировала. Для этого они выделяют сигнальные молекулы, регулирующие деятельность окружающих клеток хозяина, например всасывание или секрецию ферментов, или даже отложение жира (да-да, есть данные о том, что ожирение связано с нарушением баланса кишечной микробиоты). Ну и, наконец, такое сосуществование иногда приводит к странным эффектам. Например, микробы могут поглощать лекарства, принимаемые хозяином, или как-то их модифицировать, что иногда существенно снижает эффективность лечения. Или же выделять свою ДНК (в рамках обмена генами с другими бактериями), которая, возможно, поглощается окружающими тканями хозяина. Однозначных подтверждений тому, что гены бактерий работают в клетках стенки кишечника, пока нет. Однако известны подобные случаи у насекомых и червей. А в геноме человека найдены некоторые последовательности, подозрительно похожие на бактериальные. Вероятно, между нами и нашими микрообитателями чуть больше общего, чем кажется на первый взгляд. [ ... ]

Читать полностью