Спасибо, что вы с нами!

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

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