Нобелівська премія з медицини 2017 р. Розшифровка механізмів біологічних годинників людського тіла
Після 30 років безперервних досліджень у галузі хронобіології Джеффрі Холл, Майкл Росбаш та Майкл Янг отримали Нобелівську премію за "відкриття молекулярних механізмів, що контролюють циркадні ритми". Вони продемонстрували, як взаємодія між різними генами та білками, які вони кодують, викликає молекулярні коливання в кожній клітині.
Добовий ритм - це біологічна модель, яка пояснює, як фізіологія та поведінка організму можуть адаптуватися до зовнішнього середовища, передбачаючи денний/нічний цикл.
Імена лауреатів Нобелівської премії з медицини були оголошені на прес-конференції у Стокгольмі, Швеція, 2 жовтня 2017 р. Джерело фото - REUTERS
На початку 1980-х років у лабораторії професора Янга з університету Рокфеллера в Нью-Йорку та в лабораторіях професорів Джеффрі Холла та Майкла Росбаша з університету Брандейса, Бостон, проводились дослідження з розшифровки механізму циркадного ритму.
використання оцтовий комар (Drosophila Melanogaster) як модельний організм нобелівські лауреати виділили ген, який контролює цей біологічний ритм. Ген кодує білок, який може пригнічувати власну транскрипцію, накопичується в клітинах протягом ночі, а потім деградує вдень. Поступово було виявлено декілька компонентів цього механізму, і модель була екстрапольована на інші багатоклітинні організми, включаючи людей.
Вії та біологічний годинник
В 1970 рік, Сеймур Бензер, генетик і біолог з Каліфорнійського технологічного інституту, та його студент Рональд Конопка показали, що мутації гена, який вони пізніше назвали періодом (PER), порушують циркадний ритм оцту.
Згодом у 1984 рік, Джеффрі Холл та Майкл Росбаш, колеги з Університету Брадейса, виділили ген і виявили, що рівень білка PER коливався протягом 24-годинного циклу, синхронно із циркадним ритмом. Гіпотеза двох з них полягала в тому, що існує процес негативного зворотного зв'язку, білок PER може пригнічувати власний синтез і, отже, може пояснити регулювання рівня білка в циклічному ритмі.
Коли ген період активна, виробляється інформаційна РНК, яка транспортується до цитоплазми клітини, де визначає синтез білків PER. Потім білки накопичуються в ядрі, де визначають генетичне гальмування. На той час, як ці молекули досягали клітинного ядра в цитоплазмі, ще були невідомі.
Потрібно було відкрити новий ген - позачасовий, доктором Майклом Янг в 1994 рік. Ген відповідає білку TIM, який при зв’язку з PER утворює білковий комплекс, здатний проникати в ядро і блокувати ген періоду. Однак механізм, що пояснює частоту цих коливань білка PER, не виявлений. Доктор Янг також визначив ген - подвійний час, відповідає за вироблення білка DBT, який затримує накопичення PER.
Дослідження продовжилися відкриттям набору генів, які включають per (період), tim (позачасовий), dbt (подвійний час, казеїнкіназа 1), clk (годинник), cyc (цикл), sgg (кошлатий), Pdp1 (Білок PAR-домену 1), vri (твіст), cry (криптохром) та ck2 (казеїнкіназа 2). Взаємодія між цими генами, яка базується на циклі зворотного зв'язку, в якому беруть участь PER та TIM, призвела до появи моделі, яка називається Цикл зворотного зв'язку з транскрипцією та перекладом (TTFL).
Що таке циркадний ритм і як він впливає на наше здоров’я?
Циркадний ритм позначає будь-який біологічний процес, який реєструє коливання протягом 24 годин. Ендогенні механізми живих організмів дозволяють їм адаптуватися до навколишнього середовища, представляючи тим самим стадію еволюції. "Циркадіан" означає приблизно день латиною (circa - приблизно, die - день). На додаток до цілодобового циркадного ритму існують щотижневі, щомісячні, щорічні біологічні цикли, які є предметом вивчення cronobiologiei.
Серед перших досліджень біологічних "годинників" були ті, що були зосереджені на вивченні поведінки рослин. Наприклад, листя mimosa pudica (мімоза) вони закриваються вночі, а вдень відкриваються. Жан Жак д’Ортус де Меран, У 18 столітті він спостерігав це явище і гадав, що станеться з рослиною, якщо її помістити в темряву. Він виявив, що незалежно від впливу світла, рослина продовжує свої закриваючі/відкриваючі коливання щодня. Такі специфічні для тіла коливання протягом дня також були виявлені у тварин та людей.
У людини добовий ритм бере участь у регулюванні таких процесів, як сон, дієта, кров'яний тиск, температура тіла або виділення гормонів. Дослідження показали, що, приймаючи спосіб життя, який не відповідає ритму, продиктованому біологічним годинником, люди мають високий ризик розвитку серйозних захворювань - раку, нейродегенеративних захворювань, метаболічних захворювань тощо. Деякі з біомаркерів, що оцінюють циркадний ритм: мелатонін, гормон, відповідальний за регуляцію циклу сон-неспання, температура тіла і рівні в плазмі крові кортизол, гормон стресу.
спати це має важливе значення для нормальної роботи мозку, а відсутність функціонування добового ритму спричиняє як порушення сну, так і інші нервово-психічні розлади, такі як біполярний розлад, розлад пам’яті, депресія. Дефект гена людини період (від дрозофіли) було показано, що спричиняє порушення сну - FASPS (сімейний розширений сон).
Останні дослідження зосереджуються на нових підходах у взаємозв'язку між хронобіологією та фармакологією для визначення способів модуляції амплітуди, періодів, фаз біологічних ритмів, що впливають на здоров'я.