La science du sommeil : pour laquelle ils ont reçu le prix Nobel de médecine. Tic tac en suédois. Prix Nobel des rythmes circadiens

Les lauréats du prix Nobel de physiologie ou médecine 2017 - les Américains Michael Young, Jeffrey Hall et Michael Rosbash - ont été récompensés "pour leur découverte des mécanismes moléculaires qui contrôlent le rythme circadien".

En collaboration avec les éditeurs du portail scientifique populaire "Attic", nous avons découvert quels sont ces mécanismes, comment ils fonctionnent et pourquoi la cellule a besoin de savoir quelle heure il est.

Qu'est-ce que le rythme circadien ?

Depuis plus de quatre milliards d'années que la Terre existe, les conditions de vie sur celle-ci n'ont cessé de changer. Mais une chose est restée presque toujours inchangée - une journée de 24 heures, un changement de jour et de nuit, provoqué par la rotation de la planète autour de son axe. Au cours de cette période la vie terrestre adapté aux couchers et levers de soleil et a acquis sa propre horloge interne. Ces rythmes circadiens (du latin circa - "autour, sur, sur" et meurt - "jour") sont impitoyablement subordonnés à de nombreux processus corporels : outre le sommeil et l'éveil, ce sont, par exemple, le métabolisme, les niveaux hormonaux, la température corporelle, et même (indirectement) le comportement.

De nombreuses études montrent à quel point « l'horloge interne » naturelle est importante pour nous. Par exemple, prolonger artificiellement les heures de clarté peut entraîner l'obésité et des maladies connexes (comme le diabète). À temps différent jours, le corps est sensible aux infections de différentes manières : l'horloge biologique des animaux affecte la capacité des virus à se répliquer et à se propager. Même la perception des couleurs peut être associée à des rythmes circadiens - cela a été montré sur l'exemple de la robe même, à cause de laquelle Internet s'est presque disputé en 2015.

Pourquoi le prix a-t-il été décerné en 2017 ?

Alexandra Puchkova, senior Chercheur laboratoire de neurobiologie du sommeil et de l'éveil de l'institut supérieur activité nerveuse et de neurophysiologie de l'Académie russe des sciences, a déclaré que les lauréats de 2017 avaient découvert une "horloge cellulaire" chez les mouches des fruits. Plus tard, les scientifiques ont découvert que ce mécanisme d'horloge était assez universel - de la même manière, le changement de jour et de nuit est fixé sur niveau génétique aussi bien chez les autres animaux que chez les humains.

Pour la première fois, un gène affectant le rythme circadien a été identifié dans les années 70. Ensuite, les scientifiques l'ont appelé période . Deux des lauréats actuels, Geoffrey Hall et Michael Rosbash, ont pu isoler ce gène en 1984. Ils ont alors montré que la protéine PER codant pour le gène s'accumule la nuit et est détruite le jour.

"[Les lauréats] ont découvert sur les mouches des fruits qu'il y avait un gène. Puis il s'est avéré qu'il y a en fait beaucoup de ces gènes, ils se régulent les uns les autres, et s'ils sont modifiés, alors cette période peut devenir plus ou moins de 24 heures , et si vous le cassez, alors il [ gène] disparaîtra complètement. Et puis ils ont découvert qu'une personne avait un mécanisme très similaire ... Ils ont montré comment fonctionne toute cette machine », a expliqué Alexandra Puchkova.

Irina Kurbatova, chercheuse au Laboratoire de génétique de l'Institut de biologie du Centre scientifique carélien de l'Académie russe des sciences, n'est pas surprise que le prix ait été décerné précisément pour ces travaux - selon elle, il s'agit d'un domaine extrêmement prometteur recherche scientifique directement liés à la fois à la médecine fondamentale et à la pratique médicale.

Et après?

Fait intéressant, "l'horloge" trouvée par Hall, Rosbash et Young fonctionne dans toutes les cellules qui ont un noyau. C'est ainsi qu'ils interviennent dans tous les processus biologiques qui intéressent le nouveau domaine de la science, la chronobiologie.

Les chronobiologistes, ainsi que les somnologues (spécialistes du sommeil) et d'autres scientifiques, tentent de comprendre comment influencer la réinitialisation de "l'horloge interne", qui, par exemple, se produit lorsque vous voyagez vers un fuseau horaire différent ou que vous travaillez de nuit. Comme l'expliquent les scientifiques, "l'horloge" chimique de notre corps est capable de percevoir des signaux externes - principalement de la lumière. Cela signifie qu'avec l'aide de la luminothérapie, il sera possible de traiter la dépression ou les troubles affectifs saisonniers causés par des heures de clarté anormalement courtes.

Entre autres choses, les rythmes circadiens régulent le rythme pression artérielle, et si son travail est perturbé, une personne a un risque accru de pathologies cardiovasculaires.

Alors la recherche lauréats du prix Nobel résumé base théorique dans tout le domaine de la médecine.

MOSCOU, 2 octobre— RIA Novosti, Anna Urmantseva. Les noms des lauréats du prix Nobel de physiologie ou de médecine ont été annoncés à Stockholm. Ce sont des scientifiques qui ont découvert les mécanismes de régulation des horloges intracellulaires biologiques - ce sont le professeur Jeffrey Hall de New York, Michael Rozbash de Kansas City et Michael Young de Miami.

L'essence de leur découverte est qu'une explication a été trouvée pour les rythmes présents dans les organismes des êtres biologiques sur Terre, quel que soit l'éclairage (jour et nuit). Depuis l'Antiquité, des volontaires ont mené des expériences confirmant l'existence de rythmes circadiens. Les chercheurs sont allés longtemps dans des grottes, fermées dans des bunkers pour tester l'hypothèse de l'existence de rythmes d'éveil et de sommeil dans ces conditions où le corps est privé d'informations sur les heures de clarté, ainsi que de tout son. Il s'est avéré que bien que la journée s'étende, selon diverses sources, de 25 à 27 heures, une personne continue de vivre avec ses rythmes "quotidiens", c'est pourquoi on parle de "circadien" - la ressemblance d'un jour ( le mot vient du latin circa - "environ" et meurt - "jour").

Sur les plantes, les premières expériences de ce type remontent à 1729 : l'astronome français Jean-Jacques d'Ortois De Mairan place un héliotrope dans une pièce sombre et remarque que ses feuilles se lèvent et s'abaissent de la même manière qu'à la lumière.

Depuis lors, des expériences similaires ont été répétées à de nombreuses reprises et ont complètement convaincu les scientifiques que tout le monde a des rythmes circadiens, y compris les organismes unicellulaires et les cellules en culture. Il est clair que ces rythmes sont synchronisés avec la rotation de la Terre.

Des scientifiques proposent un traitement contre le syndrome du décalage horaireLes scientifiques ont découvert que les molécules VIP dans le cerveau sont en grand nombre faire fonctionner l'horloge biologique d'une personne de manière incorrecte, à cause de laquelle elle s'habitue au changement des heures claires et sombres de la journée deux fois plus vite. À l'avenir, les chercheurs espèrent « apprendre » au cerveau à produire grande quantité VIP sur certains signaux.

Dans leurs recherches, les chronobiologistes sont allés très loin, mettant en place des expériences pour extraire une seule cellule et analyser ses rythmes individuels. Il s'est avéré qu'une petite cellule continue de vivre à l'extérieur du corps, corrélant son activité avec des biorythmes établis. De plus, l'activité d'une cellule du corps d'un "hibou" humain sera différente de l'activité d'une cellule prélevée sur une "alouette".

les professeurs Universités américaines Geoffrey Hall, Michael Rozbash et Michael Young ont découvert le mécanisme des rythmes circadiens et identifié les gènes qui régulent ce processus.

En 1990, Michael Rozbash et ses collègues ont découvert le rôle de l'un des gènes dans les rythmes circadiens chez la drosophile (mouche des fruits). Le gène, appelé période (per), régulait la production de la protéine PER, dont le niveau dans le corps fluctuait dans les heures claires et sombres de la journée, et les fluctuations persistaient lorsque les mouches des fruits étaient maintenues dans l'obscurité.

Schéma d'activation des "gènes d'horloge" Per et Cry dans une cellule. Le complexe protéique active des gènes qui déclenchent la production d'autres molécules protéiques qui bloquent l'activité de ce complexe.

La diminution périodique de la concentration en protéines a été réalisée en utilisant le mécanisme de retour d'information: plus la concentration augmente, moins la protéine est synthétisée. Les scientifiques ont également délibérément modifié ces gènes, produisant deux mutations. Avec la première mutation, la période de changement de concentration en protéines est devenue plus courte, avec la seconde - plus longue. C'est-à-dire que "l'horloge biologique" des mouches des fruits avec ces mutations a commencé à se précipiter ou à prendre du retard. Modifications correspondantes de la concentration en protéines PER corrélées au niveau activité motrice chez la drosophile.

Dans le laboratoire de Rosebash et Hall, deux autres gènes de Drosophile associés aux rythmes circadiens, cycle et horloge, ont également été étudiés. À l'avenir, l'étude de la base génétique des rythmes circadiens a été poursuivie. En conséquence, un modèle d'oscillation transcriptionnelle-traductionnelle a été formé, c'est-à-dire une expression génique changeant de manière rythmique.

Si nous parlons d'une personne, il s'est avéré que les causes du syndrome d'endormissement précoce ou de réveil tardif peuvent également être trouvées dans les gènes. Le "coupable" de l'endormissement précoce peut être une mutation du gène hPer2 (h ici de l'humain - "humain"), et le réveil tardif est associé à un gène hPer3 modifié.

Illustration © RIA Novosti. A. Polyanina

Comment les cellules saines sont-elles régulées ? Le processus est déclenché par les rayons du soleil. L'horloge centrale du corps commence à fonctionner, située dans le cerveau et composée de deux éléments principaux - les noyaux suprachiasmatiques (SCN) de l'hypothalamus et de la glande pinéale. Les noyaux suprachiasmatiques sont capables de maintenir un rythme circadien autonome d'activité électrique et de l'imposer à l'horloge intracellulaire.

La vie sur Terre obéit au rythme qui dicte la rotation de la planète sur elle-même et autour du Soleil. La plupart des organismes vivants ont une "horloge" interne - des mécanismes qui vous permettent de vivre selon ce rythme. Hall, Rosbash et Young ont regardé dans la cellule et ont vu comment fonctionne l'horloge biologique.

Les drosophiles ont servi d'organismes modèles. Les généticiens ont réussi à calculer le gène qui contrôle le rythme de vie des insectes. Il s'est avéré qu'il code pour une protéine qui s'accumule dans les cellules la nuit et est lentement utilisée pendant la journée. Plus tard, plusieurs autres protéines impliquées dans la régulation des rythmes circadiens ont été découvertes. Il est maintenant clair pour les biologistes que le mécanisme qui régule la routine quotidienne est le même pour tous les organismes vivants, des plantes à l'homme. Ce mécanisme contrôle l'activité, les niveaux d'hormones, la température corporelle et le métabolisme, qui changent avec l'heure de la journée. Depuis les découvertes de Hall, Rosbash et Young, de nombreuses preuves ont montré à quel point des déviations soudaines ou persistantes de l'horloge biologique dans le mode de vie peuvent être dangereuses pour la santé.

La première preuve que les êtres vivants ont un "sens du temps" est apparue au 18ème siècle : puis le naturaliste français Jean Jacques d'Ortou de Maran a montré que le mimosa continue à s'épanouir le matin et à se refermer le soir, même le soir. foncé toute la journée. Des recherches plus poussées ont montré que les plantes ne sont pas les seules à détecter l'heure de la journée. mais aussi des animaux, y compris des personnes. Le changement périodique des paramètres physiologiques et du comportement au cours de la journée a été appelé rythmes circadiens - de lat. environ- cercle et meurt- journée.

Dans les années 70 du siècle dernier, Seymour Benzer et son élève Ronald Konopka ont découvert un gène qui contrôle les rythmes circadiens chez la drosophile et ont superposé sa période. En 1984, Geoffrey Hall et Michael Rosbash de l'Université Brandelis à Boston et Michael Young de l'Université Rockefeller à New York ont isolé le gène période, puis Hall et Rosbash ont découvert ce que fait la protéine codée en elle, PER, - et elle s'accumule dans la cellule la nuit et est dépensée toute la journée, de sorte que sa concentration peut être utilisée pour juger de l'heure de la journée.

Ce système, comme le suggéraient Hall et Rosbash, s'autorégule : la protéine PER bloque l'activité du gène de la période, donc la synthèse protéique s'arrête dès qu'il y en a trop et reprend au fur et à mesure que la protéine est consommée. Il ne restait plus qu'à répondre à la question de savoir comment la protéine pénètre dans le noyau cellulaire - après tout, c'est seulement là qu'elle peut influencer l'activité du gène.

En 1994, Young a découvert le deuxième gène important pour les rythmes circadiens, intemporel, qui code la protéine TIM, qui aide la protéine PER à traverser la membrane nucléaire et à bloquer le gène de la période. Un autre gène temps double, s'est avéré être responsable de la protéine DBT, qui ralentit l'accumulation de la protéine PER - de sorte que le cycle de sa synthèse et des pauses entre eux s'étire pendant 24 heures. Au cours des années suivantes, de nombreux autres gènes et protéines ont été découverts - des éléments du mécanisme délicat de "l'horloge biologique", y compris ceux qui vous permettent de "dessiner des flèches" - des protéines dont l'activité dépend de l'illumination.

Les rythmes circadiens régulent divers aspects de la vie de notre corps, y compris au niveau génétique : certains gènes sont plus actifs la nuit, d'autres le jour. Grâce aux découvertes des lauréats 2017, la biologie des rythmes circadiens est devenue un vaste discipline scientifique; Des dizaines sont écrites chaque année travaux scientifiques sur le fonctionnement de "l'horloge biologique" différents types, y compris les humains.

Donc, pour ceux qui font de la science ou qui parlent et écrivent à ce sujet, la semaine la plus importante de l'année est arrivée. Traditionnellement, la première semaine d'octobre, le comité Nobel annonce les lauréats du prix Nobel. Et traditionnellement, nous sommes les premiers à reconnaître les lauréats du prix de physiologie ou de médecine (oui, pour une raison quelconque en russe, cette union s'est transformée en «et», mais c'est correct - l'un ou l'autre).

En 2017, l'Institut Karolinska, qui décerne ces prix, a surpris tout le monde. Ce n'est un secret pour personne que de nombreux experts et agences proposent des prophéties et des prédictions des lauréats. Cette année, pour la première fois, l'agence Clarivate Analytics, issue de l'agence Thomson Reyters, a fait des prédictions. Dans le domaine de la médecine, ils ont prédit la victoire de Lewis Cantley pour la découverte d'une protéine responsable du développement du cancer et du diabète, de Karl Friston pour les techniques de neuroimagerie, et de Yuan Chan et Patrick Moore pour la découverte du virus de l'herpès qui cause Le sarcome de Kaposi.

Cependant, de manière inattendue pour tout le monde, le prix a été reçu par trois Américains (ce qui n'est pas du tout inattendu) pour la découverte des mécanismes moléculaires des rythmes circadiens - l'horloge moléculaire interne des humains, des animaux et des plantes. Oui, lisez, presque tous les êtres vivants. La chose même qu'on appelle les biorythmes.

Qu'ont découvert Michael Young de l'Université Rockefeller à New York, Michael Rosbash de l'Université Brandeis et Geoffrey Hall de l'Université du Maine ?

Pour commencer, disons qu'ils n'ont PAS découvert les rythmes circadiens (du latin circa - autour et diem - jour). Les premiers indices de cela sont apparus dans l'Antiquité (et ce n'est pas surprenant, nous sommes tous éveillés le jour et dormons la nuit). Le gène responsable du fonctionnement de l'horloge interne n'est également pas découvert par nos héros. Seymour Benzer et Ronald Konopka ont mené cette série d'expériences sur les mouches des fruits. Ils ont pu trouver des mouches mutantes chez lesquelles la durée du rythme circadien n'était pas de 24 heures, comme la vie dans la nature (ou comme les humains), mais de 19 ou 29 heures, ou aucun rythme circadien n'a été observé. Ce sont eux qui ont découvert le gène de la période, qui « règle » les rythmes. Mais hélas, Benzer est décédé en 2007, Konopka - en 2015, sans attendre son prix Nobel. C'est souvent le cas en sciences.

Ainsi, la période ou le gène PER lui-même code pour la protéine PER, qui dirige l'orchestre des rythmes circadiens. Mais comment le fait-il, et comment la cyclicité de tous les processus est-elle réalisée ? Hall et Rosbash ont proposé une hypothèse selon laquelle la protéine PER pénètre dans le noyau cellulaire et bloque le travail de son propre gène (rappelons-nous que les gènes ne sont que des instructions pour assembler une protéine. Un gène - une protéine). Mais comment cela se passe-t-il ? Jeffrey Hall et Michael Rosbash ont montré que la protéine PER s'accumule dans le noyau cellulaire pendant la nuit et est consommée pendant la journée, mais n'ont pas compris comment elle réussissait à y parvenir. Et puis le troisième lauréat, Michael Young, est venu à la rescousse. En 1994, il découvre un autre gène, intemporel ("sans temps"), qui code également une protéine - TIM. C'est Yang qui a montré que PER ne peut entrer dans le noyau cellulaire qu'en se combinant avec la protéine TIM.

Donc, pour résumer la première découverte : lorsque le gène period est actif, l'ARN dit messager de la protéine PER est produit dans le noyau, selon lequel, comme dans le modèle, la protéine sera produite dans le ribosome. Cet ARN messager quitte le noyau dans le cytoplasme, devenant la matrice pour la production de la protéine PER. Puis la boucle se referme : la protéine PER s'accumule dans le noyau cellulaire lorsque l'activité du gène period est bloquée. Ensuite, Young a découvert un autre gène, doubletime - "double time", qui code pour la protéine DBT, qui peut "ajuster" l'accumulation de la protéine PER, en la déplaçant dans le temps. C'est grâce à cela que nous pouvons nous adapter aux changements de fuseau horaire et à la durée du jour et de la nuit. Mais - si nous changeons très rapidement de jour en nuit, l'écureuil ne suit pas le jet et le décalage horaire se produit.

Il convient de noter que le prix 2017 est le premier prix en 117 ans, qui se rapporte en quelque sorte au cycle du sommeil et de l'éveil. Outre la découverte de Benzer et Konopka, d'autres chercheurs sur les rythmes circadiens et les processus du sommeil n'ont pas attendu leurs prix, comme l'une des fondatrices de la chronobiologie Patricia DeCorcy, le découvreur de la phase "rapide" du sommeil Eugene Azerinsky, un des pères de la somnologie Nathaniel Kleitman ... On peut donc appeler le courant La décision du Comité Nobel est significative pour tous ceux qui travaillent dans ce domaine.