Veda o spánku: za ktorú bola udelená Nobelova cena za medicínu. Tick-tak po švédsky. Nobelova cena za cirkadiánne rytmy

Laureáti Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu za rok 2017 – Američania Michael Young, Geoffrey Hall a Michael Rosbash – dostali ceny za „objavenie molekulárnych mechanizmov, ktoré riadia cirkadiánny rytmus“.

Spolu s redaktormi populárno-vedeckého portálu „Cherdak“ sme prišli na to, aké sú tieto mechanizmy, ako fungujú a prečo bunka potrebuje vedieť, koľko je hodín.

Čo je cirkadiánny rytmus?

Za viac ako štyri miliardy rokov existencie Zeme sa podmienky života na nej neustále menia. Jedna vec však takmer vždy zostala nezmenená – 24-hodinový deň, zmena dňa a noci, spôsobená rotáciou planéty okolo svojej osi. Počas tejto doby pozemský život prispôsobený západom a východom slnka a dostal vlastné vnútorné hodiny. Týmto cirkadiánnym (z lat. circa – „okolo, okolo, okolo“ a dies – „deň“) rytmom je nemilosrdne podriadených veľa procesov v tele: okrem spánku a bdenia sú to napríklad metabolizmus, hormonálne hladiny, telesnú teplotu a dokonca (nepriamo) správanie.

Mnohé štúdie ukazujú, aké dôležité sú naše prirodzené „vnútorné hodiny“. Napríklad umelé predlžovanie denného svetla môže spôsobiť obezitu a súvisiace choroby (napríklad cukrovku). V iný čas Počas dňa je telo náchylné na infekcie rôznymi spôsobmi: biologické hodiny zvierat ovplyvňujú schopnosť vírusov replikovať sa a šíriť sa. Dokonca aj vnímanie farieb môže byť spojené s cirkadiánnymi rytmami - to sa ukázalo na príklade samotného oblečenia, kvôli ktorému sa v roku 2015 takmer rozpadol internet.

Za čo presne bola cena udelená v roku 2017?

Alexandra Púchková, st Výskumník laboratórium neurobiológie spánku a bdenia Ústavu vyš nervová činnosť a neurofyziológia Ruskej akadémie vied uviedla, že laureáti z roku 2017 objavili u ovocných mušiek „bunkové hodiny“. Neskôr vedci zistili, že tento hodinový mechanizmus je celkom univerzálny – podobným spôsobom je fixovaná aj zmena dňa a noci genetickej úrovni a u iných zvierat a ľudí.

Prvýkrát bol gén, ktorý ovplyvňuje cirkadiánny rytmus, identifikovaný už v 70. rokoch. Potom to vedci pomenovali ako obdobie . Dvaja z dnešných víťazov, Jeffrey Hall a Michael Rosbash, dokázali v roku 1984 izolovať tento gén. Potom ukázali, že proteín PER, ktorý kóduje gén, sa v noci hromadí a cez deň sa ničí.

"[Víťazi] na ovocných muškách zistili, že existuje jeden gén. Potom sa ukázalo, že týchto génov je vlastne veľa, navzájom sa regulujú, a ak sa zmenia, tak toto obdobie môže byť viac-menej 24 hodín a ak to rozbiješ, potom to [ gén] úplne zmizne. A potom zistili, že človek má veľmi podobný mechanizmus... Ukázali, ako celý tento stroj funguje,“ vysvetlila Alexandra Púchková.

Irina Kurbatova, výskumníčka z Genetického laboratória Biologického ústavu Karelského výskumného centra Ruskej akadémie vied, nie je prekvapená, že ocenenie dostali práve za tieto práce – podľa nej ide o mimoriadne perspektívnu oblasť. vedecký výskum priamo súvisí so základnou medicínou a lekárskou praxou.

Čo bude ďalej?

Zaujímavé je, že „hodiny“, ktoré našli Hall, Rosbash a Young, fungujú vo všetkých bunkách s jadrom. Takto zasahujú do všetkých biologických procesov, o ktoré sa zaujíma nový vedný odbor, chronobiológia.

Chronobiológovia spolupracujú so somnológmi (špecialistami na spánok) a ďalšími vedcami, aby prišli na to, ako môžete ovplyvniť prestavovanie „vnútorných hodín“, ku ktorému napríklad dochádza, keď letíte do iného časového pásma alebo pracujete na nočnej zmene. Ako vedci vysvetľujú, chemické „hodiny“ v našom tele sú schopné vnímať vonkajšie signály – v prvom rade svetlo. To znamená, že pomocou svetelnej terapie bude možné liečiť depresiu alebo sezónnu afektívnu poruchu spôsobenú neprirodzene krátkym denným svetlom.

Okrem iného rytmus regulujú ciracadiánne rytmy. krvný tlak a ak je ich práca narušená, osoba má zvýšené riziko kardiovaskulárnych patológií.

Takže výskum laureáti Nobelovej ceny nechať dole teoretický základ pre celú oblasť medicíny.

MOSKVA, 2. október- RIA Novosti, Anna Urmantseva. V Štokholme oznámili mená laureátov Nobelovej ceny za fyziológiu a medicínu. Boli to vedci, ktorí objavili mechanizmy regulácie biologických vnútrobunkových hodín – sú to profesor Jeffrey Hall z New Yorku, Michael Rosebash z Kansas City a Michael Young z Miami.

Podstata ich objavu spočíva v tom, že sa našlo vysvetlenie pre rytmy, ktoré sú prítomné v organizmoch biologických bytostí na Zemi bez ohľadu na osvetlenie (deň a noc). Od dávnych čias dobrovoľníci uskutočňovali experimenty potvrdzujúce existenciu cirkadiánnych rytmov. Výskumníci išli na dlhú dobu do jaskýň, zavreli sa v bunkroch, aby otestovali hypotézu o existencii rytmov bdenia a spánku v tých podmienkach, keď je telo zbavené informácií o dennom svetle, ako aj o akýchkoľvek zvukoch. Ukázalo sa, že hoci sa deň podľa rôznych zdrojov natiahne z 25 na 27 hodín, človek naďalej žije so svojimi „dennými“ rytmami, a preto sa hovorí o „cirkadiánnych“ – podobnosti dňa. (slovo pochádza z latinského circa – „asi“ a dies – „deň“).

Na rastlinách sa prvé takéto experimenty uskutočnili už v roku 1729: francúzsky astronóm Jean-Jacques d "Ortois de Mairan umiestnil heliotrop do tmavej miestnosti a všimol si, že jeho listy stúpajú a klesajú rovnakým spôsobom ako na svetle.

Odvtedy sa podobné experimenty opakovali mnohokrát a úplne presvedčili vedcov, že každý má cirkadiánne rytmy, vrátane jednobunkových organizmov a buniek v kultúre. Je jasné, že tieto rytmy sú synchronizované s rotáciou Zeme.

Vedci ponúkajú liečbu jet lagVedci zistili, že VIP molekuly obsiahnuté v mozgu sú Vysoké číslo prinútiť človeka nesprávne pracovať biologické hodiny, preto si dvakrát rýchlejšie zvyká na zmenu dňa a noci. Vedci dúfajú, že v budúcnosti „naučia“ mozog vyrábať sám veľká kvantita VIP na určité signály.

Vo svojich štúdiách zašli chronobiológovia veľmi ďaleko, keď pripravili experimenty na extrakciu jednej bunky a analyzovali jej jednotlivé rytmy. Ukázalo sa, že malá bunka naďalej žije mimo tela, čo koreluje jej aktivitu so zavedenými biorytmami. Navyše, aktivita bunky z ľudského tela „sovy“ sa bude líšiť od aktivity bunky získanej zo „sovieho“.

profesori americké univerzity Jeffrey Hall, Michael Rosebash a Michael Young pochopili mechanizmus cirkadiánnych rytmov a identifikovali gény, ktoré tento proces regulujú.

V roku 1990 Michael Rozbash a kolegovia objavili úlohu jedného z génov v cirkadiánnych rytmoch u Drosophily (ovocnej mušky). Gén s názvom period (per) reguloval produkciu proteínu PER, ktorého hladina v tele kolísala cez deň aj v noci a kolísanie pretrvávalo, keď bola Drosophila držaná v tme.

Schéma aktivácie "hodinových génov" Per a Cry v bunke. Proteínový komplex aktivuje gény, ktoré spúšťajú produkciu iných proteínových molekúl, ktoré blokujú aktivitu tohto komplexu

Periodické znižovanie koncentrácie proteínov sa uskutočňovalo pomocou mechanizmu negatívneho spätná väzba: čím viac sa koncentrácia zvýšila, tým menej proteínu sa syntetizovalo. Vedci tiež zámerne zmenili tieto gény a vytvorili dve mutácie. Pri prvej mutácii sa obdobie zmien koncentrácie proteínu skrátilo, pri druhej predĺžilo. To znamená, že „biologické hodiny“ múch Drosophila s týmito mutáciami sa začali ponáhľať alebo zaostávať. Zodpovedajúce zmeny v koncentrácii proteínu PER korelovali s úrovňou motorická aktivita v Drosophila.

V Rosebashovom a Hallovom laboratóriu sa skúmali dva ďalšie gény Drosophila spojené s cirkadiánnymi rytmami, cyklom a hodinami. V budúcnosti sa pokračovalo v štúdiu genetického základu cirkadiánnych rytmov. Výsledkom bolo vytvorenie modelu transkripčno-translačnej oscilácie, teda rytmicky sa meniacej génovej expresie.

Ak hovoríme o človeku, ukázalo sa, že príčiny syndrómu skorého zaspávania či neskorého vstávania možno hľadať aj v génoch. „Na vine“ skorého zaspávania môže byť mutácia v géne hPer2 (tu h je od človeka – „človek“) a neskoršie zaspávanie súvisí so zmeneným génom hPer3.

Ako sú zdravé bunky regulované? Slnečné lúče spúšťajú proces. Začnú pracovať centrálne hodiny tela, ktoré sa nachádzajú v mozgu a pozostávajú z dvoch hlavných prvkov - suprachiazmatických jadier (SCN) hypotalamu a epifýzy. Suprachiazmatické jadrá sú schopné udržiavať autonómny cirkadiánny rytmus elektrickej aktivity a uvaliť ho na vnútrobunkové hodiny.

Život na Zemi sa riadi rytmom, ktorý určuje rotáciu planéty okolo seba a okolo Slnka. Väčšina živých organizmov má vnútorné „hodiny“ – mechanizmy, ktoré im umožňujú žiť v súlade s týmto rytmom. Hall, Rosbash a Young sa pozreli do klietky a videli, ako fungujú biologické hodiny.

Drosophila muchy slúžili ako modelové organizmy. Genetikom sa podarilo vypočítať gén, ktorý riadi rytmus života hmyzu. Ukázalo sa, že kóduje proteín, ktorý sa v noci hromadí v bunkách a cez deň sa pomaly využíva. Neskôr bolo objavených niekoľko ďalších proteínov, ktoré sa podieľajú na regulácii cirkadiánnych rytmov. Biológom je dnes jasné, že mechanizmus, ktorý reguluje denný režim, je rovnaký pre všetky živé organizmy, od rastlín až po ľudí. Tento mechanizmus riadi aktivitu, hladiny hormónov, telesnú teplotu a metabolizmus, ktoré sa menia v závislosti od dennej doby. Od objavov Halla, Rosbasha a Younga sa objavilo množstvo údajov o tom, aké prudké či neustále odchýlky v spôsobe života od daných „biologických hodín“ môžu byť zdraviu nebezpečné.

Prvý dôkaz, že živé veci majú „zmysel pre čas“, sa objavil v 18. storočí: vtedy francúzsky prírodovedec Jean-Jacques d „Hortu de Meran ukázal, že mimóza naďalej otvára kvety ráno a zatvára sa večer, aj keď v r. tma. celý deň... Ďalší výskum ukázal, že nielen rastliny cítia čas dňa. ale aj zvieratá vrátane ľudí. Periodická zmena fyziologických ukazovateľov a správania počas dňa sa nazývala cirkadiánne rytmy – z lat. cca- kruh a zomrie- deň.

V 70. rokoch minulého storočia Seymour Bentzer a jeho študent Ronald Konopka našli gén, ktorý riadi cirkadiánne rytmy v ovocných muškách, a vynútili si jeho periódu. V roku 1984 Jeffrey Hall a Michael Rosbash na Brandelis University v Bostone a Michael Young z Rockefellerovej univerzity v New Yorku izolovali gén obdobie, a potom Hall a Rosbash prišli na to, čo robí proteín v ňom zakódovaný, PER - a ten sa v noci hromadí v bunke a trávi celý deň, takže podľa koncentrácie môžete posúdiť dennú dobu.

Tento systém, ako navrhli Hall a Rosbash, sa reguluje sám: proteín PER blokuje aktivitu génu periódy, takže syntéza proteínov sa zastaví, akonáhle je ho príliš veľa, a obnoví sa, keď sa proteín spotrebuje. Zostávalo len odpovedať na otázku, ako sa proteín dostáva do bunkového jadra – veď len tam môže ovplyvniť aktivitu génu.

V roku 1994 Young objavil druhý dôležitý gén pre cirkadiánne rytmy, nadčasový gén, ktorý kóduje proteín TIM, ktorý pomáha proteínu PER prejsť cez jadrovú membránu a blokovať gén periódy. Ďalší gén dvojnásobný, sa ukázalo byť zodpovedné za proteín DBT, ktorý spomaľuje hromadenie proteínu PER - takže cyklus jeho syntézy a pauzy medzi nimi sa natiahne na 24 hodín. V nasledujúcich rokoch boli objavené mnohé ďalšie gény a proteíny - časti jemného mechanizmu "biologických hodín", vrátane tých, ktoré umožňujú "otáčať šípkami" - proteíny, ktorých aktivita závisí od osvetlenia.

Cirkadiánne rytmy regulujú rôzne aspekty života nášho tela, a to aj na genetickej úrovni: niektoré gény sú aktívnejšie v noci, niektoré cez deň. Objavy laureátov z roku 2017 rozšírili biológiu cirkadiánnych rytmov do obrovskej vedeckej disciplíne; ročne sa ich napíšu desiatky vedeckých prác o tom, ako sú usporiadané „biologické hodiny“. odlišné typy vrátane osoby.

Takže pre tých ľudí, ktorí vedu robia alebo o nej hovoria a píšu, prišiel najdôležitejší týždeň v roku. Už tradične v prvý októbrový týždeň Nobelov výbor vyhlasuje laureátov Nobelovej ceny. A tradične sme prví, ktorí uznávajú laureátov ceny za fyziológiu alebo medicínu (áno, z nejakého dôvodu sa táto únia v ruskom jazyku zmenila na „a“, ale správne - buď jedno alebo druhé).

V roku 2017 Karolínsky inštitút, ktorý tieto ceny udeľuje, všetkých prekvapil. Nie je žiadnym tajomstvom, že mnoho odborníkov a agentúr prichádza s proroctvami a predpoveďami laureátov. Tento rok po prvý raz predpovedala agentúra Clarivate Analytics, ktorá sa odčlenila od agentúry Thomson Reyters. V oblasti medicíny predpovedali víťazstvo Lewisovi Cantleymu za objav proteínu, ktorý je zodpovedný za rozvoj rakoviny a cukrovky, Karlovi Fristonovi za neurozobrazovacie techniky a manželom Yuanovi Chanovi a Patrickovi Moorovi za objav herpetického vírusu. ktorý spôsobuje Kaposiho sarkóm.

Pre všetkých však nečakane ocenenie získali traja Američania (čo vôbec nie je nečakané) za objav molekulárnych mechanizmov cirkadiánnych rytmov – vnútorných molekulárnych hodín ľudí, zvierat a rastlín. Áno, česť, takmer všetky živé bytosti. To isté, čo sa nazýva biorytmy.

Čo objavili Michael Young z Rockefellerovej univerzity v New Yorku, Michael Rosbash z Brandace University a Jeffrey Hall z University of Maine?

Na začiatok si povedzme, že NEOBjavili cirkadiánne rytmy (z latinského circa – kruh a diem – deň). Prvé náznaky toho sa objavili už v staroveku (a niet divu, že cez deň sme všetci hore a v noci spíme). Gén zodpovedný za prácu vnútorných hodín naši hrdinovia tiež neobjavia. Túto sériu experimentov na ovocných muškách vykonali Seymour Benzer a Ronald Konopka. Podarilo sa im nájsť mutantné muchy, v ktorých trvanie cirkadiánnych rytmov nebolo 24 hodín, ako u tých, ktorí žijú v prírode (alebo ako u ľudí), ale 19 alebo 29 hodín, alebo neboli pozorované žiadne cirkadiánne rytmy. Práve oni objavili dobový gén, ktorý „vládne“ rytmom. Ale bohužiaľ, Benzer zomrel v roku 2007, Konopka - v roku 2015, nikdy nedostal Nobelovu cenu. Vo vede to tak často býva.

Samotný gén periódy alebo PER kóduje proteín PER, ktorý riadi orchester cirkadiánnych rytmov. Ako to však robí a ako sa dosahuje cyklický charakter všetkých procesov? Hall a Rosbash navrhli hypotézu, podľa ktorej sa proteín PER dostane do bunkového jadra a zablokuje prácu vlastného génu (ako si spomíname, gény sú len pokyny na zostavenie proteínu. Jeden gén – jeden proteín). Ale ako sa to stane? Jeffrey Hall a Michael Rosbash ukázali, že proteín PER sa hromadí v bunkovom jadre cez noc a je spotrebovaný počas dňa, ale nepochopili, ako sa tam dokáže dostať. A potom prišiel na pomoc tretí laureát, Michael Young. V roku 1994 objavil ďalší gén, nadčasový, ktorý tiež kóduje proteín, TIM. Bol to Young, kto ukázal, že PER môže vstúpiť do bunkového jadra iba spojením s proteínom TIM.

Takže, aby sme zhrnuli prvý objav: Keď je gén periódy aktívny, v jadre sa vytvorí takzvaná messenger RNA proteínu PER, podľa ktorej sa bude proteín produkovať v ribozóme. Táto mediátorová RNA sa uvoľňuje z jadra do cytoplazmy a stáva sa templátom pre produkciu proteínu PER. Potom sa slučka uzavrie: proteín PER sa hromadí v bunkovom jadre, keď je zablokovaná aktivita génu periódy. Potom Young objavil ďalší gén, doubletime – „double time“, ktorý kóduje proteín DBT, ktorý dokáže „vyladiť“ akumuláciu proteínu PER a posúvať ho v čase. Práve vďaka tomu sa vieme prispôsobiť zmene časového pásma a dĺžke dňa a noci. Lenže – ak veľmi rýchlo zmeníme deň na noc, veverička nestíha prúdové lietadlo a dochádza k jet lagu.

Treba poznamenať, že cena za rok 2017 je prvou cenou po 117 rokoch, ktorá má niečo spoločné s cyklom spánku a bdenia. Okrem objavu Benzera a Konopku aj ďalší výskumníci cirkadiánnych rytmov a spánkových procesov, ako napríklad jedna zo zakladateľov chronobiológie Patricia DeCorsy, objaviteľka „rýchlej“ fázy spánku, Eugene Azerinsky, jeden z otcov somnológie. Nathaniel Kleitman ... rozhodnutie Nobelovho výboru je významné pre každého, kto pracuje v tejto oblasti.