Итак, для тех людей, которые занимаются наукой или говорят и пишут о ней, настала самая важная неделя в году. Традиционно в первую неделю октября Нобелевский комитет объявляет лауреатов Нобелевской преми. И традиционно первыми мы узнаем лауреатов премии по физиологии или медицине (да-да, почему-то в русском языке этот союз превратился в «и», но правильно – или одно, или другое).
В 2017 году Каролинский институт, который присуждает эти премии, удивил всех. Не секрет, что многие эксперты и агентства выступают с пророчествами и предсказаниями лауреатов. В этом году впервые с предсказаниями выступило агентсво Clarivate Analytics, которое выделилось из агенство Thomson Reyters. В области премии по медицине они предсказывали победу Льюису Кэнтли за открытие белка, который отвечает за развитие рака и диабета, Карлу Фристону за методы нейровизуализации и супругам Юань Чань и Патрику Муру за открытие вируса герпеса, которое вызывает саркому Капоши.
Однако неожиданно для всех премию получили три американца (что совсем не неожиданно) за открытие молекулярных механизмов циркадных ритмов – внутренних молекулярных часов человека, животных и растений. Да, почитай, почти всех живых существ. Того самого, что называют биоритмы.
Что же открыли Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн?
Для начала скажем, что циркадные ритмы (от латинского circa – кругом и diem – день) они НЕ открыли. Первые намеки на это появились еще в древности (и неудивительно, все мы днем бодрствуем, а ночью – спим). Ген, отвечающий за работу внутренних часов тоже открыт не нашими героями. Эту серию экспериментов провели на мухах-дрозофилах Сеймур Бензер и Рональд Конопка. Они смогли найти мутантных мушек, в которых длительность циркадных ритмов была не 24 часа, как у живущих в природе (или как у людей), а 19 или 29 часов, или вообще никаких циркадных ритмов не наблюдалось. Именно они открыли ген period, который «рулит» ритмами. Но увы, Бензер умер в 2007, Конопка – в 2015 году, так и не дождавшись своей Нобелевской премии. Так часто бывает в науке.
Итак, сам ген period или PER, кодирует белок PER, который и дирижирует оркестром циркадных ритмов. Но как он это делает, и как достигается цикличность всех процессов? Холл и Росбаш предложили гипотезу, согласно которой белок PER попадает в ядро клетки и блокирует работу собственного гена (как мы помним, гены – это лишь инструкция по сборке белка. Один ген – один белок). Но как это происходит? Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре клетки за ночь, а днем расходуется, но не понимали, как ему удается попадать туда. И тут на помощь пришел третий лауреат, Майкл Янг. В 1994 году он открыл еще один ген, timeless («без времени»), который тоже кодирует белок – TIM. Именно Янг показал, что в ядро клетки PER может попасть только соединившись с белком TIM.
Итак, подведем итог первого открытия: Когда ген period активен, в ядре производится так называемая матричная РНК белка PER, по которой, как по образцу, в рибосоме будет производиться белок. Эта матричная РНК выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Дальше петля замыкается: белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Дальше Янг открыл еще один ген, doubletime – «двойное время», который кодирует белок DBT, который может «настроить» накапливание белка PER, смещая его во времени. Именно благодаря этому мы можем подстроиться к изменению часового пояса и продолжительности дня и ночи. Но – если мы очень быстро меняем день на ночь, белок не успевает за реактивным самолетом, и случается джет-лаг.
Нужно отметить, что премия 2017 года – это первая премия за 117 лет, которая хоть как-то относится к циклу сна и бодрствования. Помимо открытия Бензера и Конопки, своих премий не дождались и другие исследователи суточных ритмов и процессов сна, такие, как одна из основательниц хронобиологии Патрисия ДеКорси, первооткрыватель «быстрой» фазы сна Юджин Азеринский, один из отцов сомнологии Натаниэль Клейтман… Так что можно назвать нынешнее решение Нобелевского комитета знаковым для всех, кто работает в этой тематике.
Лауреаты Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине - американцы Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш - получили наград у "за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом".
Вместе с редакцией научно-популярного портала "Чердак" разобрались, что это за механизмы, как они работают и зачем клетке знать, который час.
Что такое циркадный ритм?
За четыре с лишним миллиарда лет, которые существует Земля, условия жизни на ней постоянно менялись. Но одно практически всегда оставалось неизменным - 24-часовые сутки, смена дня и ночи, вызванная вращением планеты вокруг своей оси. За это время земная 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) 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-разному подвержен инфекциям: биологические часы животных влияют на способность вирусов к репликации и распространению. 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 именно вручили премию в 2017 году?
Александра Пучкова, старший научный сотрудник лаборатории нейробиологии сна и бодрствования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, рассказала, что лауреаты 2017 года обнаружили "клеточные часы" у мушек-дрозофил. Уже потом ученые выяснили, что этот часовой механизм довольно универсален - аналогичным способом смена дня и ночи закреплена на генетическом уровне и у других животных и человека.
Впервые ген, влияющий на циркадный ритм, идентифицировали еще в 70-е годы. Тогда ученые назвали его period. Двое сегодняшних лауреатов, Джеффри Холл и Майкл Росбаш, в 1984 году сумели изолировать этот ген. Затем они показали, что белок PER, кодирующий 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-х 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", — пояснила Александра Пучкова.
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.
Что дальше?
Интересно, что "часы", найденные Холлом, Росбашем и Янгом, работают во всех клетках, имеющих ядро. Именно так они 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 осуществляете перелет в другой часовой пояс или работаете в ночную смену. Как поясняют ученые, химические "часы" в нашем организме умеют воспринимать внешние сигналы — в первую очередь свет. А это значит, что с помощью светотерапии можно будет лечить депрессию или сезонное аффективное расстройство, вызванное неестественно коротким световым днем.
Помимо прочего, циракадные ритмы регулируют ритм артериального давления, и если их работа нарушена, у человека возникает повышенный риск сердечно-сосудистых патологий.
Так что исследования нобелевских лауреатов подвели теоретическую основу под целую область медицины.
Жизнь на Земле подчиняется ритму, который задаёт вращение планеты вокруг себя и вокруг Солнца. У большинства живых организмов есть внутренние «часы» — механизмы, позволяющие жить сообразно этому ритму. Холл, Росбаш и Янг заглянули в клетку и увидели, как работают биологические часы.
Модельными организмами им служили мушки-дрозофилы. Генетикам удалось вычислить ген, контролирующий ритм жизни насекомых. Оказалось, что он кодирует белок, который накапливается в клетках по ночам и медленно утилизируется днём. Позже обнаружилось еще несколько белков, участвующих в регуляции циркадных ритмов. Сейчас биологам ясно, что механизм, регулирующий распорядок дня, один у всех живых организмов, от растений до людей. Этот механизм управляет активностью, содержанием гормонов, температурой тела и обменом веществ, которые меняются в зависимости от времени суток. Со времени открытий Холла, Росбаша и Янга появилось много данных о том, как резкие или постоянные отклонения образа жизни от заданного «биологическими часами» может быть опасно для здоровья.
Первые доказательства того, что у живых существ есть «чутьё времени» появились еще в XVIII веке: тогда ранцузский натуралист Жан Жак д"Орту де Мэран показал, что мимоза продолжает открывать цветки утром и закрывать вечером, даже находясь в темноте круглые сутки. Дальнейшие исследование показали, что время суток чувствуют не только растения. но и животные, в том числе и люди. Периодическую смену физиологических показателей и поведения в течение суток назвали циркадными ритмами — от лат. circa — круг и dies — день.
В 70-е годы прошлого века Сеймур Бенцер и его ученик Рональд Конопка нашли ген, контролирующий циркадные ритмы у дрозофил, и надвали его period. В 1984 году Джеффри Холл и Майкл Росбаш, работавшие в университете Бранделиса в Бостоне, и Майкл Янг из Рокфеллеровского университета Нью-Йорка, изолировали ген period , а затем Холл и Росбаш выяснили, чем занимается закодированный в нём белок, PER, — а он накапливается в клетке по ночам и тратится весь день, поэтому по его концентрации можно судить о времени суток.
Эта система, как предположили Холл и Росбаш, регулирует сама себя: белок PER блокирует активность гена period, поэтому синтез белка останавливается, как только его становится слишком много, и возобновляется по мере расходования белка. Оставалось только ответить на вопрос о том, как белок попадает в ядро клетки — ведь только там он может влиять на активность гена.
В 1994 году Янг обнаружил второй важный для циркадных ритмов ген — timeless, кодирующий белок TIM, который помогает белку PER преодолевать мембрану ядра и блокировать ген period. Еще один ген, doubletime , оказался ответственен за белок DBT, который замедляет накопление белка PER — так, чтобы цикл его синтеза и пауз между ними растянулся на 24 часа. В последующие годы было открыто много других генов и белков — частей тонкого механизма «биологических часов», в том числе и такие, которые позволяют «подводить стрелки» — белки, активность которых зависит от освещённости.
Циркадные ритмы регулируют самые разные аспекты жизни нашего тела, в том числе и на генетическом уровне: некоторые гены активнее по ночам, некоторые — днём. Благодаря открытиям лауреатов 2017 года биология циркадных ритмов превратилась в обширную научную дисциплину; каждый год пишутся десятки научных работ о том, как устроены «биологические часы» у разных видов, в том числе и человека.
Циркадный ритм (лат. circa около + лат. dies день) — название, которое дано близкому к 24-часовому циклу биологических процессов живых организмов, регулирующемуся «внутренним часам». Циркадные ритмы важны для регуляции сна, поведения, активности и питания всех животных, включая человека. Известно, что к этому циклу привязана работа ретикулярной формации мозга, изменение уровня активности мозга в целом, производство гормонов, регенерация клеток и другие биологические процессы. Циркадные ритмы обнаружены не только у животных (позвоночных и беспозвоночных), но и у грибов, растений, простейших и даже бактерий.
Существование таких “внутренних часов” предполагалось еще до молекулярных исследований в этой области. Ритмические изменения, с периодом близким к суточному, сохраняются у организмов полностью изолированных от внешних источников света сообщающих о времени суток. Например, суточные вращения листьев наблюдается у растений помещенных в полную темноту. Известно, что растения и животные не реагируют немедленно на резкие искусственные или природные изменения условий освещения, однако существует механизм адаптации и рано или поздно внутренние часы организма приспосабливаются к новому ритму. Примером такого явления является адаптация человека к изменениям времени суток при перелете между часовыми поясами.
Основные три особенности циркадных ритмов:
- Ритм сохраняется при постоянных условиях и имеет период близкий к 24ем часам.
- Ритм может быть синхронизован под действием внешнего освещения.
- Ритм не зависит от температуры, пока она изменяется в диапазоне пригодном для жизнедеятельности.
Самый простой механизм циркадного ритма наблюдается у некоторых цианобактерий: взяв всего лишь три белка KaiA, KaiB, and KaiC, отвечающие за суточный ритм и добавив АТФ (молекулы в виде которых организмы запасают энергию), можно в пробирке (in vitro) наблюдать циркадный ритм, измеряя уровень фосфорилирования белка KaiC 2, 3 (фосфат будет присоединяться и отсоединяться, а концентрация KaiC с присоединенным фосфатом будет колебаться периодически). Этот ритм имеет периодичность порядка 22ух часов и поддерживается в течении нескольких дней. Подробнее работу этого генератора мы опишем ниже.
Циркадный ритм непосредственно связан со сменой дня и ночи. Животные, находящиеся длительное время в полной темноте или в условиях равномерного освещения, начинают жить в своем эндогенном (внутреннем) ритме, который расходиться с суточным ритмом на земле. Это связано с тем, что период эндогенного циркадного ритма, как правило, немного меньше или больше чем 24 часа, в связи, с чем каждый новый “день” для организма помещенного в темноту сдвигается назад или вперед относительно реальной смены времени суток. В норме свет является водителем ритма для суточного цикла организма, перенастраивая внутренние часы организма. Интересно, что некоторые слепые млекопитающие способны поддерживать эндогенные циркадные ритмы в отсутствии важнейшего водителя ритма - света. На сегодняшний день разрабатываются и используются имитаторы смены суток на космических кораблях, благоприятно сказывающиеся на состоянии космонавтов.
На организменном уровне у млекопитающих “водитель циркадного ритма” расположен в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Разрушение супрахиазматического ядра приводит к полному нарушению периодичности сна/бодрствования. Супрахиазматическое ядро получает сигналы об освещенности от клеток сетчатки глаза. В сетчатке глаза человека помимо двух типов клеток рецепторов (палочек и колбочек) фоточувствительной функцией обладают некоторые ганглиозные клетки, содержащие пигмент меланопсин. Сигналы от этих клеток поступают в супрахиазматическое ядро по зрительному нерву. По-видимому, там сигнал обрабатывается и передается дальше к эпифизу - железе внутренней секреции, расположенной на дорсальной (спинной) части промежуточного мозга. Эпифиз секретирует гормон мелатонин, отвечающий за сон и бодрствование. Большие дозы мелатонина значительно удлиняют фазу парадоксального сна - той части сна, во время которой активно двигаются глаза, максимально расслабляется скелетная мускулатура и снятся сны.
Синтез мелатонина связан с освещенностью: чем сильнее освещенность, тем меньше мелатонина образуется. Поэтому пик содержания мелатонина в крови наблюдается ночью, а минимум днем. Длительное чрезмерное освещение приводит к сильно заниженному уровню мелатонина, что неблагоприятно для состояния организма. Помимо гуморальной (эндокринной) функции, мелатонин обладает функцией сильного терминального антиоксиданта, защищающего ДНК от повреждений. Терминальные антиоксиданты - антиоксиданты не способные восстанавливаться обратно из окисленной (активными радикалами кислорода) формы. Интересно, что мелатонин является гормоном всевозможных таксономических групп от водорослей до млекопитающих, то есть является очень древним и важным гормоном.
Циркадные ритмы у животных обнаруживаются не только в супрахиазматическом ядре, но и во всех клетках. Клетки, изолированные от организма подчиняются внутренним свободным эндогенным ритмам с периодичностью близкой к 24ем часам. Интересно отметить, что клетки печени адаптируются в больше степени под воздействие пищи, как экзогенного фактора, чем под воздействием освещенности. Кроме того, циркадные ритмы сохраняются даже в “бессмертных” клеточных культурах, используемых в лабораториях. Выяснилось, что в них сохраняется способность синхронизовать свои циркадный ритм под действием света, в соответствии с изменением освещения в окружающей среде.
Нарушение циркадных ритмов в коротких временных масштабах приводит к сбою суточной активности, усталости, бессоннице и дезориентации. Такие заболевания как маниакально-депрессивный психоз, а так же многие нарушения сна ассоциированы с патологическими дисфункциями циркадных ритмов. Длительные нарушения циркадных ритмов могут приводить к ухудшению состояния внутренних тканей и органов, например, сердечно-сосудистым заболеваниям.
Наконец стоит отметить, что молекулярная регуляция циркадных ритмов отличается в различных таксономических группах. Возможно, механизм фоточувствительной адаптации и механизм поддержания эндогенного циркадного ритма эволюционировали в различных группах организмов независимо. Объединяет все известные циркадные ритмы наличие в них трех компонент: самих часов, обеспечивающих циркадную осцилляцию (колебания), белков “входа”, предназначенных для осуществления адаптации внутренних часов под суточные изменения освещенности, и белки “выхода”, регулирующие те или иные процессы, происходящие в клетке, которые подстраиваются в соответствии с эндогенным циркадным ритмом.
Циркадные ритмы цианобактерий.
Самые простые циркадные ритмы обнаржены у цианобактерий. Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) - монофилитическая группа (имеют одного общего предка) фотоавтотрофных (питаются за счет фотосинтеза, энергии солнца) бактерий. Это одна из древнейших и наиболее разнообразных групп в мире прокариот. Различные представители группы сильно отличаются друг от друга как морфологически, так и генетически, их можно обнаружить почти в любой, доступной для света, среде обитания. Жизненные циклы так же имеют различную продолжительность у различных представителей: от нескольких часов до нескольких тысяч лет между делениями (у некоторых видов проживающих на олиготрофной, бедной среде).
Впервые наличие циркадные ритмов у цианобактерий было продемонстрировано при изучении процессов кислородо-чувствительной фиксации азота и фотосинтеза с выделением кислорода. В этих процессах была показана суточная ритмичность. Об этом в частности свидетельствовали данные электронной микроскопии, с помощью которой изучали количество и размер тех или иных запасающих гранул в клетках. Позднее было обнаружено, что и другие процессы в клетках (например, поглощение аминокислот) происходят в рамках циркадного ритма, удовлетворяя трем основным положениям циркадных ритмов, описанных выше .
Кроме того, оказалось, что ритмически изменяется вся экспрессия генов в клетках цианобактерий. Были проведены опыты, в которых гены биолюминесцентных (светящихся) белков встраивались в геном цианобактерий под случайные бактериальные промоторы. У всех полученных штаммов наблюдалась сходная картина циркадных изменений интенсивности люминесценции (Рис. 1 вверху) .
Рис.1 Циркадные ритмы цианобактерий.
Важность синхронизации внутреннего ритма с экзогенным фактором освещенности для цианобактерий была показана в ряде опытов. Например, было показано, что бактерии с нарушенной синхронизацией циркадных ритмов медленней растут в условиях смены дня и ночи, тем самым, проигрывая бактериям с хорошо отлаженными и настраиваемыми внутренними часами. Кроме того, как уже говорилось, цианобактерии размножаются только в “ночной” период, определяемый их внутренними часами, что в частности защищает реплицирующуюся ДНК от повреждений кислородными радикалами, образующимися под действием ультрафиолетовых лучей солнца.
Мутагенетический скрининг фотосинтезирующей бактерии Synechococcus elongatus привел к обнаружению более 100 мутантов с нарушенным ритмом. Например, у некоторых из них эндогенный период внутренних часов (в отсутствии внешнего стимула- света) был 44 часа, вместо 25и, как у диких бактерий. Многие из мутантов восстанавливали функции циркадных часов после введения в них ДНК из локуса kai. Оказалось, что этот локус кодирует 3 гена: kaiA, kaiB, kaiC, причем kaiA имеет свой промотор, в то время как kaiB и kaiC имеют общий промотор, образуя дицистронную РНК. Филогенетически kaiC считается самым древним геном циркадных ритмов цианобактерий. Каждый из этих трех генов был необходим для правильной работы циркадных ритмов цианобактерий. Различные мутантные аллели kaiC приводят к сокращению или удлинению периода эндогенного ритма либо к полному нарушению ритма у части мутантов, в то время как мутации, приводящие к нарушению работы генов kaiA и kaiB, полностью подавляют фенотипическое проявление циркадных ритмов.
Ни у одного из белков, кодируемых тремя упомянутыми генами циркадных ритмов, не обнаружено сайтов связывания ДНК, что свидетельствует о том, что они не являются транскрипционными факторами и, тем самым, не влияют на транскрипцию прямо. У этих белков не существует известных гомологов среди белков изученных эукариот. Уровень транскрипции всех трех генов ритмичен и содержание мРНК каждого из них достигает максимума к концу дня. Интересно, что гиперэкспрессия kaiC приводит к снижению экспрессии с промотора kaiBC, то есть существует отрицательная обратная связь между продуктом гена и экспрессией его мРНК. Гиперэкспрессия kaiA приводит к увеличению экспрессии kaiBC, а при отсутствии kaiA, экспрессия kaiBC заметно снижается. Таким образом, в отличие от kaiC, kaiA является положительным элементом этого авторегулируемого процесса. Ранним вечером содержание белков kaiB и kaiC достигает максимума, в то время как содержание белка kaiA не имеет осцилляции циркадного ритма.
Исходно предполагалось, что все циркадные ритмы связаны с транскрипционно-трансляционной осцилляторной (ТТО) активностью клетки. Существуют данные в пользу того, что так работают внутренние часы всех животных, хотя строго это не доказано. В случае же цианобактерий недавно было показано обратное. Белок kaiC обладает как автофосфорилируюшей, так и автодефосфорилирующей функциями. Белок kaiA способствует автофосфорилированию kaiC, в то время как kaiB влияет на эффект, производимый kaiA. Таким образом, фосфорилирование и дефософрилирование kaiC не требует дополнительных киназ или фосфатаз. Были проведены эксперименты, в ходе которых белки циркадного ритма брались в биологических пропорциях 1:1:4 (kaiA, kaiB, kaiC соответственно) в присутствии 1mM АТФ. Оказалось, что в таких условиях процент дефосфорилированного/фосфорилированного kaiC меняется с периодом близким к 24ем часам на протяжении, по крайней мере, трех циклов. Содержание фосфорилированного kaiC менялось в пределах от 0.25 до 0.65 от общего kaiC. Кроме того, суммарная концентрация kaiC оставалась постоянной, что указывает на отсутствие процессов деградации обоих модификации kaiC. Таким образом, осцилляция фосфорилирования kaiC может обеспечиваться исключительно деятельностью трех упомянутых циркадных белков , .
Данная система трех белков удовлетворяет и второму критерию, которым обладают системы циркадных ритмов. При увеличении температуры от 25 градусов Цельсия до 30 и 35, период фосфорилирования изменятся от 22ух до 21 и 20 часов соответственно. Коэффициент термальной зависимости (Q10) равен 1.1, что близко к наблюдаемому в живой системе.
Организмы с некоторыми формами мутантного kaiC имели измененные периоды внутренних часов, например, были мутанты с периодами циркадного ритма 17, 21 и 28 часов. Оказалось, что такие же периоды сохраняются в системах in vitro с использованием мутантного kaiC вместо обычного дикого kaiC. Таким образом, показано, что три ключевых белка циркадных ритмов цианобактерий являются kaiA, kaiB, kaiC. Несмотря на большое количество работ посвященных циркадным ритмам цианобактерий, механизм синхронизации переменной освещенностью и механизм регуляции транскрипции до конца не ясны. Важен принципиальный момент: внутренние часы цианобактерий способны работать без ТТО (как показано in vitro). В чем-то эти часы являются биологическим аналогом знаменитой химической циклической реакции Белоусово-Жаботинского, только протекающей очень медленно.
А что интересного у животных?
Большинство людей циркулируют между состоянием сна и бодрости с определенной периодичностью. У большинства взрослых людей в возрасте от 20 до 50 лет сон наступает через 4-5 часов после заката, а самостоятельное пробуждение происходит через 1-2 часа после восхода. Для взятого индивидуума при постоянных условиях, можно с точностью до минут предсказывать время пробуждения на протяжении многочисленных циклов. Однако существуют исключения в ритме сна/бодрствования у некоторых людей и что самое интересное, эти особенности могут наследоваться и передаваться потомкам. Например, в некоторых семьях наблюдается так называемый синдром преждевременного семейного сна (familial advanced sleep phase syndrome или FASPS). Люди с таким синдромом обычно ложатся спать через час после заката и находятся в состоянии полного пробуждения уже в 4 часа. Оказалось, что данное отклонение вызвано единичной генной мутацией на 2ой хромосоме . Этот ген носит название Period 2 (PER2), а изученная мутация происходит в сайте фосфорилирования казеин-киназы 1ε. При наличии данной мутации фосфорилирование невозможно. Таким образом, было впервые показано, что нарушения сна человека связаны с генетическими изменениями. В дальнейшем было показана роль PER2 в регуляции ритмического поведения человека вообще, а, кроме того, выяснилось, что PER2 гомологичен хорошо-изученным генам животных, отвечающих за циркадные ритмы, механизм работы которых был уже значительно изучен.
У млекопитающих, как и у дрозофилы, были показаны циркадные осцилляции гена clock в нервных клетках. Циркадные ритмы наблюдаются даже у “бессмертных” клеточных линий фибробластов, причем, похоже, что адаптация к свету в них осуществляется по таким же механизмам как в аналогичных клетках, внутри живого организма. Эти внутренние ритмы клеток фактически независимы от деятельности мозга (супрахиазматического ядра). В действительности, известно, что фаза циркадных ритмов клеток печени (гепатоцитов), как правила сдвинута по сравнению с фазой циркадных ритмов клеток супрахиазматического ядра. При попадании света на ганглиозные клетки сетчатки происходит адаптация клеток супрахиазматического ядра и этот сигнал каким-то образом передается и в другие клетки, однако на циркадные ритмы гепатоцитов намного сильнее влияют сигналы, связанные c потреблением пищи. Циркадной осцилляции в клетках печени подвержено более 50и факторов, среди которых большинство - факторы, отвечающие за разложение и детоксификацию различных веществ.
Несмотря на то, что регуляцию циркадных ритмов в клетках печени, легких, мышц, почек и некоторых других клетках млекопитающих нельзя напрямую связать с их собственной фоторецепцией (ритмичность видимо регулируется глазной фоторецепцией), у некоторых прозрачных рыбок клетки почки и сердца могут прямо реагировать на изменение освещенности.
В основе работы циркадных ритмов растений, грибов, насекомых и позвоночных животных лежит, уже упомянутая, Транскрипционно-трансляционная осцилляторная модель (ТТО) . Поскольку эта модель очень сложна, для научно-популярного блога, я сформулирую лишь принципиальные отличия между ТТО и циркадными ритмами цианобактерий, несмотря на то, что у меня уже написан весь текст про ТТО представителей всех царств эукариот. Итак основные отличия:
- В ТТО ритмически меняется эксперссия генов.
- В ТТО циркадные ритмы регулируются факторами транскрипции - белками, меняющими экспрессию генов.
- В ТТО участвует множество генов.
- Для работы ТТО необходимы гены, в то время как белки циркадных ритмов цианобактерий работают in vitro без ДНК.
Рис. 2 Схема ТТО млекопитающих.
- Tan, Y., Merrow, M. & Roenneberg, T. Photoperiodism in Neurospora crassa. J Biol Rhythms 19, 135-43 (2004).
- Williams, S. B. A circadian timing mechanism in the cyanobacteria. Adv Microb Physiol 52, 229-96 (2007).
- Rachelle M. Smith and Stanly B. Williams Circadian rhythms in gene transcription imparted by chromosome compaction in the cyanobacterium Synechococcus elongatus. PNAS 103, 8564-8568 (2006).
- Nakajima, M. et al. Reconstitution of circadian oscillation of cyanobacterial KaiC phosphorylation in vitro. Science 308, 414-5 (2005).
- Young, M. W. & Kay, S. A. Time zones: a comparative genetics of circadian clocks. Nat Rev Genet 2, 702-15 (2001).
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2017 года: молекулярный механизм биологических часов
- Научно-популярное ,
- Биотехнологии ,
- Здоровье гика
2 октября 2017 года Нобелевский комитет огласил имена лауреатов Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине. 9 млн шведских крон разделят поровну американские биологи Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall), Майкл Розбаш (Michael Rosbash) и Майкл Янг (Michael W. Young) за своё открытие молекулярного механизма работы биологических часов, то есть бесконечно зацикленного циркадного ритма жизнедеятельности организмов, в том числе человека.
За миллионы лет жизнь адаптировалась к вращению планеты. Давным-давно известно, что у нас есть внутренние биологические часы, которые предвосхищают и адаптируются ко времени суток. Вечером хочется заснуть, а утром - проснуться. Гормоны выбрасываются в кровь строго по расписанию, а способности/поведение человека - координация, скорость реакции - тоже зависят от времени дня. Но как работают эти внутренние часы?
Открытие биологических часов приписывают французскому астроному Жан-Жаку де Мерану, который в 18 веке обратил внимание, что листья мимозы раскрываются к Солнцу днём и закрываются ночью. Он задался вопросом, как будет вести себя растение, если поместить его в кромешную темноту. Оказалось, что даже в темноте мимоза следовала плану - у неё как будто были внутренние часы.
Позже такие биоритмы нашли у других растений, животных и человека. Практически все живые организмы на планете реагируют на Солнце: циркадный ритм намертво встроен в земную жизнь, в метаболизм всего живого на планете. Но каким образом работает данный механизм - оставалось загадкой.
Нобелевские лауреаты изолировали ген, который контролирует дневной биологический ритм, у мух-дрозофил (у человека и мухи немало общих генов в силу наличия общих предков). Своё первое открытие они сделали 1984 году. Открытый ген назвали period .
Ген period кодирует протеин PER, который накапливается в клетках ночью и разрушается в течение дня. Концентрация белка PER изменяется по 24-часовому графику в соответствии с циркадным ритмом.
Затем они идентифицировали дополнительные компоненты белка и полностью раскрыли самодостаточный внутриклеточный механизм циркадного ритма - в этой уникальной реакции белок PER блокирует активность гена period , то есть PER блокирует синтез самого себя, но постепенно разрушается в течение дня (см. схему вверху). Это самодостаточный бесконечно зацикленный механизм. Он работает по такому же принципу в других многоклеточных организмах.
После открытия гена, соответствующего протеина и общего механизма работы внутренних часов не хватало ещё нескольких кусочков головоломки. Учёные знали, что белок PER ночью накапливается в ядре клетки. Они знали также, что соответствующая mRNA производится в цитоплазме. Непонятно было, как белок попадает из цитоплазмы в ядро клетки. В 1994 году Майкл Янг открыл ещё один ген timeless , который кодирует белок TIM, тоже необходимый для нормальной работы внутренних часов. Он доказал, что если TIM присоединяется к PER, то пара протеинов способна внедриться в ядро клетки, где они и блокируют активность гена period , таким образом замыкая бесконечный цикл производства белка PER.
Выяснилось, что этот механизм с изысканной точностью адаптирует наши внутренние часы ко времени суток. Он регулирует разные критические функции организма, в том числе поведение человека, уровни гормонов, сон, температуру тела и метаболизм. Человек плохо себя чувствует, если наблюдается временное несоответствие между внешними условиями и его внутренними биологическими часами, например, при путешествии на большие расстояния в разные часовые пояса. Есть также доказательства, что хроническое несоответствие образа жизни и внутренних часов связано с повышенным риском возникновения различных заболеваний, в том числе диабета, ожирения, рака и сердечно-сосудистых заболеваний.
Позже Майкл Янг идентифицировал ещё один ген doubletime , кодирующий белок DBT, который замедляет накопление белка PER в клетке и позволяет организму более точно подстраиваться под 24-часовые сутки.
В последующие годы нынешние нобелевские лауреаты более подробно осветили участие в циркадном ритме других молекулярных компонентов, они нашли дополнительные протеины, которые участвуют в активации гена period , а также выяснили механизмы, как свет помогает синхронизировать биологические часы с внешними условиями среды.
Слева направо: Майкл Розбаш, Майкл Янг, Джеффри Холл
Исследование механизма внутренних часов ещё далеко не закончено. Мы знаем только основные части механизма. Циркадная биология - изучение внутренних часов и циркадного ритма - выделилась в отдельное бурно развивающееся направление исследований. И всё это произошло благодаря трём нынешним лауреатам Нобелевской премии.
Специалисты уже несколько лет обсуждали, что за молекулярный механизм циркадных ритмов дадут Нобелевскую премию - и вот это событие наконец произошло.