Așadar, pentru acei oameni care fac știință sau vorbesc și scriu despre asta, a sosit cea mai importantă săptămână a anului. În mod tradițional, în prima săptămână a lunii octombrie, Comitetul Nobel anunță laureații Premiului Nobel. Și în mod tradițional, suntem primii care recunoaște laureații premiului în fiziologie sau medicină (da, din anumite motive în rusă, această uniune s-a transformat în „și”, dar corect - fie unul, fie altul).
În 2017, Institutul Karolinska, care acordă aceste premii, a surprins pe toată lumea. Nu este un secret pentru nimeni că mulți experți și agenții fac profeții și predicții despre laureații. Anul acesta, pentru prima dată, agenția Clarivate Analytics, care s-a separat de agenția Thomson Reyters, a făcut previziuni. În domeniul medicinei, ei au prezis victoria pentru Lewis Cantlie pentru descoperirea unei proteine care este responsabilă de dezvoltarea cancerului și diabetului, Karl Friston pentru tehnicile de neuroimagistică și soții Yuan Chan și Patrick Moore pentru descoperirea virusului herpes. care provoacă sarcomul lui Kaposi.
Cu toate acestea, în mod neașteptat pentru toată lumea, trei americani au primit premiul (care nu a fost deloc neașteptat) pentru descoperirea mecanismelor moleculare ale ritmurilor circadiene - ceasurile moleculare interne ale oamenilor, animalelor și plantelor. Da, aproape toate ființele vii. Același lucru care se numește bioritmuri.
Ce au descoperit Michael Young de la Universitatea Rockefeller din New York, Michael Rosbash de la Universitatea Brandeis și Jeffrey Hall de la Universitatea din Maine?
Pentru început, să spunem că NU au descoperit ritmuri circadiene (din latinescul circa - around și diem - day). Primele indicii în acest sens au apărut în vremuri străvechi (și nu este surprinzător, suntem cu toții treji ziua și adormiți noaptea). Nici gena responsabilă pentru funcționarea ceasului intern nu a fost descoperită de eroii noștri. Această serie de experimente a fost efectuată pe muștele fructelor de către Seymour Benzer și Ronald Konopka. Ei au reușit să găsească muște mutante în care durata ritmurilor circadiene nu a fost de 24 de ore, ca cei care trăiesc în natură (sau ca oamenii), ci de 19 sau 29 de ore, sau nu au fost observate ritmuri circadiene deloc. Ei au fost cei care au descoperit gena perioadei, care „controlează” ritmurile. Dar, vai, Benzer a murit în 2007, Konopka în 2015, fără să-și aștepte premiul Nobel. Acest lucru se întâmplă adesea în știință.
Deci, gena perioadei în sine, sau PER, codifică proteina PER, care conduce orchestra ritmurilor circadiene. Dar cum face el acest lucru și cum se realizează natura ciclică a tuturor proceselor? Hall și Rosbash au propus o ipoteză conform căreia proteina PER intră în nucleul celulei și blochează activitatea propriei sale gene (după cum ne amintim, genele sunt doar instrucțiuni pentru asamblarea proteinelor. O genă - o proteină). Dar cum se întâmplă asta? Jeffrey Hall și Michael Rosbash au arătat că proteina PER se acumulează în nucleul celulei peste noapte și este folosită în timpul zilei, dar nu au înțeles cum a reușit să ajungă acolo. Și apoi al treilea laureat, Michael Young, a venit în ajutor. În 1994, a descoperit o altă genă, atemporală, care codifică și o proteină - TIM. Young a fost cel care a arătat că PER poate intra în nucleul celulei doar prin combinarea cu proteina TIM.
Deci, să rezumăm prima descoperire: când gena perioadei este activă, așa-numitul ARN mesager al proteinei PER este produs în nucleu, care, ca model, va produce proteină în ribozom. Acest ARN mesager iese din nucleu în citoplasmă, devenind șablonul pentru producerea proteinei PER. Apoi bucla se închide: proteina PER se acumulează în nucleul celulei atunci când activitatea genei perioadei este blocată. Young a continuat să descopere o altă genă, doubletime, care codifică proteina DBT, care poate „regla” acumularea proteinei PER, schimbându-l în timp. Datorită acestui fapt, ne putem adapta la schimbările de fus orar și durata zilei și nopții. Dar - dacă ne schimbăm foarte repede ziua cu noaptea, veverița nu poate ține pasul cu jetul și apare jet lag.
Trebuie remarcat faptul că premiul din 2017 este primul premiu din 117 ani care se referă într-un fel la ciclul somn-veghe. Pe lângă descoperirea lui Benzer și Konopka, alți cercetători ai ritmurilor circadiene și a proceselor de somn nu și-au primit premiile, cum ar fi unul dintre fondatorii cronobiologiei Patricia DeCorsi, descoperitorul fazei „rapide” a somnului Eugene Azerinsky, unul dintre parintii somnologiei Nathaniel Kleitman... Deci, cum putem numi actualul Decizia Comitetului Nobel este semnificativa pentru toti cei care lucreaza in acest domeniu.
Laureații Premiului Nobel pentru fiziologie sau medicină din 2017 - americanii Michael Young, Jeffrey Hall și Michael Rosbash - au primit premii de la „pentru descoperirea mecanismelor moleculare care controlează ritmul circadian”.
Împreună cu editorii portalului științific popular „Attic”, ne-am dat seama care sunt aceste mecanisme, cum funcționează și de ce o celulă trebuie să știe cât este ceasul.
Ce este ritmul circadian?
De mai bine de patru miliarde de ani în care Pământul există, condițiile de viață de pe acesta s-au schimbat constant. Dar un lucru a rămas aproape întotdeauna neschimbat - o zi de 24 de ore, schimbarea zilei și a nopții cauzată de rotația planetei în jurul axei sale. În acest timp, viața pământească s-a adaptat la apusuri și răsărituri și și-a dobândit propriul ceas intern. Aceste ritmuri circadiene (din latinescul circa - „în jurul, aproximativ, despre” și moare - „ziua”) ritmurile sunt subordonate fără milă multor procese din organism: pe lângă somn și veghe, acestea sunt, de exemplu, metabolismul, hormonul. niveluri, temperatura corpului și chiar (indirect) comportament.
Multe studii arată cât de important este „ceasul nostru intern” natural pentru noi. De exemplu, extinderea artificială a orelor de lumină poate provoca obezitate și boli asociate (cum ar fi diabetul). În diferite momente ale zilei, organismul este sensibil diferit la infecții: ceasul biologic al animalelor afectează capacitatea virusurilor de a se replica și de a se răspândi. Chiar și percepția culorilor poate fi asociată cu ritmurile circadiene - acest lucru a fost demonstrat de exemplul rochiei care aproape a provocat cearta internetului în 2015.
Pentru ce anume a fost premiul în 2017?
Alexandra Puchkova, cercetător principal la Laboratorul de neurobiologie a somnului și a veghei la Institutul de activitate nervoasă superioară și neurofiziologie al Academiei Ruse de Științe, a declarat că laureații din 2017 au descoperit un „ceas celular” la muștele de fructe. Mai târziu, oamenii de știință au descoperit că acest mecanism de ceas este destul de universal - într-un mod similar, schimbarea zilei și a nopții este fixată la nivel genetic la alte animale și oameni.
Pentru prima dată, o genă care influențează ritmul circadian a fost identificată în anii 70. Atunci oamenii de știință au numit-o perioadă . Doi dintre câștigătorii de astăzi, Geoffrey Hall și Michael Rosbash, au reușit să izoleze această genă în 1984. Ei au arătat apoi că proteina PER care codifică gena se acumulează noaptea și este distrusă în timpul zilei.
„[Laureații] au aflat pe muștele de fructe că există o singură genă. Apoi s-a dovedit că de fapt există multe dintre aceste gene, se reglează reciproc, iar dacă le schimbi, atunci această perioadă poate deveni mai mult sau mai mică de 24. ore, iar dacă îl rupi, atunci [ gena] va dispărea cu totul. Și apoi au aflat că o persoană are un mecanism foarte asemănător... Au arătat cum funcționează toată această mașină”, a explicat Alexandra Puchkova.
Irina Kurbatova, cercetător la laboratorul de genetică de la Institutul de Biologie al Centrului Științific Karelian al Academiei Ruse de Științe, nu este surprinsă că premiul a fost acordat special pentru această lucrare - potrivit ei, acesta este un domeniu extrem de promițător. de cercetare științifică, direct legată atât de medicina fundamentală, cât și de practica medicală.
Ce urmeaza?
Interesant este că „ceasul” găsit de Hall, Rosbash și Young funcționează în toate celulele care au un nucleu. Așa interferează cu toate procesele biologice care prezintă interes pentru noul domeniu al științei, cronobiologia.
Cronobiologii, împreună cu somnologii (specialiști în somn) și alți oameni de știință, încearcă să-și dea seama cum să influențeze reglarea „ceasului intern”, care, de exemplu, are loc atunci când zburați într-un alt fus orar sau lucrați într-o tură de noapte. După cum explică oamenii de știință, „ceasul” chimic din corpul nostru este capabil să perceapă semnale externe - în primul rând lumina. Aceasta înseamnă că terapia cu lumină ar putea fi utilizată pentru a trata depresia sau tulburările afective sezoniere cauzate de orele de lumină nenatural de scurte.
Printre altele, ritmurile circadiene reglează ritmul tensiunii arteriale, iar dacă activitatea lor este perturbată, o persoană are un risc crescut de patologii cardiovasculare.
Așadar, cercetarea laureaților Nobel a oferit o bază teoretică pentru întregul domeniu al medicinei.
Viața pe Pământ se supune unui ritm care stabilește rotația planetei în jurul ei și în jurul Soarelui. Majoritatea organismelor vii au „ceasuri” interne - mecanisme care le permit să trăiască în conformitate cu acest ritm. Hall, Rosbash și Young s-au uitat în cușcă și au văzut cum funcționa ceasul biologic.
Muștele Drosophila le-au servit drept organisme model. Geneticienii au reușit să identifice o genă care controlează ritmul de viață al insectelor. S-a dovedit că codifică o proteină care se acumulează în celule noaptea și este utilizată încet în timpul zilei. Ulterior, au fost descoperite mai multe proteine care sunt implicate în reglarea ritmurilor circadiene. Acum este clar pentru biologi că mecanismul care reglează rutina zilnică este același în toate organismele vii, de la plante la oameni. Acest mecanism controlează activitatea, nivelul hormonilor, temperatura corpului și metabolismul, care variază în funcție de momentul zilei. De la descoperirile lui Hall, Rosbash și Young, au apărut multe date despre modul în care abaterile bruște sau constante ale stilului de viață de la cele stabilite de „ceasul biologic” pot fi periculoase pentru sănătate.
Prima dovadă că ființele vii au „simțul timpului” au apărut în secolul al XVIII-lea: atunci naturalistul francez Jean Jacques d'Hortu de Mairan a arătat că mimoza continuă să-și deschidă florile dimineața și să se închidă seara, chiar fiind în Întuneric non-stop Cercetările ulterioare au arătat că nu numai plantele, ci și animalele, inclusiv oamenii, simt timpul din zi. circa- cerc și moare- zi.
În anii 70 ai secolului trecut, Seymour Benzer și studentul său Ronald Konopka au găsit o genă care controlează ritmurile circadiene la Drosophila și i-au definit perioada. În 1984, Jeffrey Hall și Michael Rosbash, care lucrează la Universitatea Brandelis din Boston, și Michael Young la Universitatea Rockefeller din New York, au izolat gena perioadă, iar apoi Hall și Rosbash și-au dat seama ce face proteina codificată în ea, PER - și se acumulează în celulă noaptea și este petrecută toată ziua, astfel încât să puteți judeca ora din zi după concentrația sa.
Acest sistem, așa cum sugerează Hall și Rosbash, se reglează singur: proteina PER blochează activitatea genei menstruale, astfel încât sinteza proteinelor se oprește de îndată ce există prea mult și se reia pe măsură ce proteina este consumată. Tot ce a rămas a fost să răspundă la întrebarea cum intră proteina în nucleul celulei - la urma urmei, doar acolo poate influența activitatea genei.
În 1994, Young a descoperit o a doua genă importantă pentru ritmurile circadiene, atemporală, care codifică proteina TIM, care ajută proteina PER să traverseze membrana nucleară și să blocheze gena perioadei. O altă genă timp dublu, s-a dovedit a fi responsabil pentru proteina DBT, care încetinește acumularea proteinei PER - astfel încât ciclul de sinteză și pauzele dintre ele să dureze 24 de ore. În anii următori, s-au descoperit multe alte gene și proteine - părți ale mecanismului subtil al „ceasului biologic”, inclusiv cele care vă permit să „strângeți mâinile” - proteine a căror activitate depinde de iluminare.
Ritmurile circadiene reglează diverse aspecte ale vieții corpului nostru, inclusiv la nivel genetic: unele gene sunt mai active noaptea, altele în timpul zilei. Datorită descoperirilor laureaților din 2017, biologia ritmurilor circadiene a devenit o disciplină științifică largă; În fiecare an, sunt scrise zeci de lucrări științifice despre cum funcționează „ceasul biologic” la diferite specii, inclusiv la oameni.
Ritmul circadian (lat. circa + lat. ziua moare) este numele dat ciclului de 24 de ore al proceselor biologice din organismele vii, reglementate de un „ceas intern”. Ritmurile circadiene sunt importante pentru reglarea somnului, comportamentului, activității și alimentației la toate animalele, inclusiv la oameni. Se știe că activitatea de formare reticulară a creierului, modificările nivelului activității creierului în ansamblu, producția de hormoni, regenerarea celulară și alte procese biologice sunt legate de acest ciclu. Ritmurile circadiene se găsesc nu numai la animale (vertebrate și nevertebrate), ci și la ciuperci, plante, protozoare și chiar bacterii.
Existența unui astfel de „ceas intern” a fost presupusă chiar înainte de cercetarea moleculară în acest domeniu. Schimbările ritmice, cu o perioadă apropiată de cea zilnică, se păstrează în organismele complet izolate de sursele exterioare de lumină care indică ora din zi. De exemplu, rotația zilnică a frunzelor este observată la plantele plasate în întuneric complet. Se știe că plantele și animalele nu răspund imediat la schimbările bruște artificiale sau naturale ale condițiilor de iluminare, cu toate acestea, există un mecanism de adaptare și, mai devreme sau mai târziu, ceasul intern al corpului se adaptează la noul ritm. Un exemplu de astfel de fenomen este adaptarea umană la schimbările orei din zi atunci când zboară între fusurile orare.
Principalele trei caracteristici ale ritmurilor circadiene sunt:
- Ritmul se menține în condiții constante și are o perioadă apropiată de 24 de ore.
- Ritmul poate fi sincronizat sub influența luminii externe.
- Ritmul nu depinde de temperatură atâta timp cât variază într-un interval potrivit pentru viață.
Cel mai simplu mecanism al ritmului circadian este observat la unele cianobacterii: luând doar trei proteine KaiA, KaiB și KaiC, care sunt responsabile pentru ritmul circadian, și adăugând ATP (molecule sub forma cărora organismele stochează energie), se poate observați un ritm circadian într-o eprubetă (in vitro prin măsurarea nivelului de fosforilare al proteinei KaiC 2, 3 (fosfatul se va atașa și se va detașa, iar concentrația de KaiC cu fosfatul atașat va fluctua periodic). Acest ritm are o periodicitate de aproximativ 22 de ore si se mentine cateva zile. Vom descrie mai detaliat funcționarea acestui generator mai jos.
Ritmul circadian este direct legat de ciclul zilei și al nopții. Animalele care sunt ținute mult timp în întuneric complet sau în condiții de iluminare uniformă încep să trăiască în ritmul lor endogen (intern), care se abate de la ritmul cotidian de pe pământ. Acest lucru se datorează faptului că perioada ritmului circadian endogen, de regulă, este puțin mai mică sau mai mare de 24 de ore, din cauza căreia fiecare nouă „zi” pentru un organism plasat în întuneric se deplasează înapoi sau înainte în raport cu actuala. schimbarea orei zilei. În mod normal, lumina este stimulatorul cardiac pentru ciclul circadian al corpului, resetând ceasul intern al corpului. Interesant este că unele mamifere oarbe sunt capabile să mențină ritmurile circadiene endogene în absența celui mai important stimulator cardiac - lumina. Astăzi, simulatoare de schimbare a zilei sunt dezvoltate și utilizate pe nave spațiale, care au un efect benefic asupra stării astronauților.
La nivel de organism la mamifere, „conductorul de ritm circadian” este situat în nucleul suprachiasmatic al hipotalamusului. Distrugerea nucleului suprachiasmatic duce la o întrerupere completă a periodicității somn/veghe. Nucleul suprachiasmatic primește semnale luminoase de la celulele din retină. În retina umană, pe lângă două tipuri de celule receptore (tije și conuri), unele celule ganglionare care conțin pigmentul melanopsin au o funcție fotosensibilă. Semnalele de la aceste celule intră în nucleul suprachiasmatic de-a lungul nervului optic. Aparent, acolo semnalul este procesat și transmis mai departe către glanda pineală - o glandă endocrină situată pe partea dorsală (dorsală) a diencefalului. Glanda pineală secretă hormonul melatonină, care este responsabil pentru somn și veghe. Dozele mari de melatonină prelungesc semnificativ faza somnului paradoxal - acea parte a somnului în care ochii se mișcă activ, mușchii scheletici se relaxează cât mai mult posibil și apar vise.
Sinteza melatoninei este legată de iluminare: cu cât iluminarea este mai puternică, cu atât se formează mai puțină melatonină. Prin urmare, nivelul maxim al melatoninei din sânge este observat noaptea, iar cel minim în timpul zilei. Iluminarea excesivă prelungită duce la un nivel foarte redus de melatonină, care este nefavorabil pentru organism. Pe lângă funcția sa umorală (endocrină), melatonina are funcția de antioxidant terminal puternic care protejează ADN-ul de deteriorare. Antioxidanții terminali sunt antioxidanți care nu sunt capabili să fie restabiliți din forma lor oxidată (prin radicalii reactivi de oxigen). Interesant este că melatonina este un hormon din diferite grupe taxonomice, de la alge la mamifere, adică este un hormon foarte vechi și important.
Ritmurile circadiene la animale se găsesc nu numai în nucleul suprachiasmatic, ci în toate celulele. Celulele izolate din organism se supun ritmurilor interne libere endogene cu o periodicitate apropiată de 24 de ore. Este interesant de observat că celulele hepatice se adaptează într-o măsură mai mare sub influența alimentelor, ca factor exogen, decât sub influența luminii. În plus, ritmurile circadiene sunt păstrate chiar și în culturile de celule „nemuritoare” folosite în laboratoare. S-a dovedit că își păstrează capacitatea de a-și sincroniza ritmul circadian sub influența luminii, în conformitate cu schimbările de iluminare din mediu.
Perturbarea ritmurilor circadiene la scară scurtă de timp duce la întreruperea activității zilnice, oboseală, insomnie și dezorientare. Boli precum psihoza maniaco-depresivă, precum și multe tulburări de somn, sunt asociate cu disfuncții patologice ale ritmurilor circadiene. Tulburările pe termen lung ale ritmurilor circadiene pot duce la deteriorarea stării țesuturilor și organelor interne, de exemplu, boli cardiovasculare.
În cele din urmă, este de remarcat faptul că reglarea moleculară a ritmurilor circadiene diferă între diferitele grupuri taxonomice. Este posibil ca mecanismul de adaptare fotosensibilă și mecanismul de menținere a ritmului circadian endogen să fi evoluat independent în diferite grupuri de organisme. Toate ritmurile circadiene cunoscute sunt unite de prezența a trei componente: ceasul însuși, care asigură oscilația circadiană (fluctuații), proteinele „de intrare”, concepute pentru a adapta ceasul intern la schimbările zilnice ale iluminării și proteinele „de ieșire”, care reglează anumite procese care au loc în celulă, care se ajustează în conformitate cu ritmul circadian endogen.
Ritmurile circadiene ale cianobacteriilor.
Cele mai simple ritmuri circadiene se găsesc în cianobacterii. Cianobacteriile (alge albastre-verzi) sunt un grup monofiletic (au un strămoș comun) de bacterii fotoautotrofe (se hrănesc cu fotosinteză, energie solară). Sunt unul dintre cele mai vechi și mai diverse grupuri de procariote din lume. Diferiții membri ai grupului sunt foarte diferiți unul de celălalt, atât din punct de vedere morfologic, cât și genetic și pot fi întâlniți în aproape orice habitat accesibil luminii. Ciclurile de viață au, de asemenea, durate diferite pentru diferiți reprezentanți: de la câteva ore la câteva mii de ani între diviziuni (la unele specii care trăiesc într-un mediu oligotrofic, sărac).
Prezența ritmurilor circadiene în cianobacterii a fost demonstrată pentru prima dată când s-au studiat procesele de fixare a azotului sensibil la oxigen și fotosinteză cu eliberarea de oxigen. O ritmicitate zilnică a fost demonstrată în aceste procese. Acest lucru a fost evidențiat în special de datele microscopiei electronice, care au fost folosite pentru a studia numărul și dimensiunea anumitor granule de stocare în celule. S-a descoperit ulterior că alte procese celulare (de exemplu, absorbția aminoacizilor) au loc în cadrul ritmului circadian, satisfăcând cele trei prevederi principale ale ritmurilor circadiene descrise mai sus.
În plus, s-a dovedit că toată expresia genelor în celulele cianobacteriene se schimbă ritmic. Au fost efectuate experimente în care gene pentru proteine bioluminiscente (luminoase) au fost introduse în genomul cianobacteriilor sub promotori bacterieni aleatori. Toate tulpinile obținute au prezentat un model similar de modificări circadiene în intensitatea luminiscenței (Fig. 1, sus).
Fig. 1 Ritmuri circadiene ale cianobacteriilor.
Importanța sincronizării ritmului intern cu factorul de lumină exogen pentru cianobacterii a fost demonstrată într-o serie de experimente. De exemplu, s-a demonstrat că bacteriile cu sincronizarea întreruptă a ritmurilor circadiene cresc mai lent în condiții de zi și noapte, pierzând astfel în fața bacteriilor cu ceasuri interne bine funcționate și reglate. În plus, după cum sa menționat deja, cianobacteriile se reproduc numai în perioada „nopții”, determinată de ceasul lor intern, care protejează în special replicarea ADN-ului de deteriorarea radicalilor de oxigen formați sub influența razelor ultraviolete ale soarelui.
Screeningul mutagenetic al bacteriei fotosintetice Synechococcus elongatus a condus la descoperirea a peste 100 de mutanți cu tulburări de ritm. De exemplu, la unele dintre ele perioada endogenă a ceasului intern (în absența unui stimul extern - lumină) a fost de 44 de ore, în loc de 25, ca la bacteriile sălbatice. Mulți dintre mutanți au restabilit funcțiile ceasului circadian după ce au introdus ADN din locusul kai în ei. S-a dovedit că acest locus codifică 3 gene: kaiA, kaiB, kaiC și kaiA are propriul promotor, în timp ce kaiB și kaiC au un promotor comun, formând un ARN dicistronic. Filogenetic, kaiC este considerată cea mai veche genă a ritmului circadian cianobacterian. Fiecare dintre aceste trei gene a fost necesară pentru buna funcționare a ritmurilor circadiene cianobacteriene. Diverse alele mutante ale kaiC duc la o scurtare sau prelungire a perioadei ritmului endogen sau la o întrerupere completă a ritmului la unii mutanți, în timp ce mutațiile care conduc la perturbarea genelor kaiA și kaiB suprimă complet manifestarea fenotipică a ritmurilor circadiene.
Niciuna dintre proteinele codificate de cele trei gene ale ritmului circadian menționate nu are situsuri de legare la ADN, ceea ce indică faptul că nu sunt factori de transcripție și, prin urmare, nu influențează direct transcripția. Aceste proteine nu au omologi cunoscuți printre proteinele eucariotelor studiate. Nivelul de transcripție al tuturor celor trei gene este ritmic și conținutul de ARNm al fiecăreia dintre ele atinge un maxim spre sfârșitul zilei. În mod interesant, supraexprimarea kaiC duce la scăderea expresiei de la promotorul kaiBC, adică există o relație de feedback negativ între produsul genic și expresia sa ARNm. Supraexprimarea kaiA are ca rezultat creșterea expresiei kaiBC, iar în absența kaiA, expresia kaiBC este redusă semnificativ. Astfel, spre deosebire de kaiC, kaiA este un element pozitiv al acestui proces autoreglat. La începutul serii, conținutul de proteine kaiB și kaiC atinge un maxim, în timp ce conținutul de proteină kaiA nu oscilează în ritmul circadian.
S-a presupus inițial că toate ritmurile circadiene sunt asociate cu activitatea oscilatoare transcripțională-translațională (TTO) a celulei. Există dovezi că așa funcționează ceasurile interne ale tuturor animalelor, deși acest lucru nu a fost strict dovedit. În cazul cianobacteriilor, recent s-a demonstrat contrariul. Proteina kaiC are atât funcții de autofosforilare, cât și de autodefosforilare. Proteina kaiA promovează autofosforilarea kaiC, în timp ce kaiB influențează efectul produs de kaiA. Astfel, fosforilarea și defosofrilarea kaiC nu necesită kinaze sau fosfataze suplimentare. Au fost efectuate experimente în care proteinele de ritm circadian au fost luate în proporții biologice de 1:1:4 (kaiA, kaiB, kaiC, respectiv) în prezența a 1 mM ATP. S-a dovedit că în astfel de condiții procentul de kaiC defosforilat/fosforilat se modifică cu o perioadă apropiată de 24 de ore pe cel puțin trei cicluri. Conținutul de kaiC fosforilat a variat de la 0,25 la 0,65 din kaiC total. În plus, concentrația totală de kaiC a rămas constantă, indicând absența proceselor de degradare a ambelor modificări kaiC. Astfel, oscilația fosforilării kaiC poate fi realizată numai prin activitatea celor trei proteine circadiene menționate.
Acest sistem de trei proteine satisface și al doilea criteriu pe care îl au sistemele de ritm circadian. Când temperatura crește de la 25 de grade Celsius la 30 și 35, perioada de fosforilare se va schimba de la 22 la 21 și, respectiv, 20 de ore. Coeficientul de dependență termică (Q10) este 1,1, care este apropiat de cel observat într-un sistem viu.
Organismele cu unele forme de kaiC mutant au avut perioade de ceas interne modificate, de exemplu au existat mutanți cu perioade de ritm circadian de 17, 21 și 28 de ore. S-a constatat că aceleași perioade sunt menținute în sistemele in vitro folosind kaiC mutant în loc de kaiC sălbatic normal. Astfel, s-a demonstrat că cele trei proteine cheie ale ritmurilor circadiene cianobacteriene sunt kaiA, kaiB, kaiC. În ciuda numărului mare de lucrări dedicate ritmurilor circadiene ale cianobacteriilor, mecanismul de sincronizare prin iluminare variabilă și mecanismul de reglare a transcripției nu sunt complet clare. Un punct important este că ceasul intern al cianobacteriilor este capabil să funcționeze fără TTO (după cum se arată in vitro). În anumite privințe, acest ceas este un analog biologic al celebrei reacții chimice ciclice Belousovo-Zhabotinsky, care se desfășoară doar foarte lent.
Ce este interesant la animale?
Majoritatea oamenilor merg între somn și stare de veghe la intervale regulate. Pentru majoritatea adulților cu vârste cuprinse între 20 și 50 de ani, somnul are loc la 4-5 ore după apus, iar trezirea spontană are loc la 1-2 ore după răsărit. Pentru un individ dat, în condiții constante, este posibil să se prezică timpul de trezire la cel mai apropiat minut pe mai multe cicluri. Cu toate acestea, există excepții de la ritmul somn/veghe la unii oameni, iar ceea ce este cel mai interesant este că aceste caracteristici pot fi moștenite și transmise descendenților. De exemplu, unele familii se confruntă cu așa-numitul sindrom familial avansat al fazei de somn (FASPS). Persoanele cu acest sindrom merg de obicei la culcare la o oră după apusul soarelui și sunt complet trezi la ora 4. S-a dovedit că această abatere este cauzată de o singură mutație a genei pe cromozomul 2. Această genă se numește Perioada 2 (PER2), iar mutația studiată are loc în locul de fosforilare al casein kinazei 1ε. În prezența acestei mutații, fosforilarea este imposibilă. Astfel, s-a demonstrat pentru prima dată că tulburările de somn uman sunt asociate cu modificări genetice. Ulterior, a fost demonstrat rolul PER2 în reglarea comportamentului ritmic uman în general și, în plus, s-a dovedit că PER2 este omoloage cu genele animale bine studiate responsabile de ritmurile circadiene, al căror mecanism a fost deja studiat în mod semnificativ. .
La mamifere, ca și la Drosophila, au fost demonstrate oscilații circadiene ale genei ceasului din celulele nervoase. Ritmurile circadiene sunt observate chiar și în liniile de celule fibroblaste „nemuritoare” și se pare că adaptarea la lumină în ele se realizează prin aceleași mecanisme ca și în celulele similare din interiorul unui organism viu. Aceste ritmuri celulare interne sunt de fapt independente de activitatea creierului (nucleul suprahiasmatic). De fapt, se știe că faza ritmurilor circadiene ale celulelor hepatice (hepatocite) este de obicei deplasată în comparație cu faza ritmurilor circadiene a celulelor nucleului suprachiasmatic. Când lumina lovește celulele ganglionare retiniene, celulele nucleului suprachiasmatic se adaptează și acest semnal este transmis cumva altor celule, dar ritmurile circadiene ale hepatocitelor sunt mult mai puternic influențate de semnalele asociate consumului de alimente. Peste 50 de factori sunt supuși oscilațiilor circadiene în celulele hepatice, majoritatea fiind factori responsabili de descompunerea și detoxifierea diferitelor substanțe.
În ciuda faptului că reglarea ritmurilor circadiene în celulele ficatului, plămânilor, mușchilor, rinichilor și a altor celule de mamifere nu poate fi direct legată de propria fotorecepție (ritmul este aparent reglat de fotorecepția oculară), la unii pești transparenți, celulele rinichilor și inimii pot răspunde direct la schimbările de iluminare
Lucrarea ritmurilor circadiene ale plantelor, ciupercilor, insectelor și vertebratelor se bazează pe modelul oscilator de transcripție-traducere (TTO) deja menționat. Deoarece acest model este foarte complex, pentru un blog de știință populară, voi formula doar diferențele fundamentale dintre TTO și ritmurile circadiene ale cianobacteriilor, în ciuda faptului că am scris deja întregul text despre TTO al reprezentanților tuturor regaturilor eucariote. Deci principalele diferențe:
- În TTO, expresia genelor se schimbă ritmic.
- În TTO, ritmurile circadiene sunt reglate de factori de transcripție - proteine care modifică expresia genelor.
- Multe gene sunt implicate în TTO.
- TTO necesită gene pentru a funcționa, în timp ce proteinele cianobacteriene ale ritmului circadian funcționează in vitro fără ADN.
Orez. 2 Schema TTO de mamifere.
- Tan, Y., Merrow, M. & Roenneberg, T. Photoperiodism in Neurospora crassa. J Biol Rhythms 19, 135-43 (2004).
- Williams, S. B. Un mecanism de sincronizare circadiană în cianobacterii. Adv Microb Physiol 52, 229-96 (2007).
- Rachelle M. Smith și Stanly B. Williams Ritmuri circadiene în transcripția genelor transmise prin compactarea cromozomilor în cianobacteria Synechococcus elongatus. PNAS 103, 8564-8568 (2006).
- Nakajima, M. şi colab. Reconstituirea oscilației circadiane a fosforilării KaiC cianobacteriene in vitro. Science 308, 414-5 (2005).
- Young, M. W. & Kay, S. A. Fusuri orare: o genetică comparativă a ceasurilor circadiene. Nat Rev Genet 2, 702-15 (2001).
Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină 2017: Mecanismul molecular al ceasului biologic
- Știința populară,
- biotehnologie,
- Sănătate Geek
Pe 2 octombrie 2017, Comitetul Nobel a anunțat numele laureaților Premiului Nobel pentru fiziologie sau medicină 2017. 9 milioane de coroane suedeze vor fi împărțite în mod egal de biologii americani Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash și Michael W. Young pentru descoperirea mecanismului molecular al ceasului biologic, adică a ritmului circadian al vieții organismelor, în buclă nesfârșită, inclusiv oameni.
De-a lungul a milioane de ani, viața s-a adaptat la rotația planetei. Se știe de mult că avem un ceas biologic intern care anticipează și se adaptează la momentul zilei. Seara vreau să adorm, iar dimineața vreau să mă trezesc. Hormonii sunt eliberați în sânge strict conform unui program, iar abilitățile/comportamentul unei persoane - coordonare, viteza de reacție - depind, de asemenea, de momentul zilei. Dar cum funcționează acest ceas intern?
Descoperirea ceasului biologic este atribuită astronomului francez Jean-Jacques de Meran, care în secolul al XVIII-lea a observat că frunzele de mimoză se deschid spre Soare ziua și se închid noaptea. Se întrebă cum s-ar comporta planta dacă ar fi pusă în întuneric. S-a dovedit că și în întuneric, mimoza a urmat planul - parcă ar avea un ceas intern.
Mai târziu, astfel de bioritmuri au fost găsite la alte plante, animale și oameni. Aproape toate organismele vii de pe planetă reacționează la Soare: ritmul circadian este strâns construit în viața pământească, în metabolismul întregii vieți de pe planetă. Dar cum funcționează acest mecanism a rămas un mister.
Laureații Nobel au izolat o genă care controlează ritmul biologic zilnic la muștele fructelor (oamenii și muștele au multe gene comune datorită prezenței strămoșilor comuni). Ei au făcut prima descoperire în 1984. Gena descoperită a fost numită perioadă.
Gene perioadă codifică proteina PER, care se acumulează în celule noaptea și este distrusă în timpul zilei. Concentrația de proteine PER variază pe un program de 24 de ore, în conformitate cu ritmul circadian.
Apoi au identificat componente suplimentare ale proteinei și au descoperit pe deplin mecanismul intracelular autosuficient al ritmului circadian - în acest răspuns unic, proteina PER blochează activitatea genei. perioadă, adică PER blochează sinteza în sine, dar este distrus treptat pe parcursul zilei (vezi diagrama de mai sus). Acesta este un mecanism auto-suficient cu bucle la nesfârșit. Funcționează pe același principiu și în alte organisme multicelulare.
După descoperirea genei, a proteinei corespunzătoare și a mecanismului general al ceasului intern, mai lipseau câteva piese din puzzle. Oamenii de știință știau că proteina PER se acumulează în nucleul celulei noaptea. Ei știau, de asemenea, că ARNm-ul corespunzător este produs în citoplasmă. Nu era clar cum ajunge proteina din citoplasmă în nucleul celulei. În 1994, Michael Young a descoperit o altă genă atemporal, care codifică proteina TIM, necesară și pentru funcționarea normală a ceasului intern. El a demonstrat că dacă TIM se atașează de PER, atunci o pereche de proteine poate pătrunde în nucleul celulei, unde blochează activitatea genelor. perioadă, închizând astfel ciclul nesfârșit al producției de proteine PER.
Se pare că acest mecanism adaptează ceasul nostru intern la ora din zi cu o precizie deosebită. Reglează diferite funcții critice ale corpului, inclusiv comportamentul uman, nivelurile hormonale, somnul, temperatura corpului și metabolismul. O persoană se simte rău dacă există o discrepanță temporară între condițiile externe și ceasul biologic intern, de exemplu, atunci când călătorește pe distanțe lungi în diferite fusuri orare. Există, de asemenea, dovezi că nepotrivirea cronică între stilul de viață și ceasul corporal este asociată cu un risc crescut de apariție a diferitelor boli, inclusiv diabet, obezitate, cancer și boli cardiovasculare.
Mai târziu, Michael Young a identificat o altă genă timp dublu, care codifică proteina DBT, care încetinește acumularea proteinei PER în celulă și permite corpului să se adapteze mai precis la ziua de 24 de ore.
În anii următori, actualii laureați ai Premiului Nobel au luminat mai în detaliu implicarea altor componente moleculare în ritmul circadian, au găsit proteine suplimentare care sunt implicate în activarea genelor perioadă, și, de asemenea, a descoperit mecanismele prin care lumina ajută la sincronizarea ceasului biologic cu condițiile de mediu externe.
De la stânga la dreapta: Michael Rozbash, Michael Young, Geoffrey Hall
Cercetarea mecanismului intern al ceasului este departe de a fi finalizată. Cunoaștem doar părțile principale ale mecanismului. Biologia circadiană - studiul ceasului intern și al ritmului circadian - a apărut ca un domeniu separat de cercetare în curs de dezvoltare. Și toate acestea s-au întâmplat datorită celor trei actuali laureați ai Premiului Nobel.
Experții discută de câțiva ani că mecanismul molecular al ritmurilor circadiene va primi Premiul Nobel – iar acum acest eveniment s-a întâmplat în sfârșit.