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.
Комментарии (24)
mrobespierre
02.10.2017 22:34ждал в статье указания на идеальный распорядок (как минимум время отхода ко сну) :(
VaalKIA
03.10.2017 06:10Сами по себе циркадные циклы, это просто — циклы, а вот механизм подстройки, это уже интресно, это то из-за чего не могут заснуть или легко проснуться. Например, то, что подстройка происходит во время сна, судя по статье, уже довольно полезно: прилетел в другой часовой пояс, ляг на пару часиков поспи, организм в это время удвоит "скорость сна" что бы подстроиться. По поводу света ничего не могу сказать, не знаю участвуют ли при этом только глаза или как-то через кожу тоже может влиять, как это работает у слепых людей и т.п. Инфы хотелось бы больше.
LazyCrazy
03.10.2017 07:39Порой кажется, что нобелевский комитет выбирает более модные темы. Нет-нет, я ни в коем случае не утверждаю, что работы лауреатов не достойны премии! Но вот сам принцип выбора интересует.
Oll123
03.10.2017 12:56Ну, теперь понятно в конкретике, почему если пересилить себя вечером, когда хочется спать и не заснуть, то потом заснуть гораздо сложнее — протеин в клетках уже свое отработал, а нового не завезли.
На этой базе например, могут сделать быстродействующее безопасное снотворное, которое будет не нервную систему глушить, а просто стимулировать ускоренную дополнительную выработку протеина.
А так же стимулирующие таблетки для военных и прочих, кому надо — удаляющие протеин из клеток.
Итого, улучшенный контроль сна и времени бодрствования.
Не могу придумать других прямых использований честно говоря…
Gorthauer87
03.10.2017 14:32Так можно же перед сном мелатонин пить, он стимулирует желание спать.
sumanai
03.10.2017 17:19+1Так в исследовании про мелатонин ни слова. Да и вообще больше похоже на плацебо, хотя я и сам пью, благо вещество хотя бы безопасное.
nektopme
03.10.2017 16:37других прямых использований
Ночью спи, днём бодрствуй — воистину!
После десятилетий сменной работы лично добился железодефицитной анемии, пару лет соблюдения распорядка дня (не спится после 23 часов? лежи тупо не шевелясь, через неделю будет легче) анализы крови улучшились.
Jeyko
03.10.2017 17:53-1Так и не понял за что дали такую престижную премию… За то что и так было известно?
Вообще замечаю давно, что ничего ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО уже не открывается. Только обкатывается ранее созданное и придуманное.
Особенно убивает когда эту премию автоматом дают политикам!
Или я чрезвычайно недалек?sumanai
03.10.2017 17:55+2Вам были известны конкретные белки, которые управляют циркадными ритмами? Что же вы раньше молчали!
Jeyko
03.10.2017 19:18Хорошо, стали известны белки, до этого ритмы. И? За это нобелевку? Вот когда это применят на практике и она принесёт ощутимые плоды, сдвинувшие пласт в теме, тогда — ДА!
Есть же куча промежуточных и солидных премий для такого рода исследований!
Вот интересно, за подковыристый и несодержательный ответ плюс, а за вопрос никого неоскорбляющий, минус. Странно работает логика, если что-то кем-то авторитетным признаётся TRUE, то это автоматически и неоспоримо переключает триггеры в умах далеко не сведущих в положение — это правильно! Бессознательно! И они готовы отстаивать чужое мнение до драки! Не имея своего…
И это печалит. Толпа не сможет стать личностью и наоборот…AllegraGeller
04.10.2017 11:30Хорошо, стали известны белки, до этого ритмы. И? За это нобелевку? Вот когда это применят на практике и она принесёт ощутимые плоды, сдвинувшие пласт в теме, тогда — ДА!
А как вы собрались применять то, о существовании чего раньше не знали?
MaxKorz
А сможет ли этот механизм адаптироваться, если в стуках будет не 24 часа? Например, при полете на Марс. (я имею в виду адаптацию в течении жизни человека, а не в процессе тысячелетней эволюции) И что будет, если этой адаптации не произойдет?
atomlib
Марсианские сутки — сол — всего на минут 40 длиннее земных. Наверное, к этому можно будет привыкнуть, если жить на Марсе долго.
Хотя виток вокруг Земли занимает около полутора часов, на МКС живут по 24-часовому распорядку: на «ночь» гасят свет, «днём» работают. Вероятно, и в перелёте будет то же.
perfect_genius
Эксперименты в пещерах дают предположение, что сможет: http://www.happydoctor.ru/info/977
Организм переходит на 48 часовой режим.
Если не адаптируется, то повышенный риск