Vuotuinen Nobel-viikko Tukholmassa alkoi maanantaina julkistamalla fysiologian tai lääketieteen palkinnon saajat. Nobel-komitea ilmoitti, että vuoden 2017 palkinnon saivat tutkijat Geoffrey Hall, Michael Rosbash ja Michael Young.

vuorokausirytmejä säätelevien molekyylimekanismien löytäminen - sykliset vaihtelut erilaisten biologisten prosessien intensiteetissä, jotka liittyvät päivän ja yön muutokseen.

Elämä maapallolla on sopeutunut planeetan pyörimiseen. On jo pitkään todettu, että kaikilla elävillä organismeilla, kasveista ihmisiin, on biologinen kello, jonka avulla keho voi mukautua päivän aikana ympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Ensimmäiset havainnot tällä alueella tehtiin aikakautemme alussa, perusteellisempi tutkimus alkoi 1700-luvulla.

1900-luvulle mennessä kasvien ja eläinten vuorokausirytmejä oli tutkittu varsin kattavasti, mutta se jäi salaisuudeksi kuinka "sisäinen kello" tarkalleen toimi. Tämä salaisuus paljastettiin amerikkalaisille geneetikoille ja kronobiologeille Hallille, Rosbashille ja Yangille.

Hedelmäkärpäsistä on tullut tutkimuksen malliorganismi. Tutkijaryhmä onnistui löytämään heistä geenin, joka säätelee biologisia rytmejä.

Tutkijat ovat havainneet, että tämä geeni koodaa proteiinia, joka kerääntyy soluihin yön aikana ja tuhoutuu päivän aikana.

Myöhemmin he tunnistivat muita elementtejä, jotka ovat vastuussa "solukellon" itsesäätelystä ja osoittivat, että biologinen kello toimii samalla tavalla muissa monisoluisissa organismeissa, mukaan lukien ihmiset.

Sisäinen kello mukauttaa fysiologiamme täysin eri vuorokauden aikoihin. Käyttäytymisemme, uni, aineenvaihdunta, ruumiinlämpö ja hormonitaso riippuvat niistä. Hyvinvointimme huononee, kun sisäisen kellon toiminnan ja ympäristön välillä on ristiriita. Elimistö reagoi aikavyöhykkeen voimakkaaseen muutokseen unettomuudella, väsymyksellä ja päänsäryllä. Jet lag -oireyhtymä, jet lag, on ollut mukana kansainvälisessä tautiluokituksessa useiden vuosikymmenien ajan. Elämäntapojen ja kehon sanelemien rytmien yhteensopimattomuus lisää riskiä sairastua moniin sairauksiin.

Ranskalainen tähtitieteilijä Jean-Jacques de Meran suoritti ensimmäiset dokumentoidut kokeet sisäisillä kelloilla 1700-luvulla. Hän havaitsi, että mimosan lehdet putoavat pimeyden tullessa ja suoristuvat uudelleen aamulla. Kun de Meran päätti testata, kuinka kasvi käyttäytyisi ilman valoa, kävi ilmi, että mimosan lehdet putosivat ja nousivat valosta riippumatta - nämä ilmiöt liittyivät vuorokaudenajan muutokseen.

Myöhemmin tutkijat havaitsivat, että muilla elävillä organismeilla on samanlaisia ​​​​ilmiöitä, jotka mukauttavat kehon olosuhteiden muutoksiin päivän aikana.

Niitä kutsuttiin vuorokausirytmeiksi sanoista circa - "noin" ja kuolee - "päivä". 1970-luvulla fyysikko ja molekyylibiologi Seymour Benzer pohti, voitaisiinko vuorokausirytmejä säätelevä geeni tunnistaa. Hän onnistui tekemään tämän, geeni nimettiin periodiksi, mutta ohjausmekanismi jäi tuntemattomaksi.

Vuonna 1984 Hall, Rooibach ja Young onnistuivat tunnistamaan hänet.

He eristivät tarvittavan geenin ja havaitsivat, että se on vastuussa siihen liittyvän proteiinin (PER) kerääntymisestä ja tuhoutumisesta soluihin vuorokaudenajasta riippuen.

Seuraavana tutkijoiden tehtävänä oli ymmärtää, kuinka vuorokausivaihtelut syntyvät ja ylläpidetään. Hall ja Rosbash ehdottivat, että proteiinin kertyminen estää geenin toiminnan ja säätelee siten proteiinipitoisuutta soluissa.

Geenin toiminnan estämiseksi sytoplasmaan muodostuvan proteiinin on kuitenkin päästävä solun tumaan, jossa geneettinen materiaali sijaitsee. Kävi ilmi, että PER rakentuu ytimeen yöllä, mutta miten se pääsee sinne?

Vuonna 1994 Young löysi toisen geenin, ajattoman, joka koodaa TIM-proteiinia, joka on välttämätön normaaleille vuorokausirytmeille.

Hän havaitsi, että kun TIM sitoutuu PER:ään, ne pystyvät pääsemään solun tumaan, missä ne estävät periodigeenin toiminnan takaisinkytkennän eston vuoksi.

Mutta jotkut kysymykset jäivät edelleen vastaamatta. Mikä esimerkiksi ohjasi vuorokausivaihtelun taajuutta? Young löysi myöhemmin toisen geenin, doubletime, joka on vastuussa DBT-proteiinin muodostumisesta, mikä viivästytti PER-proteiinin kertymistä. Kaikki nämä löydöt ovat auttaneet ymmärtämään, kuinka vaihtelut mukautuvat 24 tunnin päivittäiseen kiertoon.

Myöhemmin Hall, Rooibas ja Young tekivät useita muita löytöjä, jotka täydensivät ja jalostivat aikaisempia.

He esimerkiksi tunnistivat joukon proteiineja, joita tarvitaan jaksogeenin aktivoimiseen, ja paljastivat myös mekanismin, jolla sisäinen kello synkronoidaan valon kanssa.

Todennäköisimpiä Nobelin palkinnon saajaehdokkaita tällä alalla olivat virologi Yuan Chang ja hänen miehensä, onkologi Patrick Moore, jotka löysivät Kaposin sarkoomaan liittyvän tyypin 8 herpesviruksen; Professori Lewis Cantley, joka löysi fosfoinositid-3-kinaasientsyymien signalointireitit ja tutki niiden roolia kasvaimen kasvussa, ja professori Carl Friston, joka osallistui merkittävästi aivojen kuvantamistietojen analysointiin.

Vuonna 2016 japanilaisen Yoshinori Ohsumi -palkinnon voittaja autofagian mekanismin, solunsisäisten jätteiden hajoamis- ja käsittelyprosessin löytämisestä.

Vuoden 2017 lääketieteen ja fysiologian Nobel-palkinto myönnettiin kolmelle amerikkalaiselle - Jeffrey Hallille, Michael Rozbashille ja Michael Youngille - heidän tutkimuksestaan ​​vuorokausirytmeistä vastaavista molekyylimekanismeista eli biologisesta kellosta, jossa on päivittäinen jakso. Lähetys suoritettiin Nobel-komitean verkkosivuilla.

Vuonna 1984 Hall ja Rosebash Brandeis-yliopistosta Bostonista ja Young New Yorkin Rockefeller-yliopistosta työskentelivät hedelmäkärpästen parissa ja löysivät periodigeenin, joka asettaa biologisen kellon. Myöhemmin tutkijat havaitsivat, että tämä geeni koodaa PER-proteiinia, joka kerääntyy kehoon yön aikana ja tuhoutuu päivän aikana. Joten tutkijat tulivat siihen tulokseen, että proteiinitaso värähtelee 24 tunnin syklin aikana.

Nobel-palkinnon saajat ehdottivat, että PER estää periodigeenin toimintaa ja muodostaa negatiivisen palautesilmukan. Toinen geeni, ajaton, joka koodaa TIM-proteiinia, osallistuu tähän mekanismiin. Jälkimmäinen sitoutuu PER:ään, ja tuloksena oleva kompleksi viedään solun tumaan, jossa se estää vastaavan DNA:n. DBT-proteiini, jota koodaa Youngin löytämä doubletime-geeni, on vastuussa PER:n hajoamisesta.

"Cirkadiaani- tai vuorokausirytmejä esiintyy melkein jokaisessa maan organismissa. Vaikka Nobel-palkinnon saaneet löydöt tehtiin Drosophilassa, päivittäisen säätelyn mekanismit ovat hyvin ikivanhoja, ja ne toteutetaan samalla tavalla hyvin erilaisissa organismeissa - kuten kukissa, hyönteisissä ja nisäkkäissä”, Forbes selitti. Nobel-komitean toteama löytö, Moskovan valtionyliopiston regeneratiivisen lääketieteen instituutin geneettisen soluterapian laboratorion johtaja, lääketieteen kandidaatti Pavel Makarevitš. Hän lisäsi, että tällä tavalla Hallin, Rosebashin ja Youngin tutkimukset ovat hyödyllisiä myös ihmisten vuorokausirytmien tutkimisessa: kohtalokkaita seurauksia. Nämä ovat monia uusia ihmisen toiminnan aloja: päivittäiset kellot, napa-alueet ja mikä tärkeintä, avaruus!

Unihäiriöiden vaikutuksista (mukaan lukien työstä poissaolot, työtapaturmat ja heikentynyt tuottavuus) Yhdysvaltojen taloudelle aiheutuneen kokonaistappion arvioitiin olevan 150 miljardia dollaria jo vuonna 2001. RAND-tutkimuksessa univajeen vaikutuksista Yhdysvaltoihin Tappioiden arvioitiin olevan 226–411 miljardia dollaria vuonna 2016 skenaariosta riippuen. Japani sijoittui toiseksi 75-139 miljardin dollarin taloudellisen tappion arvioidulla, Saksan, Iso-Britannian ja Kanadan tappioiden arvioitiin olevan kymmeniä miljardeja. On totta, että unettomuus voi johtua sekä unettomuudesta että fyysisestä kyvyttömyydestä nukkua varattuun aikaan kiireisen aikataulun vuoksi.

Siten tutkijat paljastivat "solujen sisäisen kellon" salaisuuden ja osoittivat, kuinka tämä mekanismi toimii. Autonominen "sisäinen kello" on välttämätön sopeutumaan ja valmistamaan kehomme vuorokauden eri vaiheisiin, se ohjaa unta, hormonitasoja, lämpötilaa ja aineenvaihduntaa. Oikeat rytmit ovat tärkeitä ihmisten terveydelle, kirjoittajat korostivat. "Heidän löytönsä selittävät, kuinka kasvit, eläimet ja ihmiset säätävät biologista rytmiään synkronoidakseen Maan rytmien kanssa", Nobel Assembly sanoi. Rosebash itse sanoi Howard Hughes Medical Instituten haastattelussa vuonna 2014, että vuorokausijärjestelmä määrittää "alttiuden sairauksille, kasvunopeuden ja hedelmien koon". "Se vaikuttaa lähes kaikkiin ihmiskehon osiin", tutkija huomautti.

"Kolmen palkitun uraauurtavan työn jälkeen vuorokausibiologia on kasvanut laajaksi ja dynaamiseksi tutkimusalaksi, joka vaikuttaa terveyteemme ja hyvinvointiimme", Nobel-palkinnon virkamiehet selittivät. Nobel-komitea pitää palkinnon saajat tarkasti varjeltuna salaisuutena, kunnes ne julkistetaan. Niinpä lehdistötilaisuudessa, jossa palkinnon saajat julkistettiin, Karolinska-instituutin Nobel Assemblyn jäsen, joka vastaa palkinnon myöntämisestä, sanoi, että kun hän ilmoitti Rosbashille vastaanottaneensa palkinnon, tiedemies. vastasi: "Sinä vitsailet minulle."

Palkintojenjakotilaisuus järjestetään 10. joulukuuta - ruotsalaisen yrittäjän ja keksijän Alfred Nobelin kuolinpäivänä. Neljä viidestä hänelle testamentatusta palkinnosta - fysiologian tai lääketieteen, fysiikan, kemian ja kirjallisuuden alalla - jaetaan Tukholmassa. Rauhanpalkinto, sen perustajan tahdon mukaan, jaetaan samana päivänä, mutta Oslossa. Kunkin palkinnon suuruus on 9 miljoonaa Ruotsin kruunua (1 miljoona dollaria). Palkinnon luovuttaa palkituille Ruotsin kuningas Kaarle XVI Kustaa.

Ensimmäinen Nobel-palkinto vuonna 2017, joka perinteisesti myönnetään saavutuksista fysiologian ja lääketieteen alalla, meni amerikkalaisille tutkijoille molekyylimekanismin löytämisestä, joka tarjoaa kaikille eläville olennoille oman "biologisen kellon". Näin on silloin, kun kirjaimellisesti jokainen voi arvioida arvostetuimmalla palkinnolla leimattujen tieteellisten saavutusten merkityksen: ei ole henkilöä, joka ei tuntisi unen ja valveillaolojen rytmien muutosta. Lue materiaalistamme kuinka nämä kellot on järjestetty ja kuinka onnistuimme selvittämään niiden mekanismin.

Viime vuonna Nobelin fysiologian tai lääketieteen komitea yllätti yleisön - CRISPR/Cas:n ja onkoimmunologian lisääntyneen kiinnostuksen taustalla, palkinto syvästi perustavanlaatuisesta työstä, joka on tehty klassisen genetiikan menetelmillä leivinhiivan parissa. Tällä kertaa komitea ei taaskaan seurannut muotia ja pani merkille perustyön, joka tehtiin vieläkin klassisemman geneettisen esineen - Drosophilan - parissa. Kärpästen parissa työskentelevät palkinnon voittajat Geoffrey Hall, Michael Rosbash ja Michael Young ovat kuvanneet vuorokausirytmien takana olevan molekyylimekanismin, joka on yksi biologisten olentojen tärkeimmistä sopeutumisesta elämään Maapallolla.

Mikä on biologinen kello?

Vuorokausirytmit ovat seurausta vuorokausirytmistä eli biologisesta kellosta. Biologinen kello ei ole metafora, vaan proteiinien ja geenien ketju, joka on suljettu negatiivisen palautteen periaatteella ja tekee päivittäisiä vaihteluja noin 24 tunnin syklillä - maan vuorokauden keston mukaisesti. Tämä ketju on varsin konservatiivinen eläimissä, ja kellon periaate on sama kaikissa elävissä organismeissa - joilla niitä on. Tällä hetkellä tiedetään luotettavasti sisäisen oskillaattorin olemassaolosta eläimissä, kasveissa, sienissä ja sinileväissä, vaikka biokemiallisten parametrien rytmistä vaihtelua löytyy myös muista bakteereista. Esimerkiksi vuorokausirytmien oletetaan esiintyvän bakteereissa, jotka muodostavat ihmisen suoliston mikrobiomin – niitä säätelevät ilmeisesti isännän metaboliitit.

Valtaosassa maanpäällisistä organismeista biologista kelloa säätelee valo - joten ne saavat meidät nukkumaan yöllä ja pysymään hereillä ja syömään päivällä. Kun valojärjestelmä muuttuu (esimerkiksi transatlanttisen lennon seurauksena), he sopeutuvat uuteen järjestelmään. Nykyaikaisessa ihmisessä, joka asuu ympäri vuorokauden keinovalaistuksen olosuhteissa, vuorokausirytmit ovat usein häiriintyneet. Yhdysvaltain kansallisen toksikologiaohjelman asiantuntijoiden mukaan työaikojen siirtäminen ilta- ja yöaikaan aiheuttaa vakavia terveysriskejä ihmisille. Vuorokausirytmin häiriintymiseen liittyviä häiriöitä ovat uni- ja syömishäiriöt, masennus, heikentynyt vastustuskyky, lisääntynyt todennäköisyys sairastua sydän- ja verisuonitauteihin, syöpä, liikalihavuus ja diabetes.

Ihmisen päivittäinen kierto: valveillaolovaihe alkaa aamunkoitteessa, jolloin elimistö vapauttaa kortisolihormonia. Seurauksena on verenpaineen nousu ja korkea keskittymiskyky. Päivän aikana havaitaan paras liikkeiden koordinaatio ja reaktioaika. Iltapäivään mennessä kehon lämpötila ja paine kohoavat hieman. Univaiheeseen siirtymistä säätelee melatoniinihormonin vapautuminen, joka johtuu luonnollisesta valon vähenemisestä. Keskiyön jälkeen alkaa normaalisti syvin unen vaihe. Yön aikana ruumiinlämpö laskee ja saavuttaa aamulla minimiarvonsa.

Tarkastellaanpa tarkemmin nisäkkäiden biologisen kellon rakennetta. Korkeampi komentokeskus tai "pääkello" sijaitsee hypotalamuksen suprakiasmaattisessa ytimessä. Tieto valaistuksesta tulee sinne silmien kautta - verkkokalvo sisältää erityisiä soluja, jotka kommunikoivat suoraan suprakiasmaattisen ytimen kanssa. Tämän ytimen neuronit antavat komentoja muulle aivolle, esimerkiksi säätelevät käpyrauhasen "unihormonin" melatoniinin tuotantoa. Huolimatta yhden komentokeskuksen läsnäolosta, jokaisella kehon solulla on oma kellonsa. "Pääkello" on juuri se, mitä tarvitaan oheislaitteen kellon synkronoimiseen tai uudelleenkonfigurointiin.

Eläinten vuorokausisyklin kaavio (vasemmalla) koostuu unen ja hereillä olemisen vaiheista, jotka osuvat yhteen ruokintavaiheen kanssa. Oikealla näkyy kuinka tämä sykli toteutuu molekyylitasolla - kellogeenien käänteisellä negatiivisella säätelyllä.

Takahashi JS / Nat Rev Genet. 2017

Kellon avainvaihteet ovat CLOCK- ja BMAL1-transkriptioaktivaattorit sekä PER-repressorit (alkaen ajanjaksoa) ja CRY (alkaen kryptokromi). CLOCK-BMAL1-pari aktivoi PER:tä (joita ihmisillä on kolme) ja CRY:tä (joista ihmisillä on kaksi) koodaavien geenien ilmentymisen. Tämä tapahtuu päivän aikana ja vastaa kehon hereilläolotilaa. Illalla soluun kerääntyy PER- ja CRY-proteiinit, jotka tulevat tumaan ja tukahduttavat omien geeniensä toimintaa häiriten aktivaattoreita. Näiden proteiinien elinikä on lyhyt, joten niiden pitoisuus laskee nopeasti ja aamuun mennessä CLOCK-BMAL1 kykenee taas aktivoimaan PER- ja CRY-transkription. Eli sykli toistuu.

CLOCK-BMAL1-pari säätelee paitsi PER- ja CRY-parien ilmentymistä. Heidän kohteidensa joukossa on myös pari proteiinia, jotka estävät itse CLOCKin ja BMAL1:n toimintaa, sekä kolme transkriptiotekijää, jotka ohjaavat monia muita geenejä, jotka eivät liity suoraan kellon toimintaan. Säätelyproteiinien pitoisuuksien rytmiset vaihtelut johtavat siihen, että 5-20 prosenttia nisäkäsgeeneistä on päivittäisen säätelyn alaisia.

Ja tässä ovat kärpäset?

Lähes kaikki mainitut geenit ja koko mekanismi kokonaisuudessaan kuvattiin Drosophila-kärpäsen esimerkillä - amerikkalaiset tutkijat, mukaan lukien nykyiset Nobel-palkinnon saajat: Jeffrey Hall, Michael Rosbash ja Michael Young, tekivät tämän.

Drosophilan elämää, alkaen pupusta kuoriutumisesta, säätelee tiukasti biologinen kello. Kärpäset lentävät, ruokkivat ja parittelevat vain päivällä ja "nukkuvat" yöllä. Lisäksi Drosophila oli 1900-luvun alkupuoliskolla geneetikkojen päämallikohde, joten toiselle puoliskolle mennessä tiedemiehillä oli kertynyt riittävästi työkaluja kärpästen geenien tutkimiseen.

Ensimmäiset vuorokausirytmeihin liittyvien geenien mutaatiot kuvailivat Ronald Konopkan ja Seymour Benzerin vuoden 1971 artikkelissa, jotka työskentelivät California Institute of Technologyssa. Satunnaisen mutageneesin avulla tutkijat onnistuivat saamaan kolme kärpäslinjaa, jotka rikkoivat vuorokausisykliä: joidenkin kärpästen kohdalla vuorokaudessa olisi ikään kuin 28 tuntia (mutaatio per L), muille - 19 ( per S), ja kolmannen ryhmän kärpästen käyttäytymisessä ei ollut lainkaan jaksollisuutta ( per 0). Kaikki kolme mutaatiota putosivat samalle DNA-alueelle, jota kirjoittajat kutsuivat ajanjaksoa.

80-luvun puolivälissä Gen. ajanjaksoa eristettiin itsenäisesti ja kuvattiin kahdessa laboratoriossa - Michael Youngin laboratoriossa Rockefeller-yliopistossa ja Brandeisin yliopistossa, joissa Rosbash ja Hall työskentelivät. Jatkossa kaikki kolme eivät menettäneet kiinnostusta tähän aiheeseen, täydentäen toistensa tutkimusta. Tutkijat ovat havainneet, että geenin normaalin kopion vieminen "rytmisten" kärpästen aivoihin mutaatiolla per 0 palauttaa heidän vuorokausirytminsä. Lisätutkimukset osoittivat, että tämän geenin kopioiden lisääntyminen lyhentää päivittäistä kiertoa ja mutaatiot, jotka johtavat PER-proteiinin aktiivisuuden laskuun, pidentävät sitä.

90-luvun alussa Youngin työntekijät saivat mutaation sisältäviä kärpäsiä ajaton (Tim). TIM-proteiini on tunnistettu PER-kumppaniksi Drosophilan vuorokausirytmien säätelyssä. On syytä selventää, että tämä proteiini ei toimi nisäkkäillä - sen toimintoa suorittaa edellä mainittu CRY. PER-TIM-pari suorittaa kärpäsissä saman toiminnon kuin PER-CRY-pari ihmisillä - periaatteessa tukahduttaa omaa transkriptiotaan. Jatkaessaan arytmisten mutanttien analysointia Hall ja Rosbash löysivät geenejä kello ja sykli- jälkimmäinen on BMAL1-tekijän hiiren analogi ja yhdessä CLOCK-proteiinin kanssa aktivoi geenin ilmentymistä per ja Tim. Tutkimuksen tulosten perusteella Hall ja Rosbash ehdottivat käänteisen negatiivisen säätelyn mallia, joka on tällä hetkellä hyväksytty.

Vuorokausirytmin muodostumiseen osallistuvien pääproteiinien lisäksi Youngin laboratoriosta löydettiin geeni kellon "hienosäätöä" varten. tupla aika(dbt), jonka tulo säätelee PER:n ja TIM:n toimintaa.

Erikseen on syytä mainita CRY-proteiinin löytö, joka korvaa TIM:n nisäkkäissä. Drosophilassa on myös tätä proteiinia, ja se kuvattiin erityisesti kärpäsissä. Kävi ilmi, että jos kärpäset valaistiin kirkkaalla valolla ennen pimeän tuloa, niiden vuorokausikierto siirtyi hieman (ilmeisesti tämä toimii myös ihmisillä). Hallin ja Rosbashin tiimi havaitsi, että TIM-proteiini on valoherkkä ja tuhoutuu nopeasti jopa lyhyellä valopulssilla. Etsiessään selitystä ilmiölle tutkijat ovat tunnistaneet mutaation itkupilli, joka peruutti valotehosteen. Yksityiskohtainen tutkimus kärpäsen itkugeenistä (alkaen kryptokromi) osoitti, että se on hyvin samanlainen kuin tuolloin jo tunnettujen kasvien vuorokausivaloreseptorit. Kävi ilmi, että CRY-proteiini havaitsee valon, sitoutuu TIM:ään ja myötävaikuttaa jälkimmäisen tuhoamiseen, mikä pidentää "herätys"-vaihetta. Nisäkkäillä CRY näyttää toimivan TIM:nä, eikä se ole fotoreseptori, mutta hiirillä CRY:n sammuttamisen, kuten kärpäsissä, on osoitettu johtavan vaihemuutokseen uni-valveilujaksossa.