Нобелевская премия биологические часы. Хронобиология: циркадные ритмы

Более правильный термин – циркадианные ритмы, а не циркадные, потому что корень этого слова – «диан», что в переводе означает «день». Более простой синонимичный термин – околосуточные ритмы.

В любом живом организме, на каком бы уровне он ни находился, от простейших бактерий до человека, все процессы имеют определенную ритмику. Некоторые процессы имеют околосуточные ритмы, около 24 часов, некоторые больше или меньше. Неживая природа также имеет все процессы, определенные колебания – вращение Солнца, Земли и так далее. У всего есть колебательные процессы. Для человеческого организма важны циркадианные процессы, потому что наш ритм определяется вращением Земли, то есть сутками, которые определяются солнечной освещенностью. Потребность возникновения циркадианных ритмов была связана с адаптацией живой природы к окружающей среде из-за постепенного увеличения кислорода и ультрафиолетовых лучей. Поэтому посуточный ритм – это адаптация к солнечной освещенности, а не к другим факторам. Свет определяет наш ритм. Есть такое понятие – эндогенный, то есть внутренний ритм человека. Как ни странно, этот ритм по продолжительности составляет примерно 24,3 часа, то есть он чуть больше, чем сутки. Но наши биологические часы постоянно подстраиваются под внешние факторы, и таким внешним фактором является Солнце. Кстати, наш внутренний ритм практически в точности соответствует суткам на Марсе, поэтому предположение о том, что жизнь на Земле началась с Марса в этом смысле имеет определенную подпитку.

По циркадианным ритмам вырабатываются гормоны, от них зависит уровень давления, дыхание и многие другие функции организма. Это открытие было сделано уже давно, но Нобелевскую премию за него присудили только сейчас. Это результат многолетних исследований не только этой группы ученых, эти механизмы изучаются по всему миру. Эти механизмы важны, потому что они дают на генетическом и молекулярном уровне понять, как все это происходит. Есть группа генов, которая отвечает за эти ритмы, а одним из главных регуляторов является гормон мелатонин, который раньше неправильно называли гормоном сна, хотя на самом деле это гормон ночи. Это сигнал организму о том, что нет солнечного света. Причем сигнал поступает не только до рецепторов клеток, он поступает до генома, то есть по сути до ДНК. Мелатонин проходит мембрану клетки и ядра и воздействует на геном человека. Поэтому во время сна определенные гены включаются, а другие выключаются. Это очень важно для функционирования организма, но, к сожалению, в современном мире человек все больше и больше подвергает себя этим изменениям. Например, смена графика сна, если человек поздно встает и поздно ложится по выходным, а по будням недосыпает, а также далекие перелеты, после которых циркадианные ритмы резко меняются и происходит рассогласование солнечной освещенности. Все эти факторы только еще больше усугубляют проблемы, связанные не только со сном, но и с долголетием человека.

Это открытие на молекулярном и генетическом уровне показывает, как протекают эти процессы. Оно позволит в будущем вмешиваться в эти механизмы. Если у кого-то имеется генетическая мутация – мы сможем восстанавливать нарушенные процессы и использовать новые лекарственные средства для адаптации к тем условиям, с которыми сталкивается современный человек.

военный врач, научный журналист, медицинский блогер, специалист по выявлению и выведению на чистую воду медицинских шарлатанов, автор книги "Пациент разумный", член экспертного совета Премии имени Гарри Гудини, член Ассоциации медицинских журналистов.

С областью, за открытия в которой присудили Нобелевскую премию 2017 года в области физиологии или медицины, сталкивались в своей жизни очень многие, поэтому интуитивно тема близка и понятна каждому, кто работал в ночную смену, стоял в карауле, дежурил сутки на «Скорой» или летал из Москвы на Дальний Восток или на американский континент. Когда день меняется с ночью местами, важность «внутренних часов» становится очевидной.

Не исключено, что именно из-за практической направленности тема привлекает и большое число самых различных шарлатанов. Рекламу «корректоров биоритма» можно найти практически в любом источнике, кроме того, в глянцевом журнале вам расскажут, что сексом лучше заниматься в 6 утра, потому что в это время суток в крови - максимум половых гормонов, а визит к врачу назначить на 16 часов, когда в мозгу больше всего эндогенных наркотических анальгетиков-эндорфинов.

Есть и более продвинутые чудеса. Например, человек в белом халате, назвавшийся хронофармакологом, может предложить вам оптимизировать дозы и кратность приема лекарств, назначенных нормальным врачом. Якобы за счет выстраивания точного соответствия приема таблеток с вашими внутренними ритмами можно и дозу снизить, и курс сократить, и основных эффектов получить побольше, и от побочных - избавиться. Так вот, к фармакологии это имеет примерно такое же отношение, как астрология к астрономии. Составители «таблеткиных гороскопов», подозреваю, теперь начнут акцентировать внимание доверчивых клиентов и на Нобелевке, подчеркивая свою сопричастность к большой науке.

Но пока что мы можем сделать лишь очень скромные практические выводы из наших знаний. Да, перспективы впечатляющие, да, результаты опытов на дрозофилах и мышах поражают воображение, но до широкого воздействия на механизм «внутренних часов» человека в реальной клинической практике пока что еще далековато.

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.

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.

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.

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.

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.

В 2017 году Нобелевской премии по медицине удостоились три американских учёных, открывших молекулярные механизмы, отвечающие за циркадный ритм - биологические часы человека. Эти механизмы регулируют сон и бодрствование, работу гормональной системы, температуру тела и другие параметры человеческого организма, которые изменяются в зависимости от времени суток. Подробнее об открытии учёных - в материале RT.

Победители Нобелевской премии по физиологии и медицине Reuters Jonas Ekstromer

Нобелевский комитет Каролинского института Стокгольма в понедельник, 2 октября, сообщил, что Нобелевская премия 2017 года в области физиологии и медицины присуждена американским учёным Майклу Янгу, Джеффри Холлу и Майклу Росбашу за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм.

«Они смогли проникнуть внутрь биологических часов организма и объяснить их работу», — отметили в комитете.

Циркадными ритмами называются циклические колебания различных физиологических и биохимических процессов в организме, связанных со сменой дня и ночи. Почти в каждом органе человеческого организма есть клетки, обладающие индивидуальным молекулярным часовым механизмом, а следовательно, циркадные ритмы представляют собой биологический хронометр.

Согласно релизу Каролинского института, Янгу, Холлу и Росбашу удалось изолировать у мух-дрозофилах ген, контролирующий выделение особого белка в зависимости от времени суток.

«Таким образом, учёным удалось опознать белковые соединения, которые участвуют в работе этого механизма, и понять работу самостоятельной механики этого явления внутри каждой отдельной клетки. Теперь мы знаем, что биологические часы работают по такому же принципу в клетках других многоклеточных организмов, включая людей», — говорится в релизе комитета, присудившего премию.

• Муха-дрозофила
• globallookpress.com
• imagebroker/Alfred Schauhuber

Наличие биологических часов у живых организмов было установлено в конце прошлого века. Они расположены в так называемом супрахиазматическом ядре гипоталамуса головного мозга. Ядро получает информацию об уровне освещения от рецепторов на сетчатке глаза и посылает сигнал другим органам с помощью нервных импульсов и гормональных изменений.

Кроме того, некоторые клетки ядра, как и клетки других органов, обладают собственными биологическими часами, работу которых обеспечивают белки, активность которых меняется в зависимости от времени суток. От активности этих белков зависит синтез других белковых связей, которые порождают циркадные ритмы жизнедеятельности отдельных клеток и целых органов. Так, например, пребывание в помещении с ярким освещением в ночное время может сдвинуть циркадный ритм, активируя белковый синтез генов PER, обычно начинающийся утром.

Также на циркадные ритмы в организме млекопитающих значительную роль оказывает печень. Например, грызуны вроде мышей или крыс являются ночными животными и едят в тёмное время суток. Но если пища становится доступна только днём, их циркадный цикл печени смещается на 12 часов.

Ритм жизни

Циркадные ритмы — это суточные изменения деятельности организма. Они включают регуляцию сна и бодрствования, выделения гормонов, температуры тела и других параметров, которые изменяются в соответствии с суточным ритмом, поясняет врач-сомнолог Александр Мельников. Он отметил, что исследователи вели разработки в этом направлении несколько десятков лет.

«Прежде всего, нужно отметить, что это открытие не вчерашнего и не сегодняшнего дня. Эти исследования велись многие десятилетия — с 80-х годов прошлого века до настоящего времени — и позволили открыть один из глубинных механизмов, регулирующих природу организма человека и других живых существ. Механизм, которые открыли учёные, очень важен для влияния на суточный ритм организма», — рассказал Мельников.

• pixabay.com

По словам эксперта, эти процессы происходят не только из-за смены дня и ночи. Даже в условиях полярной ночи суточные ритмы будут продолжать действовать.

«Эти факторы очень важны, но очень часто у людей они нарушены. Эти процессы регулируются на генном уровне, что подтвердили лауреаты премии. В наше время люди очень часто меняют часовые пояса и подвергаются разным стрессам, связанным с резкими изменениями циркадного ритма. Напряжённый ритм современной жизни может влиять на правильность регулировки и возможности для отдыха организма», — заключил Мельников. Он уверен, что исследование Янга, Холла и Росбаша даёт возможность для разработки новых механизмов воздействия на ритмы человеческого организма.

История премии

Учредитель премии Альфред Нобель в своём завещании поручил выбор лауреата по физиологии и медицине Каролинскому институту в Стокгольме, основанному в 1810 году и являющемуся одним из ведущих образовательных и научных медицинских центров мира. Нобелевский комитет университета состоит из пяти постоянных членов, которые, в свою очередь, имеют право приглашать экспертов для консультаций. В списке номинантов на премию в этом году было 361 имя.

Нобелевская премия в области медицины присуждалась 107 раз 211 ученым. Её первым лауреатом стал в 1901 году немецкий врач Эмиль Адольф фон Беринг, разработавший способ иммунизации против дифтерии. Комитет Каролинского института считает самой значимой премию 1945 года, присуждённую британским учёным Флемингу, Чейну и Флори за открытие пенициллина. Некоторые премии со временем стали неактуальными, как, например, награда, присуждённая в 1949 году за разработку метода лоботомии.

В 2017 году размер премии был увеличен с 8 млн до 9 млн шведских крон (около $1,12 млн).

Церемония награждения лауреатов по традиции состоится 10 декабря — в день кончины Альфреда Нобеля. Премии в области физиологии и медицины, физики, химии и литературы будут вручены в Стокгольме. Премия мира, согласно завещанию Нобеля, вручается в тот же день в Осло.

Подпишитесь на нас

Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили троим исследователям, чьи работы помогли нам понять, как работают биологические часы.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. (Фото: Chinese University Of Hong Kong Handout / EPA.)

Колебания белка PER – молекулярная пружина суточных ритмов: накапливаясь в клетке, белок проникает в ядро и подавляет активность собственного гена; затем PER постепенно разрушается и освобождает свой ген – цикл повторяется. (Иллюстрация: Nobelprize.org.)

Жизнь на Земле с самого начала должна была приспосабливаться к тому, что день регулярно сменяет ночь, а ночь сменяет день. Почти все живые существа обзавелись специальным часовым механизмом, который переключает организм из дневного режима в ночной и обратно. Самая наглядная демонстрация того, как работают биологические часы, – чередование сна и бодрствования. Но биологические часы – это не только сон. Известно, что днем и ночью у нас разная температура тела, что днем и ночью у нас по-разному работают сердце и сосуды, что обмен веществ подчиняется суточным (или циркадным, или циркадианным) колебаниям. И то же самое можно сказать про другие живые организмы – про животных и про растения, про одноклеточных и многоклеточных.

То, что живой мир подчиняется какому-то внутреннему хронометру, заметили довольно давно. Еще в первой половине XVIII века французский астроном Жан-Жак де Меран обратил внимание на то, что растения гелиотропов, которые поворачивают соцветия вслед за солнцем и опускают свои листья на ночь, продолжают поднимать и опускать листья в полной круглосуточной темноте. Иными словами, дело вовсе не в том, есть солнце или нет, а в каком-то внутреннем механизме. Но что это за механизм? Ведь ни движение листьев, ни колебания температуры тела, ни сон – это не механизм, это лишь следствия его функционирования.

В начале 70-х годов прошлого века генетикам удалось найти зону в геноме дрозофил, которая управляла суточными ритмами. Если в эту геномную зону попадали какие-то изменения, суточный ритм мух выходил из 24-часового расписания, так что одни мухи жили так, как если бы в сутках было меньше часов – например, всего 19, а для других мух сутки увеличивались до 29 часов. Очевидно, все дело было в каком-то гене, который здесь находился. Он получил название period или per .

В 1984 году нынешние нобелевские лауреаты – Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall ) и Майкл Росбаш (Michael Rosbash ), которые тогда работали в Брандейском университете, и Майкл Янг (Michael W. Young ) из Рокфеллеровского университета – сообщили сразу в двух статьях, что им удалось точно определить, где в геноме дрозофил сидит ген per. Впоследствии Холл и Росбаш сумели показать, что уровень белка PER в клетках колеблется в зависимости от времени суток: ночью его становится все больше, а днем, наоборот, все меньше и меньше. Вот, казалось бы, прекрасная молекулярная пружина, определяющая ход биологических часов.

Но почему белка становится то больше, то меньше? Проще всего было бы объяснить это отрицательной обратной связью. Как известно, многие белки блокируют работу собственных генов: если белковых молекул становится слишком много, они подавляют активность собственного гена, и не дают синтезировать новые копии РНК (напомним, что РНК-копия нужна для синтеза белка, без РНК никакого белка не получится).

Одновременно в клетке работают молекулярные машины, расщепляющие белки, и белок PER в том числе. Его становится все меньше, и в конце концов он освобождает собственный ген, так что тот начинает снова работать – цикл повторяется. Сам белок PER может взаимодействовать и с другими генами, повышая или понижая их активность, а те, в свою очередь, могут работать еще с каким-то набором генов – таким образом, за счет колебаний PER можно настроить работу множества внутриклеточных процессов. Заодно заметим, что в такой модели смена дня и ночи вообще не требуется – циклические молекулярные изменения происходят сами по себе, хотя, конечно, в действительности в живых организмах время суток, то бишь режим освещенности влияет на работу циркадных молекул.

Модель, в которой белок PER управляет собственной концентрацией, легко и изящно объясняла функционирование суточных ритмов, но поначалу в ней были некоторые белые пятна. Если вспомнить, что белки синтезируются в цитоплазме клетки, а ДНК сидит в клеточном ядре, то возникает вопрос: как PER проникает в ядро? То, что он проникает, доказали те же Холл и Росбаш, но кто ему помогает туда проникнуть? Загадка разрешилась в 1994 году, когда Майкл Янг нашел белку PER помощника – им оказался ген timeless и его белок TIM, который, как оказалось, абсолютно необходим для нормального хода биологических часов. Чтобы проникнуть в ядро, белку PER нужен белок TIM. Впоследствии Майкл Янг нашел еще один важный суточный белок – DBT, кодируемый геном doubletime . Задача белка DBT – делать так, чтобы PER накапливался и разрушался в соответствии с 24-часовым циклом. Иными словами, DBT контролирует точность хода биологических часов.

Конечно, это не все белки, от которых зависят суточные ритмы; в частности, как мы говорили выше, есть специальные молекулы, которые сообщают часовому механизму, много ли снаружи света (белки, которые синхронизируют аппарат биологических часов со временем суток, тоже открыли Холл, Росбаш и Янг). Тем не менее, принципиальная схема осталась неизменной: чтобы суточные ритмы работали, нужен PER, которого в клетке то много, то мало, нужен TIM, которые поможет PER проникнуть в ядро, и нужен DBT, который следит за частотой PER. И, что важно, схема эта оказалась универсальной – не только у дрозофил суточные часы работают по такой схеме, но вообще у всех живых существ.

Конечно, тут стоит напомнить, сколь много знание циркадного механизма значит для медицины. В последнее время мы все чаще слышим о том, какие проблемы могут возникнуть из-за сломанных биологических часов – что неудивительно, если учесть, сколько всего от них зависит. И речь не только о нарушениях сна; есть данные, что из-за проблем с суточными ритмами повышается вероятность , и что расстроенные биологические часы способствуют накоплению – со всеми вытекающими метаболическими проблемами.

Конечно, относительно суточных ритмов есть еще масса вопросов, связанных с их регуляцией и настройкой, с иерархией и взаимоотношениями часов из разных органов и тканей; наконец, есть кроме суточных ритмов, есть и месячные, и сезонные, и очевидно, что они как-то с суточными «коллегами».

Однако все это не отменяет того очевидного факта, что Холл, Росбаш и Янг раскрыли глубинную суть одного из самых фундаментальных свойств всех живых организмов, а растущее день ото дня количество статей на тему биологических часов говорит о том, что нынешним лауреатам удалось создать целое направление в современной биологии.