Zbulimi i mekanizmave molekularë që kontrollojnë ritmin cirkadian. Tick-tack në suedisht

Çmimi Nobel në Fiziologji ose Mjekësi iu dha tre studiuesve, puna e të cilëve na ndihmoi të kuptojmë se si funksionon ora biologjike.

Jeffrey Hall, Michael Rosbash dhe Michael Young. (Foto: Manual i Universitetit Kinez të Hong Kongut/EPA)

Luhatjet e proteinës PER janë burimi molekular i ritmeve cirkadiane: duke u grumbulluar në qelizë, proteina depërton në bërthamë dhe shtyp aktivitetin e gjenit të vet; atëherë PER gradualisht prishet dhe lëshon gjenin e tij - cikli përsëritet. (Ilustrim: Nobelprize.org.)

Jeta në Tokë që në fillim duhej të përshtatej me faktin se dita ndjek rregullisht natën dhe nata pason ditën. Pothuajse të gjitha qeniet e gjalla kanë fituar një mekanizëm të veçantë të orës që e ndërron trupin nga dita në modalitetin e natës dhe mbrapa. Demonstrimi më i qartë se si funksionon ora biologjike është alternimi i gjumit dhe zgjimit. Por ora biologjike nuk ka të bëjë vetëm me gjumin. Dihet se kemi temperatura të ndryshme të trupit ditën dhe natën, që zemra dhe enët e gjakut punojnë ndryshe ditën dhe natën, që metabolizmi ynë i nënshtrohet luhatjeve ditore (ose cirkadiane, ose rrethore). Dhe e njëjta gjë mund të thuhet për organizmat e tjerë të gjallë - për kafshët dhe bimët, për njëqelizore dhe shumëqelizore.

Fakti që bota e gjallë i bindet një lloj kronometri të brendshëm është vënë re shumë kohë më parë. Në gjysmën e parë të shekullit të 18-të, astronomi francez Jean-Jacques de Meran vuri re se bimët heliotrope, të cilat kthejnë lulëzimin e tyre pas diellit dhe ulin gjethet e tyre gjatë natës, vazhdojnë të ngrenë dhe ulin gjethet e tyre në errësirë ​​të plotë gjatë gjithë orës. Me fjalë të tjera, çështja nuk është fare nëse ka diell apo jo, por për ndonjë mekanizëm të brendshëm. Por çfarë lloj mekanizmi është ky? Në fund të fundit, as lëvizja e gjetheve, as luhatjet e temperaturës së trupit, as gjumi nuk janë një mekanizëm, këto janë vetëm pasoja të funksionimit të tij.

Në fillim të viteve 70 të shekullit të kaluar, gjenetistët arritën të gjenin një zonë në gjenomën e Drosophila që kontrollonte ritmet cirkadiane. Nëse ndodhte ndonjë ndryshim në këtë zonë gjenomike, ritmi ditor i mizave dilte jashtë orarit 24-orësh, kështu që disa miza jetonin sikur të kishte më pak orë në ditë - për shembull, vetëm 19, dhe për mizat e tjera dita u rrit në 29 orë. Natyrisht, bëhej fjalë për një gjen që ndodhej këtu. E mori emrin periudhë ose per.

Në vitin 1984, laureatët aktualë të Nobelit janë Geoffrey Hall ( Jeffrey C. Hall) dhe Michael Rosbash ( Michael Rosbash), të cilët atëherë punonin në Universitetin Brandeis dhe Michael Young ( Michael W. Young) nga Universiteti Rockefeller - raportoi në dy artikuj njëherësh se ata ishin në gjendje të përcaktonin me saktësi se ku ndodhet për gjen në gjenomin Drosophila. Më pas, Hall dhe Rosbash ishin në gjendje të tregonin se niveli i proteinës PER në qeliza luhatet në varësi të kohës së ditës: natën bëhet gjithnjë e më shumë, dhe gjatë ditës, përkundrazi, gjithnjë e më pak. Këtu, me sa duket, është një pranverë e mrekullueshme molekulare që përcakton rrjedhën e orës biologjike.

Por pse proteina bëhet më shumë ose më pak? Mënyra më e lehtë për ta shpjeguar këtë do të ishte reagimi negativ. Siç e dini, shumë proteina bllokojnë punën e gjeneve të tyre: nëse ka shumë molekula proteinike, ato shtypin aktivitetin e gjenit të tyre dhe parandalojnë sintezën e kopjeve të reja të ARN-së (mos harroni se një kopje e ARN-së nevojitet për sintezën e proteinave pa ARN, nuk mund të bëhet asnjë proteinë).

Në të njëjtën kohë, makinat molekulare që shpërbëjnë proteinat, duke përfshirë proteinën PER, veprojnë në qelizë. Bëhet gjithnjë e më pak, dhe përfundimisht lëshon gjenin e vet, në mënyrë që të fillojë të punojë përsëri - cikli përsëritet. Vetë proteina PER mund të ndërveprojë me gjene të tjera, duke rritur ose ulur aktivitetin e tyre, dhe ata, nga ana tjetër, mund të punojnë me disa grupe të tjera gjenesh - kështu, për shkak të luhatjeve PER, funksionimi i shumë proceseve ndërqelizore mund të rregullohet. Në të njëjtën kohë, vërejmë se në një model të tillë ndryshimi i ditës dhe natës nuk kërkohet fare - ndryshimet ciklike molekulare ndodhin vetë, megjithëse, natyrisht, në realitet në organizmat e gjallë, koha e ditës, d.m.th. , regjimi i ndriçimit, ndikon në punën e molekulave cirkadiane.

Modeli, në të cilin proteina PER kontrollonte përqendrimin e saj, shpjegoi lehtësisht dhe në mënyrë elegante funksionimin e ritmeve cirkadiane, por në fillim kishte disa pika të verbër. Nëse kujtojmë se proteinat sintetizohen në citoplazmën e qelizës dhe ADN-ja qëndron në bërthamën e qelizës, atëherë lind pyetja: si depërton PER në bërthamë? Faktin që ai depërton e dëshmoi i njëjti Hall dhe Rosbash, por kush e ndihmon të depërtojë atje? Misteri u zgjidh në vitin 1994, kur Michael Young gjeti një proteinë ndihmëse të quajtur PER - doli të ishte gjeni pa kohë dhe proteina e saj TIM, e cila, siç rezulton, është absolutisht e nevojshme për rrjedhën normale të orës biologjike. Për të hyrë në bërthamë, proteina PER ka nevojë për proteinën TIM. Më pas, Michael Young gjeti një tjetër proteinë të rëndësishme ditore - DBT, të koduar nga gjeni dyfish. Detyra e proteinës DBT është të bëjë që PER të ndërtohet dhe të prishet në një cikël 24-orësh. Me fjalë të tjera, DBT kontrollon saktësinë e orës biologjike.

Sigurisht, këto nuk janë të gjitha proteinat nga të cilat varen ritmet cirkadiane; në veçanti, siç thamë më lart, ka molekula të veçanta që i tregojnë mekanizmit të orës nëse ka shumë dritë jashtë (proteinat që sinkronizojnë aparatin e orës biologjike me orën e ditës janë zbuluar edhe nga Hall, Rosbash dhe Young). Megjithatë, skema themelore ka mbetur e pandryshuar: që ritmet cirkadiane të funksionojnë, ju nevojitet PER, i cili është ose shumë ose pak në qelizë, keni nevojë për TIM, i cili do të ndihmojë PER të depërtojë në bërthamë dhe keni nevojë për DBT, i cili monitoron frekuenca e PER. Dhe, ajo që është e rëndësishme, kjo skemë doli të jetë universale - jo vetëm në mizat e frutave, ora cirkadiane funksionon sipas kësaj skeme, por në përgjithësi në të gjitha qeniet e gjalla.

Natyrisht, ia vlen të kujtojmë se sa njohuri për mekanizmin cirkadian do të thotë për mjekësinë. Kohët e fundit po dëgjojmë gjithnjë e më shumë për problemet që mund të lindin për shkak të prishjes së orës biologjike – gjë që nuk është për t'u habitur, duke marrë parasysh se sa varet prej saj. Dhe nuk ka të bëjë vetëm me çrregullimet e gjumit; Ka prova që për shkak të problemeve me ritmet cirkadiane, gjasat rriten dhe se një orë e ndërprerë biologjike kontribuon në akumulimin - me të gjitha problemet metabolike që shoqërojnë.

Natyrisht, në lidhje me ritmet cirkadiane, ka ende shumë pyetje që lidhen me rregullimin dhe akordimin e tyre, me hierarkinë dhe marrëdhëniet e orëve nga organe dhe inde të ndryshme; më në fund, përveç ritmeve cirkadiane, ka edhe ato mujore dhe sezonale, dhe është e qartë se ato janë disi të lidhura me "kolegët" e tyre cirkadian.

Sidoqoftë, e gjithë kjo nuk e mohon faktin e qartë se Hall, Rosbash dhe Young zbuluan thelbin e thellë të një prej vetive më themelore të të gjithë organizmave të gjallë, dhe numri në rritje i artikujve mbi temën e orëve biologjike çdo ditë sugjeron që aktuale laureatët kanë arritur të krijojnë një drejtim të tërë në biologjinë moderne.

Si funksionon ora biologjike e trupit. Pse u dha Çmimi Nobel në Mjekësi në 2017?

Jeffrey Hall, Michael Rozbash dhe Michael Young website

Tre shkencëtarë amerikanë ndanë çmimin më të lartë shkencor për kërkimin e mekanizmit të orës së brendshme në organizmat e gjallë

Jeta në Tokë është përshtatur me rrotullimin e planetit tonë rreth Diellit. Për shumë vite ne kemi ditur për ekzistencën brenda organizmave të gjallë, duke përfshirë njerëzit, të orëve biologjike që ndihmojnë në parashikimin dhe përshtatjen me ritmin cirkadian. Por si funksionon saktësisht kjo orë? Gjenetikët dhe kronobiologët amerikanë ishin në gjendje të shikonin brenda këtij mekanizmi dhe të hidhnin dritë mbi funksionimin e tij të fshehur. Zbulimet e tyre shpjegojnë se si bimët, kafshët dhe njerëzit përshtatin ritmet e tyre biologjike për t'u sinkronizuar me ciklin ditor të rrotullimit të Tokës.

Duke përdorur mizat e frutave si organizma provë, fituesit e çmimit Nobel 2017 izoluan një gjen që kontrollon ritmin normal cirkadian në qeniet e gjalla. Ata treguan gjithashtu se si ky gjen kodon një proteinë që grumbullohet në qelizë gjatë natës dhe shpërbëhet gjatë ditës, duke e detyruar atë të ruajë këtë ritëm. Më pas, ata identifikuan përbërës shtesë të proteinave që kontrollojnë mekanizmin e orës vetë-qëndrueshme brenda qelizës. Dhe tani ne e dimë se ora biologjike funksionon sipas të njëjtit parim si brenda qelizave individuale ashtu edhe brenda organizmave shumëqelizorë, siç janë njerëzit.

Falë saktësisë së jashtëzakonshme, ora jonë e brendshme e përshtat fiziologjinë tonë në faza të tilla të ndryshme të ditës - mëngjes, pasdite, mbrëmje dhe natë. Kjo orë rregullon funksione të rëndësishme si sjelljen, nivelet e hormoneve, gjumin, temperaturën e trupit dhe metabolizmin. Mirëqenia jonë vuan kur mjedisi i jashtëm dhe ora e brendshme nuk janë të sinkronizuara. Një shembull është i ashtuquajturi jet lag, i cili ndodh midis udhëtarëve që lëvizin nga një zonë kohore në tjetrën, dhe më pas për një kohë të gjatë nuk mund të përshtaten me ndërrimin e ditës dhe natës. Ata flenë gjatë orëve të ditës dhe nuk mund të flenë gjatë errësirës. Sot ka edhe shumë dëshmi se një mospërputhje kronike mes stilit të jetesës dhe bioritmeve natyrore rrit rrezikun e sëmundjeve të ndryshme.

Ora jonë e brendshme nuk mund të mashtrohet

Eksperimenti i Komitetit të Nobelit Jean-Jacques d'Hortois de Mairan

Shumica e organizmave të gjallë përshtaten qartë me ndryshimet e përditshme mjedisore. Një nga të parët që vërtetoi praninë e kësaj përshtatjeje në shekullin e 18-të ishte astronomi francez Jean-Jacques d'Ortois de Mairan, ai vëzhgoi një shkurre mimoze dhe zbuloi se gjethet e saj ktheheshin për të ndjekur diellin gjatë ditës dhe mbylleshin Shkencëtari pyeti veten se çfarë do të ndodhte nëse bima do të gjendej në errësirë ​​të vazhdueshme, studiuesi zbuloi se, pavarësisht nga prania e dritës së diellit, gjethet e mimozës eksperimentale vazhdojnë të kryejnë çdo ditë. lëvizjet Siç doli, bimët kanë orën e tyre të brendshme.

Hulumtimet më të fundit kanë treguar se jo vetëm bimët, por edhe kafshët dhe njerëzit i nënshtrohen një ore biologjike që ndihmon në përshtatjen e fiziologjisë sonë ndaj ndryshimeve të përditshme. Ky përshtatje quhet ritmi cirkadian. Termi vjen nga fjalët latine circa - "rreth" dhe vdes - "ditë". Por saktësisht se si funksionon kjo orë biologjike ka mbetur një mister prej kohësh.

Zbulimi i "gjenit të orës"

Në vitet 1970, fizikani, biologu dhe psikogjenetisti amerikan Seymour Benzer, së bashku me studentin e tij Ronald Konopka, hetuan nëse ishte e mundur të izoloheshin gjenet që kontrollojnë ritmin cirkadian në mizat e frutave. Shkencëtarët ishin në gjendje të tregonin se mutacionet në një gjen të panjohur për ta prishin këtë ritëm tek insektet eksperimentale. Ata e quajtën atë gjen periodik. Por si ndikoi ky gjen në ritmin cirkadian?

Fituesit e çmimit Nobel 2017 kryen eksperimente edhe me mizat e frutave. Qëllimi i tyre ishte zbulimi i mekanizmit të orës së brendshme. Në vitin 1984, Jeffrey Hall dhe Michael Rozbash, të cilët punuan ngushtë së bashku në Universitetin Brandeis në Boston dhe Michael Young në Universitetin Rockefeller në Nju Jork, izoluan me sukses gjenin periodik. Hall dhe Rozbash më pas zbuluan se proteina PER e koduar nga ky gjen grumbullohet në qeliza gjatë natës dhe shkatërrohet gjatë ditës. Kështu, niveli i kësaj proteine ​​luhatet gjatë një cikli 24-orësh në sinkron me ritmin cirkadian. U zbulua "lavjerrësi" i orës së brendshme qelizore.

Mekanizmi i orës vetë-rregulluese

Një diagram i thjeshtuar i punës së proteinave në qelizë që rregullojnë ritmin cirkadian Komiteti Nobel

Qëllimi tjetër kryesor ishte të kuptonim se si mund të lindnin dhe të ruheshin këto lëkundje qarkore. Hall dhe Rozbash sugjeruan që proteina PER bllokon aktivitetin e gjenit të periodës gjatë ciklit ditor. Ata besonin se, përmes një cikli reagimi frenues, proteina PER mund të pengonte periodikisht sintezën e saj dhe në këtë mënyrë të rregullonte nivelet e saj në një ritëm të vazhdueshëm ciklik.

Për të ndërtuar këtë model kurioz, mungonin vetëm disa elementë. Për të bllokuar aktivitetin e një gjeni periodik, proteina PER e prodhuar në citoplazmë duhet të arrijë në bërthamën e qelizës, ku gjendet materiali gjenetik. Eksperimentet e Hall dhe Rozbash treguan se kjo proteinë në fakt grumbullohet në bërthamë gjatë natës. Por si arrin ai atje? Kësaj pyetjeje iu përgjigj në vitin 1994 Michael Young, i cili zbuloi "gjenin e orës" të dytë kyç, i cili kodon proteinën TIM të nevojshme për të mbajtur një ritëm normal cirkadian. Në një punë të thjeshtë dhe elegante, ai tregoi se kur TIM lidhet me PER, dy proteinat janë në gjendje të hyjnë në bërthamën e qelizës, ku në fakt bllokojnë funksionin e gjenit të periudhës për të mbyllur qarkun e reagimit frenues.

Ky mekanizëm rregullator shpjegoi se si ndodhi kjo luhatje në nivelet e proteinave qelizore, por nuk iu përgjigj të gjitha pyetjeve. Për shembull, ishte e nevojshme të përcaktohet se çfarë kontrollon frekuencën e luhatjeve ditore. Për të zgjidhur këtë problem, Michael Young izoloi një gjen tjetër që kodon proteinën DBT, e cila vonon akumulimin e proteinës PER. Kështu, u arrit të kuptohej se si rregullohet kjo lëkundje në mënyrë që të përkojë sa më afër me ciklin 24-orësh.

Këto zbulime të bëra nga laureatët e sotëm qëndrojnë në themel të parimeve kyçe të funksionimit të orës biologjike. Më pas, u zbuluan përbërës të tjerë molekularë të këtij mekanizmi. Ata shpjegojnë qëndrueshmërinë e funksionimit të tij dhe parimin e funksionimit. Për shembull, Hall, Rozbash dhe Young zbuluan proteina shtesë të nevojshme për të aktivizuar gjenin e periodave, si dhe një mekanizëm me anë të të cilit drita e ditës sinkronizon orën e trupit.

Ndikimi i ritmeve cirkadiane në jetën e njeriut

Komiteti Nobel i ritmit cirkadian njerëzor

Ora biologjike është e përfshirë në shumë aspekte të fiziologjisë sonë komplekse. Tani e dimë se të gjithë organizmat shumëqelizorë, përfshirë njerëzit, përdorin mekanizma të ngjashëm për të kontrolluar ritmet cirkadiane. Shumica e gjeneve tona rregullohen nga ora biologjike, kështu që një ritëm cirkadian i akorduar me kujdes e përshtat fiziologjinë tonë me fazat e ndryshme të ditës. Falë punës kryesore të tre fituesve të sotëm të çmimit Nobel, biologjia cirkadiane është rritur në një fushë të gjerë dhe dinamike kërkimi që shqyrton ndikimin e ritmeve cirkadiane në shëndetin dhe mirëqenien tonë. Dhe ne morëm një konfirmim tjetër se është akoma më mirë të flesh natën, edhe nëse je një buf nate i padurueshëm. Është më e shëndetshme.

Referenca

Geoffrey Hall– lindur më 1945 në Nju Jork, SHBA. Ai mori doktoraturën në vitin 1971 nga Universiteti i Uashingtonit (Seattle, Washington). Deri në vitin 1973, ai shërbeu si profesor në Institutin e Teknologjisë në Kaliforni (Pasadena, Kaliforni). Që nga viti 1974 ai punon në Universitetin Brandeis (Waltham, Massachusetts). Në vitin 2002, ai filloi bashkëpunimin me Universitetin e Maine.

Michael Rozbash– lindur më 1944 në Kansas City, SHBA. Ka përfunduar doktoraturën në Institutin e Teknologjisë në Masaçusets (Cambridge, Massachusetts). Për tre vitet e ardhshme ai ishte student i doktoraturës në Universitetin e Edinburgut në Skoci. Që nga viti 1974 ai punon në Universitetin Brandeis (Waltham, Massachusetts).

Michael Young– lindur më 1949 në Miami, SHBA. Studimet e doktoraturës i kreu në Universitetin e Teksasit (Austin, Teksas) në vitin 1975. Deri në vitin 1977 ka kryer studimet postdoktorale në Universitetin e Stanfordit (Palo Alto, Kaliforni). Në vitin 1978 ai iu bashkua fakultetit të Universitetit Rockefeller në Nju Jork.

Përkthim i materialeve nga Akademia Mbretërore Suedeze e Shkencave.

Më 2 tetor 2017, Komiteti Nobel shpalli emrat e laureatëve të Çmimit Nobel 2017 në fiziologji ose mjekësi. 9 milionë korona suedeze do të ndahen në mënyrë të barabartë nga biologët amerikanë Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash dhe Michael W. Young për zbulimin e tyre të mekanizmit molekular të orës biologjike, domethënë të ritmit qarkullues pafundësisht të lakuar të jetës së organizmave, duke përfshirë njerëz.

Gjatë miliona viteve, jeta është përshtatur me rrotullimin e planetit. Prej kohësh dihet se ne kemi një orë të brendshme biologjike që parashikon dhe përshtatet me kohën e ditës. Në mbrëmje dua të bie në gjumë, dhe në mëngjes dua të zgjohem. Hormonet lëshohen në gjak në mënyrë rigoroze sipas një plani, dhe aftësitë/sjellja e një personi - koordinimi, shpejtësia e reagimit - varen gjithashtu nga koha e ditës. Por si funksionon kjo orë e brendshme?

Zbulimi i orës biologjike i atribuohet astronomit francez Jean-Jacques de Meran, i cili në shekullin e 18-të vuri re se mimoza largohet drejt Diellit gjatë ditës dhe mbyllet gjatë natës. Ai pyeste veten se si do të sillej bima nëse vendosej në errësirë ​​të madhe. Doli se edhe në errësirë, mimoza ndoqi planin - ishte sikur të kishte një orë të brendshme.

Më vonë, bioritme të tilla u gjetën në bimë, kafshë dhe njerëz të tjerë. Pothuajse të gjithë organizmat e gjallë në planet reagojnë ndaj Diellit: ritmi cirkadian është i ndërtuar fort në jetën tokësore, në metabolizmin e gjithë jetës në planet. Por si funksionon ky mekanizëm mbeti mister.

Laureatët e Nobelit izoluan një gjen që kontrollon ritmin ditor biologjik në mizat e frutave (njerëzit dhe mizat kanë shumë gjene të përbashkëta për shkak të pranisë së paraardhësve të përbashkët). Ata e bënë zbulimin e tyre të parë në 1984. Gjeni i zbuluar u emërua periudhë.

gjen periudhë kodifikon proteinën PER, e cila grumbullohet në qeliza gjatë natës dhe shkatërrohet gjatë ditës. Përqendrimi i proteinës PER ndryshon sipas një programi 24-orësh në përputhje me ritmin cirkadian.

Ata më pas identifikuan komponentë shtesë të proteinës dhe zbuluan plotësisht mekanizmin e vetë-mjaftueshëm ndërqelizor të ritmit cirkadian - në këtë përgjigje unike, proteina PER bllokon aktivitetin e gjenit. periudhë, domethënë, PER bllokon sintezën e vetvetes, por gradualisht shkatërrohet gjatë gjithë ditës (shih diagramin e mësipërm). Ky është një mekanizëm i vetë-mjaftueshëm që qarkullon pafundësisht. Ajo funksionon në të njëjtin parim në organizmat e tjerë shumëqelizorë.

Pas zbulimit të gjenit, proteinës përkatëse dhe mekanizmit të përgjithshëm të orës së brendshme, disa pjesë të tjera të enigmës mungonin. Shkencëtarët e dinin se proteina PER grumbullohet në bërthamën e qelizës gjatë natës. Ata gjithashtu e dinin se ARNi përkatëse prodhohet në citoplazmë. Nuk ishte e qartë se si proteina kalon nga citoplazma në bërthamën e qelizës. Në vitin 1994, Michael Young zbuloi një gjen tjetër pa kohë, e cila kodon proteinën TIM, gjithashtu e nevojshme për funksionimin normal të orës së brendshme. Ai vërtetoi se nëse TIM i bashkëngjitet PER, atëherë një palë proteina mund të depërtojnë në bërthamën e qelizës, ku bllokojnë aktivitetin e gjeneve. periudhë, duke mbyllur kështu ciklin e pafund të prodhimit të proteinës PER.

Rezulton se ky mekanizëm përshtat orën tonë të brendshme me kohën e ditës me saktësi të shkëlqyer. Ai rregullon funksione të ndryshme kritike të trupit, duke përfshirë sjelljen e njeriut, nivelet e hormoneve, gjumin, temperaturën e trupit dhe metabolizmin. Një person nuk ndihet mirë nëse ka një mospërputhje të përkohshme midis kushteve të jashtme dhe orës së tij të brendshme biologjike, për shembull, kur udhëton në distanca të gjata në zona të ndryshme kohore. Ekzistojnë gjithashtu prova që mospërputhja kronike midis stilit të jetesës dhe orës së trupit lidhet me një rrezik në rritje të sëmundjeve të ndryshme, duke përfshirë diabetin, obezitetin, kancerin dhe sëmundjet kardiovaskulare.

Më vonë, Michael Young identifikoi një gjen tjetër dyfish, që kodon proteinën DBT, e cila ngadalëson akumulimin e proteinës PER në qelizë dhe lejon trupin të përshtatet më saktë me ditën 24-orëshe.

Në vitet e mëvonshme, laureatët aktualë të Nobelit kanë ndriçuar më në detaje përfshirjen e komponentëve të tjerë molekularë në ritmin cirkadian, ata kanë gjetur proteina shtesë që janë të përfshira në aktivizimin e gjeneve periudhë, dhe zbuloi gjithashtu mekanizmat se si drita ndihmon në sinkronizimin e orës biologjike me kushtet e jashtme të mjedisit.

Nga e majta në të djathtë: Michael Rozbash, Michael Young, Geoffrey Hall

Hulumtimi në mekanizmin e orës së brendshme është larg nga përfundimi. Ne njohim vetëm pjesët kryesore të mekanizmit. Biologjia cirkadiane - studimi i orës së brendshme dhe ritmit cirkadian - është shfaqur si një zonë e veçantë kërkimore me zhvillim të shpejtë. Dhe e gjithë kjo ndodhi falë tre fituesve aktualë të çmimit Nobel.

Ekspertët kanë diskutuar për disa vite që mekanizmi molekular i ritmeve cirkadiane do të fitonte çmimin Nobel - dhe tani kjo ngjarje më në fund ka ndodhur.

Pra, për ata njerëz që merren me shkencë ose flasin e shkruajnë për të, ka ardhur java më e rëndësishme e vitit. Tradicionalisht, në javën e parë të tetorit, Komiteti Nobel shpall laureatët e Çmimit Nobel. Dhe tradicionalisht, ne jemi të parët që njohim laureatët e çmimit në fiziologji ose mjekësi (po, për disa arsye në rusisht ky bashkim është shndërruar në "dhe", por saktë - ose njëra ose tjetra).

Në vitin 2017, Instituti Karolinska, i cili i jep këto çmime, i befasoi të gjithë. Nuk është sekret që shumë ekspertë dhe agjenci bëjnë profeci dhe parashikime për laureatët. Këtë vit, për herë të parë, agjencia Clarivate Analytics, e cila u nda nga agjencia Thomson Reyters, bëri parashikime. Në fushën e mjekësisë, ata parashikuan fitoren për Lewis Cantlie për zbulimin e një proteine ​​që është përgjegjëse për zhvillimin e kancerit dhe diabetit, Karl Friston për teknikat e neuroimazhit dhe bashkëshortët Yuan Chan dhe Patrick Moore për zbulimin e virusit herpes. që shkakton sarkomën e Kaposit.

Megjithatë, papritur për të gjithë, tre amerikanë morën çmimin (i cili nuk ishte aspak i papritur) për zbulimin e mekanizmave molekularë të ritmeve cirkadiane - orët e brendshme molekulare të njerëzve, kafshëve dhe bimëve. Po, pothuajse të gjitha qeniet e gjalla. E njëjta gjë që quhet bioritme.

Çfarë zbuluan Michael Young nga Universiteti Rockefeller në Nju Jork, Michael Rosbash nga Universiteti Brandeis dhe Jeffrey Hall nga Universiteti i Maine?

Për të filluar, le të themi se ata NUK zbuluan ritme cirkadiane (nga latinishtja circa - rreth dhe diem - ditë). Lëvizjet e para për këtë u shfaqën në kohët e lashta (dhe nuk është për t'u habitur, ne të gjithë jemi zgjuar gjatë ditës dhe flemë natën). Gjeni përgjegjës për funksionimin e orës së brendshme gjithashtu nuk u zbulua nga heronjtë tanë. Kjo seri eksperimentesh u krye mbi mizat e frutave nga Seymour Benzer dhe Ronald Konopka. Ata ishin në gjendje të gjenin miza mutante në të cilat kohëzgjatja e ritmeve cirkadiane nuk ishte 24 orë, si ato që jetonin në natyrë (ose si njerëzit), por 19 ose 29 orë, ose nuk u vëzhguan fare ritme cirkadiane. Ishin ata që zbuluan gjenin e periudhës, i cili "sundon" ritmet. Por mjerisht, Benzer vdiq në 2007, Konopka në 2015, pa pritur çmimin Nobel. Kjo ndodh shpesh në shkencë.

Pra, vetë gjeni i periodës, ose PER, kodon proteinën PER, e cila drejton orkestrën e ritmeve cirkadiane. Por si e bën ai këtë dhe si arrihet natyra ciklike e të gjitha proceseve? Hall dhe Rosbash propozuan një hipotezë sipas së cilës proteina PER hyn në bërthamën e qelizës dhe bllokon punën e gjenit të vet (siç kujtojmë, gjenet janë thjesht udhëzime për grumbullimin e proteinave. Një gjen - një proteinë). Por si ndodh kjo? Jeffrey Hall dhe Michael Rosbash treguan se proteina PER grumbullohet në bërthamën e qelizës gjatë natës dhe përdoret gjatë ditës, por ata nuk e kuptuan se si arriti të arrinte atje. Dhe pastaj laureati i tretë, Michael Young, erdhi në shpëtim. Në vitin 1994, ai zbuloi një gjen tjetër, të përjetshëm, i cili gjithashtu kodon një proteinë - TIM. Ishte Young ai që tregoi se PER mund të hyjë në bërthamën e qelizës vetëm duke u kombinuar me proteinën TIM.

Pra, le të përmbledhim zbulimin e parë: Kur gjeni i periodës është aktiv, e ashtuquajtura ARN mesazhere e proteinës PER prodhohet në bërthamë, e cila, si model, do të prodhojë proteina në ribozom. Kjo ARN lajmëtare del nga bërthama në citoplazmë, duke u bërë shabllon për prodhimin e proteinës PER. Pastaj laku mbyllet: proteina PER grumbullohet në bërthamën e qelizës kur aktiviteti i gjenit të periodës bllokohet. Më pas, Young zbuloi një gjen tjetër, doubletime, i cili kodon proteinën DBT, e cila mund të "akordojë" akumulimin e proteinës PER, duke e zhvendosur atë në kohë. Është falë kësaj që ne mund të përshtatemi me ndryshimet në zonën kohore dhe gjatësinë e ditës dhe natës. Por - nëse e ndryshojmë ditën në natë shumë shpejt, ketri nuk mund të mbajë hapin me aeroplanin reaktiv dhe ndodh vonesa në avion.

Duhet theksuar se çmimi i vitit 2017 është çmimi i parë në 117 vite që në një farë mënyre lidhet me ciklin gjumë-zgjim. Përveç zbulimit të Benzer dhe Konopka, studiues të tjerë të ritmeve cirkadiane dhe proceseve të gjumit nuk morën çmimet e tyre, si një nga themeluesit e kronobiologjisë Patricia DeCorsi, zbuluesi i fazës "të shpejtë" të gjumit Eugene Azerinsky, një nga baballarët e somnologjisë Nathaniel Kleitman... Pra, si mund ta quajmë aktual Vendimi i Komitetit të Nobelit është domethënës për të gjithë ata që punojnë në këtë fushë.

Jeta në Tokë i bindet një ritmi që përcakton rrotullimin e planetit rreth vetes dhe rreth Diellit. Shumica e organizmave të gjallë kanë "orë" të brendshëm - mekanizma që i lejojnë ata të jetojnë në përputhje me këtë ritëm. Hall, Rosbash dhe Young shikuan në kafaz dhe panë se si funksiononte ora biologjike.

Mizat Drosophila shërbyen si organizma model. Gjenetikët kanë arritur të identifikojnë një gjen që kontrollon ritmin e jetës së insekteve. Doli se ai kodon një proteinë që grumbullohet në qeliza gjatë natës dhe përdoret ngadalë gjatë ditës. Më vonë, u zbuluan disa proteina të tjera që përfshihen në rregullimin e ritmeve cirkadiane. Tashmë është e qartë për biologët se mekanizmi që rregullon rutinën e përditshme është i njëjtë në të gjithë organizmat e gjallë, nga bimët te njerëzit. Ky mekanizëm kontrollon aktivitetin, nivelet e hormoneve, temperaturën e trupit dhe metabolizmin, të cilat ndryshojnë në varësi të kohës së ditës. Që nga zbulimet e Hall, Rosbash dhe Young, janë shfaqur shumë të dhëna se si devijimet e papritura ose të vazhdueshme në stilin e jetesës nga ato të vendosura nga "ora biologjike" mund të jenë të rrezikshme për shëndetin.

Dëshmia e parë që krijesat e gjalla kanë një "ndjenjë të kohës" u shfaqën në shekullin e 18-të: atëherë natyralisti francez Jean Jacques d'Hortu de Mairan tregoi se mimoza vazhdon të hapë lulet e saj në mëngjes dhe mbyllet në mbrëmje, madje edhe duke qenë në errësira rreth orës Hulumtimet e mëtejshme treguan se jo vetëm bimët, por edhe kafshët, duke përfshirë njerëzit, ndiejnë kohën e ditës. rreth- rrethi dhe vdes- ditë.

Në vitet 70 të shekullit të kaluar, Seymour Benzer dhe studenti i tij Ronald Konopka gjetën një gjen që kontrollon ritmet cirkadiane në Drosophila dhe përcaktuan periudhën e tij. Në vitin 1984, Jeffrey Hall dhe Michael Rosbash, duke punuar në Universitetin Brandelis në Boston dhe Michael Young në Universitetin Rockefeller të Nju Jorkut, izoluan gjenin. periudhë, dhe më pas Hall dhe Rosbash kuptuan se çfarë bën proteina e koduar në të, PER - dhe ajo grumbullohet në qelizë gjatë natës dhe kalon gjithë ditën, kështu që ju mund të gjykoni kohën e ditës nga përqendrimi i saj.

Ky sistem, siç sugjerohet nga Hall dhe Rosbash, rregullon veten: proteina PER bllokon aktivitetin e gjenit të periodës, kështu që sinteza e proteinave ndalon sapo ka shumë prej saj dhe rifillon pasi proteina konsumohet. E tëra që mbeti ishte t'i përgjigjem pyetjes se si proteina futet në bërthamën e qelizës - në fund të fundit, vetëm atje mund të ndikojë në aktivitetin e gjenit.

Në vitin 1994, Young zbuloi një gjen të dytë të rëndësishëm për ritmet cirkadiane, të përjetshëm, i cili kodon proteinën TIM, e cila ndihmon proteinën PER të kalojë membranën bërthamore dhe të bllokojë gjenin e periodës. Një tjetër gjen dyfish, rezultoi të jetë përgjegjëse për proteinën DBT, e cila ngadalëson akumulimin e proteinës PER – në mënyrë që cikli i sintezës së saj dhe pauzat mes tyre të zgjasë për 24 orë. Në vitet pasuese, u zbuluan shumë gjene dhe proteina të tjera - pjesë të mekanizmit delikate të "orës biologjike", duke përfshirë ato që ju lejojnë të "përkulni duart" - proteina, aktiviteti i të cilave varet nga ndriçimi.

Ritmet cirkadiane rregullojnë aspekte të ndryshme të jetës së trupit tonë, duke përfshirë në nivelin gjenetik: disa gjene janë më aktivë gjatë natës, disa gjatë ditës. Falë zbulimeve të laureatëve të vitit 2017, biologjia e ritmeve cirkadiane është rritur në një disiplinë të gjerë shkencore; Çdo vit, dhjetëra punime shkencore shkruhen për mënyrën se si funksionon "ora biologjike" në specie të ndryshme, përfshirë njerëzit.