Нобелевская премия по биологии биологические часы. Циркадианные ритмы: медицинское значение ритмов. Лечение сбоя циркадного ритма
Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2017 г. присуждена за открытие генов, определяющих работу биологических часов – внутриклеточного механизма, который управляет циклическими колебаниями биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи. Суточные или присущи всем живым организмам, от цианобактерий до высших животных.
Безусловно, любой научный результат, получивший такое мировое признание, опирается на достижения предшественников. Впервые представление о биологических часах возникло еще в XVII в., когда французский астроном Жан Жак де Меран обнаружил, что суточный ритм движения листьев растений не исчезает даже в темноте: он жестко «запрограммирован», а не обусловлен действием окружающей среды.
С этого момента и началось изучение феномена биологических часов. Оказалось, что почти во всех живых организмах протекают циклические процессы с суточным или околосуточным периодом. И даже при отсутствии главного внешнего фактора синхронизации – смены дня и ночи, организмы продолжают жить по суточному ритму, хотя период этого ритма может быть больше/меньше продолжительности суток в зависимости от индивидуальных особенностей.
Генетическая основа биологических часов была впервые установлена в 1970-х гг., когда у плодовой мушки был открыт ген Per (от period). Авторы этого открытия, Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института, провели масштабный эксперимент, работая с сотнями лабораторных линий мух, полученных с помощью химического мутагенеза. Ученые заметили, что при одинаковом периоде освещения у некоторых мух период суточного ритма сна и бодрствования становился либо существенно меньше обычных суток (19 ч), либо больше (28 ч); кроме того, была обнаружена «аритмиков» с полностью асинхронным циклом. Пытаясь идентифицировать гены, контролирующие циркадный ритм у дрозофил, ученые продемонстрировали, что нарушения этого ритма связаны с мутациями неизвестного гена или группы генов.
Таким образом будущие лауреаты Нобелевской премии Холл, Росбаш и Янг уже имели в своем распоряжении линии мух с генетически обусловленными изменениями периода сна и бодрствования. В 1984 г. эти ученые выделили и секвенировали искомый ген Per и выяснили, что уровень кодируемого им белка меняется с суточной периодичностью, достигая пика в ночное время и снижаясь днем.
Это открытие дало новый толчок к исследованиям, цель которых – понять, почему механизмы циркадных ритмов работают именно так, а не иначе, почему у разных индивидуумов суточный период может различаться, но при этом оказывается устойчив к действию внешних факторов, таких как температура (Pittendrich, 1960). Так, работы, выполненные на цианобактериях (сине-зеленых водорослях), показали, что с повышением температуры на 10 ºС суточный период их циклических метаболических процессов меняется всего на 10–15%, тогда как по законам химической кинетики это изменение должно быть больше почти на порядок! Этот факт стал настоящим вызовом, так как все биохимические реакции должны подчиняться правилам химической кинетики.
Сейчас ученые сошлись во мнении, что ритм циклических процессов остается достаточно стабильным потому, что суточный цикл определяется не одним геном. В 1994 г. Янг открыл у дрозофилы ген Tim, кодирующий белок, участвующий в регуляции уровня белка PER по принципу обратной связи. При повышении температуры возрастает наработка не только белков, участвующих в формировании циркадного цикла, но и других белков, которые его тормозят, в результате работа биологических часов не сбивается.
У млекопитающих открыто целое семейство генов циркадных генов – Bmal1, Clock, Cry1-2, Per1-3, механизм работы которых подчиняется принципу обратной связи. Белки BMAL1 и CLOCK активируют гены Per и Cry, в результате чего синтезируются белки PER и CRY. Когда этих белков становится много, они начинают подавлять активность BMAL1 и CLOCK, тем самым снижая свой синтез. Когда количество белков PER и CRY снижается до определенного уровня, вновь активируются BMAL1 и CLOCK. Цикл продолжаетсяБазовые механизмы циркадных ритмов на сегодня достаточно изучены, хотя многие детали так и остались необъясненными. Так, непонятно, каким образом в одном организме могут одновременно сосуществовать несколько «часов»: как реализуются процессы, идущие с разным периодом? Например, в экспериментах, когда люди жили в помещениях или в пещере, не получая информации о смене дня и ночи, их температура тела, секреция стероидных гормонов и другие физиологические параметры циклировали с периодом около 25 ч. При этом периоды сна и бодрствования могли варьировать от 15 до 60 ч. (Wever, 1975).
Изучение циркадных ритмов важно и для понимания функционирования организма в экстремальных условиях, например, в Арктике, где в условиях полярного дня и ночи не действуют естественные факторы синхронизации суточных ритмов. Существуют убедительные данные, что при долгом пребывании в таких условиях у человека существенно изменяются суточные ритмы целого ряда функций (Мошкин, 1984). Сейчас мы осознаем, что этот фактор может заметно влиять на здоровье человека, и знания о молекулярной основе циркадных ритмов должны помочь при определении вариантов генов, которые будут «полезны» при работе в полярных условиях.
Но знания о биоритмах важны не только для полярников. Циркадные ритмы влияют на наши обменные процессы, работу иммунной системы и процесс воспаления, на кровяное давление, температуру тела, функции мозга и многое другое. От времени суток зависит эффективность некоторых лекарств и их побочные эффекты. При вынужденном несоответствии внутренних и внешних «часов» (например, из-за широтного перелета или работы в ночную смену) могут наблюдаться разнообразные дисфункции организма, от расстройства желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистой системы до депрессии, при этом также повышается риск развития онкологических заболеваний.
Литература
PITTENDRIGH C.S. Circadian rhythms and the circadian organization of living systems.Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960;25:159-84.
Wever, R. (1975). "The circadian multi-oscillator system of man". Int J Chronobiol. 3 (1): 19–55.
Мошкин М.П. Влияние естественного светового режима на биоритмы полярников // Физиология человека. 1984, 10(1): 126-129.
Подготовила Татьяна Морозова
Все живые существа на Земле - от растений до высших млекопитающих - подчиняются суточным ритмам. У человека в зависимости от времени суток циклически меняются физиологическое состояние, интеллектуальные возможности и даже настроение. Ученые доказали, что виной тому колебания концентраций гормонов в крови. В последние годы в науке о биоритмах, хронобиологии было сделано многое, чтобы установить механизм возникновения суточных гормональных циклов. Ученые обнаружили в головном мозге "циркадный центр", а в нем - так называемые "часовые гены" биологических ритмов здоровья.
ХРОНОБИОЛОГИЯ - НАУКА О СУТОЧНЫХ РИТМАХ ОРГАНИЗМА
В 1632 году английский естествоиспытатель Джон Врен в своем "Трактате о травах" ("Herbal Treatise") впервые описал дневные циклы тканевых жидкостей в организме человека, которые он, следуя терминоло гии Аристотеля, назвал "гуморы" (лат. humor - жидкость). Каждый из "приливов" тканевой жидкости, по мнению Врена, длился шесть часов. Гуморальный цикл начинался в девять часов вечера выделением первой гуморы желчи - "сhole" (греч. cholе - желчь) и продолжался до трех утра. Затем наступала фаза черной желчи - "melancholy" (греч. melas - черный, chole - желчь), за которой следовала флегма - "phlegma" (греч. phlegma - слизь, мокрота), и, наконец, четвертая гумора - кровь.
Конечно, соотнести гуморы с известными ныне физиологическими жидкостями и тканевыми секретами невозможно. Современная медицинская наука никакой связи физиологии с мист ическими гуморами не признает. И все же описанные Вреном закономерности смены настроений, интеллектуальных возможностей и физического состояния имеют вполне научную основу. Наука, изучающая суточные ритмы организма, называется хронобиологией (греч. chronos - время). Ее основные понятия сформулиро вали выдающиеся немецкий и американский ученые профессора Юрген Ашофф и Колин Питтендриг, которых в начале 80-х годов прошлого века даже выдвигали на соискание Нобелевской премии. Но высшую научную награду они, к сожалению, так и не получили.
Главное понятие хронобиологии - дневные циклы, длительность которых периодична - около (лат. circa ) дня (лат. dies ). Поэтому сменяющие друг друга дневные циклы называются циркадными ритмами. Эти ритмы напрямую связаны с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и человека.
Каждому из нас известен циркадный цикл "бодрствование - сон". В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую Питтендриг предложил назвать "правилом Ашоффа". Под этим названием оно вошло в хронобиологию и историю науки. Правило гласит: "У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как впоследствии установил Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма.
ГОРМОНЫ И БИОРИТМЫ
В течение циркадного дня (бодрствования) наша физиология в основном настроена на переработку накопленных питательных веществ, чтобы получить энерги ю для активной дневной жизни. Напротив, во время циркадной ночи питательные вещества накапливаются, происходят восстановление и "починка" тканей. Как оказалось, эти изменения в интенсивности обмена веществ регулируются эндокринной системой, то есть гормонами. В том, как работает эндокринный механизм управления циркадными циклами, есть много общего с гуморальной теор ией Врена.
Вечером, перед наступлением ночи, в кровь из так называемого верхнего мозгового придатка - эпифиза выделяется "гормон ночи" - мелатонин. Это удивительное вещество производится эпифизом только в темное время суток, и время его присутствия в крови прямо пропорционально длительности световой ночи. В ряде случаев бессонница у пожилых людей связана с недостаточностью секреции мелатонина эпифизом. Препараты мелатонина часто используют в качестве снотворных.
Мелатонин вызывает снижение температуры тела, кроме того, он регулирует продолжительность и смену фаз сна. Дело в том, что человеческий сон представляет собой чередование медленноволновой и парадоксальной фаз. Медленноволновый сон характеризуется низкочастотной активностью коры полушарий. Это - "сон без задних ног", время, когда мозг полностью отдыхает. Во время парадоксального сна частота колебаний электрической активности мозга повышается, и мы видим сны. Эта фаза близка к бодрствованию и служит как бы "трамплином" в пробуждение. Медленноволновая и парадоксальная фазы сменяют одна другую 4-5 раз за ночь, в такт изменениям концентрации мелатонина.
Наступление световой ночи сопровождается и другими гормональными изменениями: повышается выработка гормона роста и снижается выработка адренокортикотропного гормона (АКТГ) другим мозговым придатком - гипофизом. Гормон роста стимулирует анаболические процессы, например размножение клеток и накопление питательных веществ (гликогена) в печени. Не зря говорят: "Дети растут во сне". АКТГ вызывает выброс в кровь адреналина и других "гормонов стресса" (глюкокортикоидов) из коры надпочечников, поэтому снижение его уровня позволяет снять дневное возбуждение и мирно заснуть. В момент засыпания из гипофиза выделяются опиоидные гормоны, обладающие наркотическим действием, - эндорфины и энкефалины. Именно поэтому процесс погружения в сон сопровождается приятными ощущениями.
Перед пробуждением здоровый организм должен быть готов к активному бодрствованию, в это время кора надпочечников начинает вырабатывать возбуждающие нервную систему гормоны - глюкокортикоиды. Наиболее активный из них - кортизол, который приводит к повышению давления, учащению сердечных сокращений, повышению тонуса сосудов и снижению свертываемости крови. Вот почему клиническая статистика свидетельствует о том, что острые сердечные приступы и внутримозговые геморрагические инсульты в основном приходятся на раннее утро. Сейчас разрабатываются препараты, снижающие артериальное давление, которые смогут достигать пика концентрации в крови только к утру, предотвращая смертельно опасные приступы.
Почему некоторые люди встают "ни свет, ни заря", а другие не прочь поспать до полудня? Оказывается, известному феномену "сов и жаворонков" есть вполне научное объяснение, которое базируется на работах Жэми Зейцер из Исследовательского центра сна (Sleep Research Center) Станфордского университета в Калифорнии. Она установила, что минимальная концентрация кортизола в крови обычно приходится на середину ночного сна, а ее пик достигается перед пробуждением. У "жаворонков" максимум выброса кортизола происходит раньше, чем у большинства людей, - в 4-5 часов утра. Поэтому "жаворонки" более активны в утренние часы, но быстрее утомляются к вечеру. Их обычно рано начинает клонить ко сну, поскольку гормон сна - мелатонин поступает в кровь задолго до полуночи. У "сов" ситуация обратная: мелатонин выделяется позже, ближе к полуночи, а пик выброса кортизола сдвинут на 7-8 часов утра. Указанные временные рамки сугубо индивидуальны и могут варьировать в зависимости от выраженности утреннего ("жаворонки") или вечернего ("совы") хронотипов.
"ЦИРКАДНЫЙ ЦЕНТР" НАХОДИТСЯ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
Что же это за орган, который управляет циркадными колебаниями концентрации гормонов в крови? На этот вопрос ученые долгое время не могли найти ответ. Но ни у кого из них не возникало сомнений, что "циркадный центр" должен находиться в головном мозге. Его существование предсказывали и основатели хронобиологии Ашофф и Питтендриг. Внимание физиологов привлекла давно известная анатомам структура головного мозга - супрахиазматическое ядро, расположенное над (лат. super ) перекрестом (греч. chiasmos ) зрительных нервов. Оно имеет сигарообразную форму и состоит, например, у грызунов всего из 10 000 нейрон ов, что очень немного. Другое же, близко расположенное от него, ядро, параветрикулярное, содержит сотни тысяч нейрон ов. Протяженность супрахиазматического ядра также невелика - не более половины миллиметра, а объем - 0,3 мм 3 .
В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе диаметром 30 см пробегают 15-20 км за день! По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.
Супрахиазматическое ядро - структура уникальная. Если ее удалить из мозга грызунов и поместить в "комфортные условия" с теплой питательной средой, насыщенной кислородом, то несколько месяцев в нейрон ах ядра будут циклически меняться частота и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки различных сигнальных молекул - нейротрансмиттеров, передающих нервный импульс с одной клетки на другую.
Что помогает супрахиазматическому ядру сохранять такую стабильную цикличность? Нейрон ы в нем очень плотно прилегают друг к другу, формируя большое количество межклеточных контактов (синапс ов). Благодаря этому изменения электрической активности одного нейрон а мгновенно передаются всем клеткам ядра, то есть происходит синхронизация деятельности клеточной популяции. Помимо этого, нейрон ы супрахиазматического ядра связаны особым видом контактов, которые называются щелевыми. Они представляют собой участки мембран соприкасающихся клеток, в которые встроены белковые трубочки, так называемые коннексины. По этим трубочкам из одной клетки в другую движутся потоки ионов, что также синхронизирует "работу" нейрон ов ядра. Убедительные доказательства такого механизма представил американский профессор Барри Коннорс на ежегодном съезде нейробиологов "Neuroscience-2004", прошедшим в октябре 2004 года в Сан-Диего (США).
По всей вероятности, супрахиазматическое ядро играет большую роль в защите организма от образования злокачественных опухолей. Доказательство этого в 2002 году продемонстрировали французские и британские исследователи под руководством профессоров Франсис Леви и Майкла Гастингса. Мышам с разрушенным супрахиазматическим ядром прививали раковые опухоли костной ткани (остеосаркома Глазго) и поджелудочной железы (аденокарцинома). Оказалось, что у мышей без "циркадного центра" скорость развития опухолей в 7 раз выше, чем у их обычных собратьев. На связь между нарушениями циркадной ритмики и онкологическими заболеваниями у человека указывают и эпидемиологические исследования. Они свидетельствуют о том, что частота развития рака груди у женщин, длительно работающих в ночную смену, по разным данным, до 60% выше, чем у женщин, работающих в дневное время суток.
ЧАСОВЫЕ ГЕНЫ
Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов - периодические (Пер1, 2, 3 ) и криптохромные (Кри1 и 2 ). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейрон ов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.
Интересно, что у животных, из геном а которых генно-инженерными методами исследователи удалили один из часовых генов Пер 2 , спонтанно развиваются опухоли крови - лимфомы.
СВЕТОВОЙ ДЕНЬ И БИОРИТМЫ
Циркадные ритмы "придуманы" природой, чтобы приспособить организм к чередованию светлого и темного времени суток и поэтому не могут не быть связаны с восприятием света. Информация о световом дне поступает в супрахиазматическое ядро из светочувствительной оболочки (сетчатки) глаза. Световая информация от фоторецептор ов сетчатки, палочек и колбочек по окончаниям ганглионарных клеток передается в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клетки не просто передают информацию в виде нервного импульса, они синтезируют светочувствительный фермент - меланопсин. Поэтому даже в условиях, когда палочки и колбочки не функционируют (например, при врожденной слепоте), эти клетки способны воспринимать световую, но не зрительную информацию и передавать ее в супрахиазматическое ядро.
Можно подумать, что в полной темноте никакой циркадной активности у супрахиазматического ядра наблюдаться не должно. Но это совсем не так: даже в отсутствие световой информации суточный цикл остается стабильным - изменяется лишь его продолжительность. В случае когда информация о свете в супрахиазматическое ядро не поступает, циркадный период у человека по сравнению с астрономическими сутками удлиняется. Чтобы доказать это, в 1962 году "отец хронобиологии" профессор Юрген Ашофф, о котором шла речь выше, на несколько дней поместил в абсолютно темную квартиру двух волонтеров - своих сыновей. Оказалось, что циклы "бодрствование - сон" после помещения людей в темноту растянулись на полчаса. Сон в полной темноте становится фрагментар ным, поверхностным, в нем доминирует медленноволновая фаза. Человек перестает ощущать сон как глубокое отключение, он как бы грезит наяву. Через 12 лет француз Мишель Сиффрэ повторил эти эксперимен ты на себе и пришел к аналогичным результатам. Интересно, что у ночных животных цикл в темноте, наоборот, сокращается и составляет 23,4 часа. Смысл таких сдвигов в циркадных ритмах до сих пор не вполне ясен.
Изменение длительности светового дня влияет на активность супрахиазматического ядра. Если животных, которых в течение нескольких недель содержали в стабильном режиме (12 часов при свете и 12 часов в темноте), затем помещали в другие световые циклы (например, 18 часов при свете и 6 часов в темноте), у них происходило нарушение периодичности активного бодрствования и сна. Подобное происходит и с человеком, когда изменяется освещенность.
Цикл "сон - бодрствование" у диких животных полностью совпадает с периодами светового дня. В современном человеческом обществе "24/7" (24 часа в сутках, 7 дней в неделе) несоответствие биологических ритмов реальному суточному циклу приводит к "циркадным стрессам", которые, в свою очередь, могут служить причиной развития многих заболеваний, включая депрессии, бессонницу, патологию сердечно-сосудистой системы и рак. Существует даже такое понятие, как сезонная аффективная болезнь - сезонная депрессия, связанная с уменьшением продолжительности светового дня зимой. Известно, что в северных странах, например в Скандинавии, где несоответствие длительно сти светового дня активному периоду особенно ощутимо, среди населения очень велика частота депрессий и суицидов.
При сезонной депрессии в крови больного повышается уровень основного гормона надпочечников - кортизола, который сильно угнетает иммунную систему. А сниженный иммунитет неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным болезням. Так что не исключено, что короткий световой день - одна из причин всплеска заболеваемости вирусными инфекциями в зимний период.
СУТОЧНЫЕ РИТМЫ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ
На сегодняшний день установлено, что именно супрахиазматическое ядро посылает сигналы в центры мозга, ответственные за циклическую выработку гормонов-регуляторов суточной активности организма. Одним из таких регуляторных центров служит паравентрикулярное ядро гипоталамуса, откуда сигнал о "запуске" синтеза гормона роста или АКТГ передается в гипофиз. Так что супрахиазматическое ядро можно назвать "дирижером" циркадной активности организма. Но и другие клетки подчиняются своим циркадным ритмам. Известно, что в клетках сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей работают часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим собственным суточным ритмам, которые в целом совпадают с цикличностью супрахиазматического ядра, но сдвинуты во времени. Вопрос о том, каким образом "дирижер циркадного оркестра" управляет функционированием "оркестрантов", остается ключевой проблемой современной хронобиологии.
Циклично функционирующие органы довольно легко вывести из-под контроля супрахиазмати ческого ядра. В 2000-2004 годах вышла серия сенсационных работ швейцарской и американской исследовательских групп, руководимых Юли Шиблером и Майклом Менакером. В экспериментах, проведенных учеными, ночных грызунов кормили только в светлое время суток. Для мышей это так же противоестественн о, как для человека, которому давали бы возможность есть только ночью. В результате циркадная активность часовых генов во внутренних органах животных постепенно перестраивал ась полностью и переставала совпадать с циркадной ритмикой супрахиазматического ядра. Возвращение же к нормальным синхронным биоритмам происходило сразу после начала их кормления в обычное для них время бодрствования, то есть ночное время суток. Механизмы этого феномена пока неизвестны. Но одно ясно точно: вывести все тело из-под контроля супрахиазматического ядра просто - надо лишь кардинально изменить режим питания, начав обедать по ночам. Поэтому строгий режим приема пищи не пустой звук. Особенно важно следовать ему в детстве, поскольку биологические часы "заводятся" в самом раннем возрасте.
Сердце, как и все внутренние органы, тоже обладает собственной циркадной активностью. В искусственных условиях оно проявляет значительные циркадные колебания, что выражается в циклическом изменении его сократительной функции и уровня потребления кислорода. Биоритмы сердца совпадают с активностью "сердечных" часовых генов. В гипертрофированном сердце (в котором мышечная масса увеличена из-за разрастания клеток) колебания активности сердца и "сердечных" часовых генов исчезают. Поэтому не исключено и обратное: сбой в суточной активности клеток сердца может вызвать его гипертрофию с последующим развитием сердечной недостаточности. Так что нарушения режима дня и питания с большой вероятностью могут быть причиной сердечной патологии.
Суточным ритмам подчинены не только эндокринная система и внутренние органы, жизнедеятельность клеток в периферических тканях тоже идет по специфической циркадной программе. Эта область исследований только начинает развиваться, но уже накоплены интересные данные. Так, в клетках внутренних органов грызунов синтез новых молекул ДНК преимущественно приходится на начало циркадной ночи, то есть на утро, а деление клеток активно начинается в начале циркадного дня, то есть вечером. Циклически меняется интенсивность роста клеток слизистой оболочки рта человека. Что особенно важно, согласно суточным ритмам меняется и активность белков, отвечающих за размножение клеток, например топоизомеразы II α - белка, который часто служит "мишенью" действия химиотерапевтических препаратов. Данный факт имеет исключительное значение для лечения злокачественных опухолей. Как показывают клинические наблюдения, проведение химиотерапии в циркадный период, соответствующий пику выработки топоизомеразы, намного эффективнее, чем однократное или постоянное введение химиопрепаратов в произвольн ое время.
Ни у кого из ученых не вызывает сомнения, что циркадные ритмы - один из основополагающих биологических механизмов, благодаря которому за миллионы лет эволюции все обитатели Земли приспособились к световому суточному циклу. Хотя человек и является высокоприспособленным существом, что и позволило ему стать самым многочисленным видом среди млекопитающих, цивилизация неизбежно разрушает его биологический ритм. И в то время как растения и животные следуют природной циркадной ритмике, человеку приходится намного сложнее. Циркадные стрессы - неотъемлемая черта нашего времени, противостоять им крайне непросто. Однако в наших силах бережно относиться к "биологическим часам" здоровья, четко следуя режиму сна, бодрствования и питания.
Иллюстрация «Жизнь растений по биологическим часам.» Не только животные, но и растения живут по "биологическим часам". Дневные цветы закрывают и открывают лепестки в зависимости от освещенности - это известно всем. Однако не каждый знает, что образование нектара тоже подчиняется суточным ритмам. Причем пчелы опыляют цветы только в определенные часы - в моменты выработки наибольшего количества нектара. Это наблюдение было сделано на заре хронобиологии - в начале ХХ века - немецкими учеными Карлом фон Фришем и Ингеборгом Белингом.
Иллюстрация «Схема "идеальных" суточных ритмов синтеза "гормона бодрствования" - кортизола и "гормона сна" - мелатонина.» У большинства людей уровень кортизола в крови начинает нарастать с полуночи и достигает максимума к 6-8 часам утра. К этому времени практически прекращается выработка мелатонина. Приблизительно через 12 часов концентрация кортизола начинает снижаться, а спустя еще 2 часа запускается синтез мелатонина. Но эти временные рамки весьма условны. У "жаворонков", например, кортизол достигает максимального уровня раньше - к 4-5 часам утра, у "сов" позже - к 9-11 часам. В зависимости от хронотипа смещаются и пики выброса мелатонина.
Иллюстрация «График зависимости количества инфарктов со смертельным исходом.» На графике представлена зависимость количества инфарктов со смертельным исходом среди больных, поступивших в клинику Медицинского колледжа университета Кентукки (США) в 1983 году, от времени суток. Как видно из графика, пик количества сердечных приступов приходится на временной промежуток с 6 до 9 часов утра. Это связано с циркадной активацией сердечно-сосудистой системы перед пробуждением.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро.» Если супрахиазматическое ядро поместить в "комфортные" физиологические условия (левый снимок) и записать электрическую активность его нейрон ов в течение суток, то она будет выглядеть как периодические нарастания амплитуды разрядов (потенциал а действия) с максимумами каждые 24 часа (правая диаграмма).
Иллюстрация «Ночные животные - хомяки в период бодрствования находятся в постоянном движении.» В лабораторных условиях для регистрации двигательной активности грызунов к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами.
Иллюстрация «Главный "дирижер" биологических ритмов - супрахиазматическое ядро (СХЯ) располагается в гипоталамусе, эволюционно древнем отделе мозга.» Гипоталамус выделен рамкой на верхнем рисунке, сделанном с продольного разреза мозга человека. Супрахиазматическое ядро лежит над перекрестом зрительных нервов, через которые оно получает световую информацию из сетчатки глаза. Правый нижний рисунок - это срез гипоталамуса мыши, покрашенный в синий цвет. На левом нижнем рисунке то же самое изображение представлено схематически. Парные шарообразные образования - скопление нейрон ов, формирующих супрахиазматическое ядро.
Иллюстрация «Схема синтеза "гормона ночи" - мелатонина.» Мелатонин вызывает засыпание, а его колебания в ночное время суток приводят к смене фаз сна. Секреция мелатонина подчиняется циркадной ритмике и зависит от освещенности: темнота ее стимулирует, а свет, наоборот, подавляет. Информация о свете у млекопитающих поступает в эпифиз сложным путем: от сетчатки глаза до супрахиазматического ядра (ретино-гипоталамический тракт), затем от супрахиазматического ядра до верхнего шейного узла и от верхнего шейного узла в эпифиз. У рыб, амфибий, рептилий и птиц освещенность может управлять выработкой мелатонина через эпифиз напрямую, поскольку свет легко проходит через тонкий череп этих животных. Отсюда еще одно название эпифиза - "третий глаз". Как мелатонин управляет засыпанием и сменой фаз сна, пока непонятно.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро - контролер циркадной ритмики различных органов и тканей.» Оно осуществляет свои функции, регулируя выработку гормонов гипофизом и надпочечниками, а также с помощью непосредственной передачи сигнала по отросткам нейрон ов. Циркадную активность периферических органов можно вывести из-под контроля супрахиазматического ядра, нарушив режим питания - принимая пищу по ночам.
Циркадный ритм (лат. circa около + лат. dies день) — название, которое дано близкому к 24-часовому циклу биологических процессов живых организмов, регулирующемуся «внутренним часам». Циркадные ритмы важны для регуляции сна, поведения, активности и питания всех животных, включая человека. Известно, что к этому циклу привязана работа ретикулярной формации мозга, изменение уровня активности мозга в целом, производство гормонов, регенерация клеток и другие биологические процессы. Циркадные ритмы обнаружены не только у животных (позвоночных и беспозвоночных), но и у грибов, растений, простейших и даже бактерий.
Существование таких “внутренних часов” предполагалось еще до молекулярных исследований в этой области. Ритмические изменения, с периодом близким к суточному, сохраняются у организмов полностью изолированных от внешних источников света сообщающих о времени суток. Например, суточные вращения листьев наблюдается у растений помещенных в полную темноту. Известно, что растения и животные не реагируют немедленно на резкие искусственные или природные изменения условий освещения, однако существует механизм адаптации и рано или поздно внутренние часы организма приспосабливаются к новому ритму. Примером такого явления является адаптация человека к изменениям времени суток при перелете между часовыми поясами.
Основные три особенности циркадных ритмов:
- Ритм сохраняется при постоянных условиях и имеет период близкий к 24ем часам.
- Ритм может быть синхронизован под действием внешнего освещения.
- Ритм не зависит от температуры, пока она изменяется в диапазоне пригодном для жизнедеятельности.
Самый простой механизм циркадного ритма наблюдается у некоторых цианобактерий: взяв всего лишь три белка KaiA, KaiB, and KaiC, отвечающие за суточный ритм и добавив АТФ (молекулы в виде которых организмы запасают энергию), можно в пробирке (in vitro) наблюдать циркадный ритм, измеряя уровень фосфорилирования белка KaiC 2, 3 (фосфат будет присоединяться и отсоединяться, а концентрация KaiC с присоединенным фосфатом будет колебаться периодически). Этот ритм имеет периодичность порядка 22ух часов и поддерживается в течении нескольких дней. Подробнее работу этого генератора мы опишем ниже.
Циркадный ритм непосредственно связан со сменой дня и ночи. Животные, находящиеся длительное время в полной темноте или в условиях равномерного освещения, начинают жить в своем эндогенном (внутреннем) ритме, который расходиться с суточным ритмом на земле. Это связано с тем, что период эндогенного циркадного ритма, как правило, немного меньше или больше чем 24 часа, в связи, с чем каждый новый “день” для организма помещенного в темноту сдвигается назад или вперед относительно реальной смены времени суток. В норме свет является водителем ритма для суточного цикла организма, перенастраивая внутренние часы организма. Интересно, что некоторые слепые млекопитающие способны поддерживать эндогенные циркадные ритмы в отсутствии важнейшего водителя ритма - света. На сегодняшний день разрабатываются и используются имитаторы смены суток на космических кораблях, благоприятно сказывающиеся на состоянии космонавтов.
На организменном уровне у млекопитающих “водитель циркадного ритма” расположен в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Разрушение супрахиазматического ядра приводит к полному нарушению периодичности сна/бодрствования. Супрахиазматическое ядро получает сигналы об освещенности от клеток сетчатки глаза. В сетчатке глаза человека помимо двух типов клеток рецепторов (палочек и колбочек) фоточувствительной функцией обладают некоторые ганглиозные клетки, содержащие пигмент меланопсин. Сигналы от этих клеток поступают в супрахиазматическое ядро по зрительному нерву. По-видимому, там сигнал обрабатывается и передается дальше к эпифизу - железе внутренней секреции, расположенной на дорсальной (спинной) части промежуточного мозга. Эпифиз секретирует гормон мелатонин, отвечающий за сон и бодрствование. Большие дозы мелатонина значительно удлиняют фазу парадоксального сна - той части сна, во время которой активно двигаются глаза, максимально расслабляется скелетная мускулатура и снятся сны.
Синтез мелатонина связан с освещенностью: чем сильнее освещенность, тем меньше мелатонина образуется. Поэтому пик содержания мелатонина в крови наблюдается ночью, а минимум днем. Длительное чрезмерное освещение приводит к сильно заниженному уровню мелатонина, что неблагоприятно для состояния организма. Помимо гуморальной (эндокринной) функции, мелатонин обладает функцией сильного терминального антиоксиданта, защищающего ДНК от повреждений. Терминальные антиоксиданты - антиоксиданты не способные восстанавливаться обратно из окисленной (активными радикалами кислорода) формы. Интересно, что мелатонин является гормоном всевозможных таксономических групп от водорослей до млекопитающих, то есть является очень древним и важным гормоном.
Циркадные ритмы у животных обнаруживаются не только в супрахиазматическом ядре, но и во всех клетках. Клетки, изолированные от организма подчиняются внутренним свободным эндогенным ритмам с периодичностью близкой к 24ем часам. Интересно отметить, что клетки печени адаптируются в больше степени под воздействие пищи, как экзогенного фактора, чем под воздействием освещенности. Кроме того, циркадные ритмы сохраняются даже в “бессмертных” клеточных культурах, используемых в лабораториях. Выяснилось, что в них сохраняется способность синхронизовать свои циркадный ритм под действием света, в соответствии с изменением освещения в окружающей среде.
Нарушение циркадных ритмов в коротких временных масштабах приводит к сбою суточной активности, усталости, бессоннице и дезориентации. Такие заболевания как маниакально-депрессивный психоз, а так же многие нарушения сна ассоциированы с патологическими дисфункциями циркадных ритмов. Длительные нарушения циркадных ритмов могут приводить к ухудшению состояния внутренних тканей и органов, например, сердечно-сосудистым заболеваниям.
Наконец стоит отметить, что молекулярная регуляция циркадных ритмов отличается в различных таксономических группах. Возможно, механизм фоточувствительной адаптации и механизм поддержания эндогенного циркадного ритма эволюционировали в различных группах организмов независимо. Объединяет все известные циркадные ритмы наличие в них трех компонент: самих часов, обеспечивающих циркадную осцилляцию (колебания), белков “входа”, предназначенных для осуществления адаптации внутренних часов под суточные изменения освещенности, и белки “выхода”, регулирующие те или иные процессы, происходящие в клетке, которые подстраиваются в соответствии с эндогенным циркадным ритмом.
Циркадные ритмы цианобактерий.
Самые простые циркадные ритмы обнаржены у цианобактерий. Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) - монофилитическая группа (имеют одного общего предка) фотоавтотрофных (питаются за счет фотосинтеза, энергии солнца) бактерий. Это одна из древнейших и наиболее разнообразных групп в мире прокариот. Различные представители группы сильно отличаются друг от друга как морфологически, так и генетически, их можно обнаружить почти в любой, доступной для света, среде обитания. Жизненные циклы так же имеют различную продолжительность у различных представителей: от нескольких часов до нескольких тысяч лет между делениями (у некоторых видов проживающих на олиготрофной, бедной среде).
Впервые наличие циркадные ритмов у цианобактерий было продемонстрировано при изучении процессов кислородо-чувствительной фиксации азота и фотосинтеза с выделением кислорода. В этих процессах была показана суточная ритмичность. Об этом в частности свидетельствовали данные электронной микроскопии, с помощью которой изучали количество и размер тех или иных запасающих гранул в клетках. Позднее было обнаружено, что и другие процессы в клетках (например, поглощение аминокислот) происходят в рамках циркадного ритма, удовлетворяя трем основным положениям циркадных ритмов, описанных выше .
Кроме того, оказалось, что ритмически изменяется вся экспрессия генов в клетках цианобактерий. Были проведены опыты, в которых гены биолюминесцентных (светящихся) белков встраивались в геном цианобактерий под случайные бактериальные промоторы. У всех полученных штаммов наблюдалась сходная картина циркадных изменений интенсивности люминесценции (Рис. 1 вверху) .
Рис.1 Циркадные ритмы цианобактерий.
Важность синхронизации внутреннего ритма с экзогенным фактором освещенности для цианобактерий была показана в ряде опытов. Например, было показано, что бактерии с нарушенной синхронизацией циркадных ритмов медленней растут в условиях смены дня и ночи, тем самым, проигрывая бактериям с хорошо отлаженными и настраиваемыми внутренними часами. Кроме того, как уже говорилось, цианобактерии размножаются только в “ночной” период, определяемый их внутренними часами, что в частности защищает реплицирующуюся ДНК от повреждений кислородными радикалами, образующимися под действием ультрафиолетовых лучей солнца.
Мутагенетический скрининг фотосинтезирующей бактерии Synechococcus elongatus привел к обнаружению более 100 мутантов с нарушенным ритмом. Например, у некоторых из них эндогенный период внутренних часов (в отсутствии внешнего стимула- света) был 44 часа, вместо 25и, как у диких бактерий. Многие из мутантов восстанавливали функции циркадных часов после введения в них ДНК из локуса kai. Оказалось, что этот локус кодирует 3 гена: kaiA, kaiB, kaiC, причем kaiA имеет свой промотор, в то время как kaiB и kaiC имеют общий промотор, образуя дицистронную РНК. Филогенетически kaiC считается самым древним геном циркадных ритмов цианобактерий. Каждый из этих трех генов был необходим для правильной работы циркадных ритмов цианобактерий. Различные мутантные аллели kaiC приводят к сокращению или удлинению периода эндогенного ритма либо к полному нарушению ритма у части мутантов, в то время как мутации, приводящие к нарушению работы генов kaiA и kaiB, полностью подавляют фенотипическое проявление циркадных ритмов.
Ни у одного из белков, кодируемых тремя упомянутыми генами циркадных ритмов, не обнаружено сайтов связывания ДНК, что свидетельствует о том, что они не являются транскрипционными факторами и, тем самым, не влияют на транскрипцию прямо. У этих белков не существует известных гомологов среди белков изученных эукариот. Уровень транскрипции всех трех генов ритмичен и содержание мРНК каждого из них достигает максимума к концу дня. Интересно, что гиперэкспрессия kaiC приводит к снижению экспрессии с промотора kaiBC, то есть существует отрицательная обратная связь между продуктом гена и экспрессией его мРНК. Гиперэкспрессия kaiA приводит к увеличению экспрессии kaiBC, а при отсутствии kaiA, экспрессия kaiBC заметно снижается. Таким образом, в отличие от kaiC, kaiA является положительным элементом этого авторегулируемого процесса. Ранним вечером содержание белков kaiB и kaiC достигает максимума, в то время как содержание белка kaiA не имеет осцилляции циркадного ритма.
Исходно предполагалось, что все циркадные ритмы связаны с транскрипционно-трансляционной осцилляторной (ТТО) активностью клетки. Существуют данные в пользу того, что так работают внутренние часы всех животных, хотя строго это не доказано. В случае же цианобактерий недавно было показано обратное. Белок kaiC обладает как автофосфорилируюшей, так и автодефосфорилирующей функциями. Белок kaiA способствует автофосфорилированию kaiC, в то время как kaiB влияет на эффект, производимый kaiA. Таким образом, фосфорилирование и дефософрилирование kaiC не требует дополнительных киназ или фосфатаз. Были проведены эксперименты, в ходе которых белки циркадного ритма брались в биологических пропорциях 1:1:4 (kaiA, kaiB, kaiC соответственно) в присутствии 1mM АТФ. Оказалось, что в таких условиях процент дефосфорилированного/фосфорилированного kaiC меняется с периодом близким к 24ем часам на протяжении, по крайней мере, трех циклов. Содержание фосфорилированного kaiC менялось в пределах от 0.25 до 0.65 от общего kaiC. Кроме того, суммарная концентрация kaiC оставалась постоянной, что указывает на отсутствие процессов деградации обоих модификации kaiC. Таким образом, осцилляция фосфорилирования kaiC может обеспечиваться исключительно деятельностью трех упомянутых циркадных белков , .
Данная система трех белков удовлетворяет и второму критерию, которым обладают системы циркадных ритмов. При увеличении температуры от 25 градусов Цельсия до 30 и 35, период фосфорилирования изменятся от 22ух до 21 и 20 часов соответственно. Коэффициент термальной зависимости (Q10) равен 1.1, что близко к наблюдаемому в живой системе.
Организмы с некоторыми формами мутантного kaiC имели измененные периоды внутренних часов, например, были мутанты с периодами циркадного ритма 17, 21 и 28 часов. Оказалось, что такие же периоды сохраняются в системах in vitro с использованием мутантного kaiC вместо обычного дикого kaiC. Таким образом, показано, что три ключевых белка циркадных ритмов цианобактерий являются kaiA, kaiB, kaiC. Несмотря на большое количество работ посвященных циркадным ритмам цианобактерий, механизм синхронизации переменной освещенностью и механизм регуляции транскрипции до конца не ясны. Важен принципиальный момент: внутренние часы цианобактерий способны работать без ТТО (как показано in vitro). В чем-то эти часы являются биологическим аналогом знаменитой химической циклической реакции Белоусово-Жаботинского, только протекающей очень медленно.
А что интересного у животных?
Большинство людей циркулируют между состоянием сна и бодрости с определенной периодичностью. У большинства взрослых людей в возрасте от 20 до 50 лет сон наступает через 4-5 часов после заката, а самостоятельное пробуждение происходит через 1-2 часа после восхода. Для взятого индивидуума при постоянных условиях, можно с точностью до минут предсказывать время пробуждения на протяжении многочисленных циклов. Однако существуют исключения в ритме сна/бодрствования у некоторых людей и что самое интересное, эти особенности могут наследоваться и передаваться потомкам. Например, в некоторых семьях наблюдается так называемый синдром преждевременного семейного сна (familial advanced sleep phase syndrome или FASPS). Люди с таким синдромом обычно ложатся спать через час после заката и находятся в состоянии полного пробуждения уже в 4 часа. Оказалось, что данное отклонение вызвано единичной генной мутацией на 2ой хромосоме . Этот ген носит название Period 2 (PER2), а изученная мутация происходит в сайте фосфорилирования казеин-киназы 1ε. При наличии данной мутации фосфорилирование невозможно. Таким образом, было впервые показано, что нарушения сна человека связаны с генетическими изменениями. В дальнейшем было показана роль PER2 в регуляции ритмического поведения человека вообще, а, кроме того, выяснилось, что PER2 гомологичен хорошо-изученным генам животных, отвечающих за циркадные ритмы, механизм работы которых был уже значительно изучен.
У млекопитающих, как и у дрозофилы, были показаны циркадные осцилляции гена clock в нервных клетках. Циркадные ритмы наблюдаются даже у “бессмертных” клеточных линий фибробластов, причем, похоже, что адаптация к свету в них осуществляется по таким же механизмам как в аналогичных клетках, внутри живого организма. Эти внутренние ритмы клеток фактически независимы от деятельности мозга (супрахиазматического ядра). В действительности, известно, что фаза циркадных ритмов клеток печени (гепатоцитов), как правила сдвинута по сравнению с фазой циркадных ритмов клеток супрахиазматического ядра. При попадании света на ганглиозные клетки сетчатки происходит адаптация клеток супрахиазматического ядра и этот сигнал каким-то образом передается и в другие клетки, однако на циркадные ритмы гепатоцитов намного сильнее влияют сигналы, связанные c потреблением пищи. Циркадной осцилляции в клетках печени подвержено более 50и факторов, среди которых большинство - факторы, отвечающие за разложение и детоксификацию различных веществ.
Несмотря на то, что регуляцию циркадных ритмов в клетках печени, легких, мышц, почек и некоторых других клетках млекопитающих нельзя напрямую связать с их собственной фоторецепцией (ритмичность видимо регулируется глазной фоторецепцией), у некоторых прозрачных рыбок клетки почки и сердца могут прямо реагировать на изменение освещенности.
В основе работы циркадных ритмов растений, грибов, насекомых и позвоночных животных лежит, уже упомянутая, Транскрипционно-трансляционная осцилляторная модель (ТТО) . Поскольку эта модель очень сложна, для научно-популярного блога, я сформулирую лишь принципиальные отличия между ТТО и циркадными ритмами цианобактерий, несмотря на то, что у меня уже написан весь текст про ТТО представителей всех царств эукариот. Итак основные отличия:
- В ТТО ритмически меняется эксперссия генов.
- В ТТО циркадные ритмы регулируются факторами транскрипции - белками, меняющими экспрессию генов.
- В ТТО участвует множество генов.
- Для работы ТТО необходимы гены, в то время как белки циркадных ритмов цианобактерий работают in vitro без ДНК.
Рис. 2 Схема ТТО млекопитающих.
- Tan, Y., Merrow, M. & Roenneberg, T. Photoperiodism in Neurospora crassa. J Biol Rhythms 19, 135-43 (2004).
- Williams, S. B. A circadian timing mechanism in the cyanobacteria. Adv Microb Physiol 52, 229-96 (2007).
- Rachelle M. Smith and Stanly B. Williams Circadian rhythms in gene transcription imparted by chromosome compaction in the cyanobacterium Synechococcus elongatus. PNAS 103, 8564-8568 (2006).
- Nakajima, M. et al. Reconstitution of circadian oscillation of cyanobacterial KaiC phosphorylation in vitro. Science 308, 414-5 (2005).
- Young, M. W. & Kay, S. A. Time zones: a comparative genetics of circadian clocks. Nat Rev Genet 2, 702-15 (2001).
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.
