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
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.
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).
Лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2017 год. Ими стали американские исследователи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. Премия будет вручена «за открытие молекулярных механизмов контроля циркадных ритмов». Что же это за ритмы и какие механизмы ими управляют? Почему это настолько важно?
- Наступает ночь. Город засыпает, просыпается мафия.
То, что активность живых существ зависит от времени суток, было известно испокон веков. Все знают, что коровы пасутся днем, петухи кричат утром, а котята хватают спящих людей за пятки в два часа ночи. У каждого вида живых существ, от одноклеточных цианобактерий до огромных многотонных китов и вековых деревьев, периоды активности сменяются периодами отдыха, в определенное время дня выбрасываются те или иные гормоны, листья сворачиваются и разворачиваются как по часам. Но что это за часы? Какова их природа? Немало копий было сломано за те 300 лет, что люди пытались ответить на эти вопросы. Нобелевскую премию в этом году заслуженно дали людям, которые поставили если не точку, то как минимум жирную черту, разделившую науку о механизмах, обусловливающих циркадные ритмы, на «до» и «после».
История вопроса
Наиболее логичным ответом на вопрос, откуда берется эта периодическая активность, представляются солнечные часы. Мол, солнце встает, активность «дневных» видов повышается, а «ночных» снижется. Основным регулятором является освещенность, а также сопутствующие ей факторы - рост и падение температуры, смена направления ветра и все в том же духе. Эта парадигма активно применялась еще древними римлянами , день которых начинался в момент восхода солнца над горизонтом, а ночь - в момент захода. Так как и день, и ночь состояли из 12 часов, длина часа у римлян зависела как от того, ночной это час или дневной, так и от времени года.
Первым проверить, действительно ли именно внешние факторы определяют активность живых существ, взялся французский астроном Жан-Жак де Меро в начале 18 века. В качестве модельного организма он использовал мимозу, которая очень явно реагирует на смену дня и ночи - в светлое время ее маленькие нежные листочки развернуты к солнцу, а в темное сложены и опущены вниз. Де Меро поместил мимозу в темный ящик и с удивлением наблюдал, как еще около недели она своевременно сворачивала и разворачивала листочки несмотря на отсутствие стимуляции светом (рис. 1). На основе этого он сделал предположение, что ритм этого процесса задается изнутри, а не снаружи.
Рисунок 1. Опыт Де Меро. Астроном заметил, что мимоза сохраняет способность утром разворачивать листочки, а ночью сворачивать их обратно даже без воздействия солнечного света.
Как чаще всего происходит в таких случаях, новое явление до поры до времени было забыто, а в начале 20 века переоткрыто. На протяжении многих десятилетий велись жаркие дебаты между идеологами «внутренних часов» и «факторов среды», пока в 1971 году не была опубликована прорывная статья калифорнийских ученых, где они показали, что циркадные ритмы имеют генетическую природу. Идея нетривиальная, так как даже сторонники «внутренних часов» считали, что если они и имеют генетическую природу, то число задействованных генов должно быть очень велико, и повлиять мутациями на этот признак значимо не выйдет.
В качестве модели использовали плодовых мушек дрозофил. Время было дикое, амплификаторы и секвенаторы еще не изобрели, а вместо пипеток в лабораториях были каменные топоры. Экспериментаторы лили на яйца мушек мутагены, вызывая изменения в случайных генах. И сумели получить три разных по «ритмике» линии дрозофил. Первая линия имела циркадный ритм продолжительностью 28 часов, вторая - 19 часов, а в третьей обычно ритмические параметры вообще не подчинялись никакому заметному циклу (рис. 2). Путем долгих изысканий методами классической генетики исследователи смогли локализовать ответственный за изменения участок. Это оказался ген в половой Х-хромосоме, который был назван period . На тот момент, в отсутствие молекулярных методов, двигаться дальше было невозможно. Что это за ген и как он работает - осталось загадкой.
Рисунок 2. Мутантные дрозофилы с нарушенными циркадными ритмами. Различные мутации в гене period могут изменить продолжительность циркадного цикла в бóльшую или меньшую сторону или даже полностью его уничтожить.
За что же дали Нобеля?
В середине 1980-х, когда каменные топоры уже отошли на второй план, а в лабораториях биологов робко обживались первые амплификаторы, в США над проблемой циркадных ритмов работали две группы. Первая под руководством Джеффри Холла и Майкла Росбаша трудилась в Брандейском университете в Массачусетсе, вторая под руководством Майкла Янга - в университете Рокфеллера в Нью-Йорке. Примерно одновременно эти группы смогли клонировать ген period , секвенировать и изучить его последовательность. Первые данные о структуре гена и кодируемого им белка не дали ясного ответа о механизмах его работы, породив множество курьезных теорий.
Непонятно было, прежде всего, на каком уровне действовал этот ген. Бóльшая часть строившихся тогда предположений относила его продукт, получивший название PER, к мембранным белкам, которые либо регулируют доступ в клетку какого-либо действующего вещества извне, либо изменяют характер взаимодействия клеток между собой. Одно было ясно - должен существовать некоторый осциллятор с периодом в 24 часа и его работа должна быть напрямую связана с белком PER.
И этот осциллятор был найден - им оказался, как ни странно, сам белок PER. Холл и Росбаш показали, что в нейронах мухи концентрация этого белка имеет 24-часовую цикличность с пиком около полуночи. Такому же циклу оказалась подвержена мРНК этого белка, однако пик ее концентрации оказался сдвинут на несколько часов раньше по отношению к пику белка (обычно такие пики должны совпадать). Исследователи получили нонсенс-мутантов по этому белку (при этом мРНК синтезируется, а белок - нет) и увидели, что при этом периодические изменения концентрации мРНК пропадают. Вывод последовал незамедлительно - белок PER является ядерным модулятором транскрипции и блокирует собственный синтез (рис. 3а ).
Рисунок 3. В организме действует осциллятор, состоящий из белков, негативно регулирующих экспрессию собственной мРНК. За счет разветвленной системы положительных и отрицательных регуляторов осциллятор имеет период примерно в 24 часа и может подстраивать свою работу под изменения светового дня.
На основе этого вывода предложили гипотезу TTFL (Transcription-Translation Feedback Loop - транскрипционно-трансляционной обратной связи). Согласно этой гипотезе, осциллятор, отвечающий за циркадные ритмы, состоит из одного или нескольких белков, которые контролируют собственную экспрессию при помощи негативной регуляции транскрипции и/или трансляции. Было понятно, что один ген period не способен полностью построить циркадный ритм, ему нужны партнеры.
Этих партнеров обнаружил Майкл Янг. Он выявил ген, названный им timeless , мРНК и продукт которого (белок TIM) также подвергались 24-часовым осцилляциям. Оказалось, что белки PER и TIM могут попасть в ядро только провзаимодействовав друг с другом. Один без другого работать не способен и даже более того - без связи они моментально разрушаются в протеасоме. Вместе же они попадают в ядро и блокируют собственную экспрессию (рис. 3а ).
В дальнейшем обнаружили также и позитивные регуляторы экспрессии этих генов, что еще сильнее усложнило картину. Выявили и взаимосвязи со средовыми факторами. Те, кто пересекал в ходе путешествий множество часовых поясов, знают, что при этом организм поначалу не может подстроиться под новый световой день, но через несколько дней циркадные ритмы синхронизируются с реальностью, и жизнь снова становится прекрасна, а сон крепок.
За такую настройку, как оказалось, отвечает целый набор белков-регуляторов, воздействующих на все тот же осциллятор PER-TIM (рис. 3б ). Например, Янг обнаружил белок CRY, который активируется в ответ на повышение внешней освещенности, связывает TIM и отправляет его на деградацию. Таким образом, раннее или позднее утро меняют характеристики пика TIM, что в свою очередь меняет профиль экспрессии PER. Через несколько дней циркадный ритм стабилизируется в новом положении.
Все эти данные и успешно подтвержденные гипотезы довольно сильно изменили наше понимание циркадных ритмов. Теория о внутреннем осцилляторе была однозначно подтверждена благодаря усилиям Холла, Росбаша и Янга, за что они вполне заслуженно получили Нобелевскую премию . Но исследования этой интересной области все еще продолжаются.
Не мухами едиными...
Мухи - это, конечно, хорошо, но что там у млекопитающих вообще и у человека в частности? У нас всё оказалось похоже в общем, но отлично в деталях. Циркадные ритмы у млекопитающих делятся на центральные и периферические. Центральным регулятором выступает супрахиазматическое ядро гипоталамуса в головном мозге . При изменении ритма освещенности оно первое перестраивает свой цикл активности системы белков PER. Под контролем этого ядра идет выделение мелатонина (гормона сна) в эпифизе, через который оно регулирует циркадные ритмы в остальных тканях организма.
На белки циркадного каскада оказались завязаны многие физиологические функции клеток и тканей (рис. 4). Например, утром инсулиновый ответ поджелудочной железы на потребление углеводов более яркий, чем вечером. И это даже не получается объяснить ночной «голодовкой» - животные, которым 24 часа с постоянной скоростью вводили в кровь глюкозу, имели наименьший ее уровень (и наибольший уровень инсулина) утром. Аналогично меняется усвоение жиров и белков. Таким образом, совет «не есть после 18», столь частый в фитнес-журналах, оказывается, имеет под собой физиологическое обоснование .
Рисунок 4. Многие аспекты функционирования человеческого организма зависят от времени суток и контролируются циркадными ритмами.
Циркадные ритмы вообще влияют почти на все области нашей физиологии. От времени суток зависят наша работоспособность, уровни почти всех основных гормонов, заболевания и так далее. Разумеется, уже есть группы, осваивающие гранты в вопросах связи нарушенных циркадных ритмов и рака, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний и других интересных тем.
Очень перспективными являются исследования связи циркадных ритмов и старения. Известно, что супрахиазматическое ядро с возрастом деградирует и к старости работает уже не так регулярно. Старые люди достоверно хуже адаптируются к смене часовых поясов, хуже переносят вынужденное бодрствование и восстанавливаются во время сна. На грызунах исследователи показали, что нарушение генов циркадных ритмов ведет к значительному снижению продолжительности их жизни и, что довольно интересно, к более раннему появлению «старческих» заболеваний .
Дальнейшее развитие
В настоящий момент циркадная биология развивается бешеными темпами. Изучают варианты фармакологического воздействия на циркадные ритмы, особенно нарушенные вследствие перелетов, возраста или заболеваний. В аптеках уже можно купить препараты мелатонина для путешественников.
