Chronobiologia: rytmy dobowe

Bardziej poprawnym terminem są rytmy dobowe, a nie dobowe, ponieważ rdzeń tego słowa to „dian”, co oznacza „dzień”. Prostszym terminem synonimicznym są rytmy dobowe.

W każdym żywym organizmie, niezależnie od tego, na jakim poziomie się znajduje, od najprostszych bakterii po człowieka, wszystkie procesy mają określony rytm. Niektóre procesy mają rytm dobowy, około 24 godzin, inne mniej lub bardziej. Natura nieożywiona ma także wszystkie procesy, pewne wibracje - obrót Słońca, Ziemi i tak dalej. Wszystko ma procesy oscylacyjne. Dla Ludzkie ciało Procesy dobowe są ważne, ponieważ nasz rytm wyznacza obrót Ziemi, czyli dni, które wyznacza oświetlenie słoneczne. Potrzeba pojawienia się rytmów dobowych była związana z przystosowaniem się do życia przyrody środowisko ze względu na stopniowy wzrost ilości tlenu i promieni ultrafioletowych. Dlatego rytm dobowy jest przystosowaniem do oświetlenia słonecznego, a nie do innych czynników. Światło wyznacza nasz rytm. Istnieje taka koncepcja - endogenna, czyli wewnętrzny rytm człowieka. Co dziwne, rytm ten trwa około 24,3 godziny, czyli nieco dłużej niż jeden dzień. Ale nasz zegar biologiczny stale się dostosowuje czynniki zewnętrzne, a takim czynnikiem zewnętrznym jest Słońce. Nawiasem mówiąc, nasz wewnętrzny rytm prawie dokładnie odpowiada dniu na Marsie, więc założenie, że życie na Ziemi zaczęło się od Marsa w tym sensie, ma pewne poparcie.

Hormony są produkowane zgodnie z rytmami dobowymi; od nich zależy poziom ciśnienia, oddychanie i wiele innych funkcji organizmu. Odkrycia tego dokonano dawno temu, ale nagroda Nobla Dopiero teraz zostali za to nagrodzeni. Jest to wynik wieloletnich badań nie tylko tej grupy naukowców, mechanizmy te badane są na całym świecie. Mechanizmy te są ważne, ponieważ zapewniają genetyczny i molekularny wgląd w to, jak to wszystko się dzieje. Istnieje grupa genów odpowiedzialnych za te rytmy, a jednym z głównych regulatorów jest hormon melatonina, który wcześniej był błędnie nazywany hormonem snu, chociaż w rzeczywistości jest to hormon nocy. To sygnał dla organizmu, że nie ma światła słonecznego. Co więcej, sygnał dociera nie tylko do receptorów komórkowych, dociera do genomu, czyli w istocie DNA. Melatonina przechodzi przez błonę komórkową i jądro i wpływa na ludzki genom. Dlatego podczas snu niektóre geny są włączane, a inne wyłączane. Jest to bardzo ważne dla funkcjonowania organizmu, ale niestety w nowoczesny świat człowiek coraz bardziej naraża się na te zmiany. Na przykład zmiana harmonogramu snu, jeśli dana osoba wstaje późno i późno kładzie się spać w weekendy, a nie wysypia się w dni powszednie, a także długie loty, po czym rytmy dobowe gwałtownie się zmieniają i niedopasowanie oświetlenia słonecznego występuje. Wszystkie te czynniki tylko pogłębiają problemy związane nie tylko ze snem, ale także z długowiecznością człowieka.

Odkrycie to pokazuje na poziomie molekularnym i genetycznym, jak zachodzą te procesy. Umożliwi to w przyszłości ingerencję w te mechanizmy. Jeśli ktoś ma mutację genetyczną, będziemy mogli przywrócić uszkodzone procesy i wykorzystać nowe leki dostosować się do panujących warunków nowoczesny mężczyzna.

lekarz wojskowy, dziennikarz naukowy, bloger medyczny, specjalista ds. identyfikacji i identyfikacji czysta woda szarlatani medyczni, autor książki „Inteligentny pacjent”, członek rada ekspertów Nagroda Harry'ego Houdiniego, członek Stowarzyszenia Dziennikarzy Medycznych.

Dziedzinę, za którą odkrycia zostały nagrodzone Nagrodą Nobla 2017 z fizjologii czy medycyny, zetknął się w swoim życiu wiele osób, dlatego intuicyjnie temat jest bliski i zrozumiały dla każdego, kto pracował na nocną zmianę, pełnił wartę, był na służbie przez 24 godziny w karetce lub poleciał z Moskwy do Daleki Wschód lub na kontynent amerykański. Gdy dzień przeplata się z nocą, staje się oczywiste znaczenie „wewnętrznego zegara”.

Możliwe, że temat ten przyciąga właśnie ze względu na jego praktyczny charakter duża liczba różnych szarlatanów. Reklamy „korektorów biorytmu” można znaleźć niemal w każdym źródle, dodatkowo w błyszczącym magazynie powiedzą, że lepiej uprawiać seks o 6 rano, bo o tej porze dnia w organizmie jest maksimum hormonów płciowych krwi, a wizytę u lekarza należy umówić na godzinę 16:00, kiedy w mózgu występuje najwięcej endogennych narkotycznych leków przeciwbólowych – endorfin.

Istnieją również bardziej zaawansowane cuda. Na przykład mężczyzna w białym fartuchu, który nazywa siebie chronofarmakologiem, może zasugerować optymalizację dawek i częstotliwości przyjmowania leków przepisanych przez zwykłego lekarza. Podobno budując dokładną zgodność pomiędzy przyjmowaniem tabletek a wewnętrznym rytmem, można zmniejszyć dawkę, skrócić kurs, uzyskać więcej głównych efektów i pozbyć się skutków ubocznych. Ma to więc mniej więcej taki sam związek z farmakologią, jak astrologia z astronomią. Podejrzewam, że twórcy „horoskopów pigułkowych” zaczną teraz skupiać uwagę naiwnych klientów na Nagrodzie Nobla, podkreślając ich zaangażowanie w wielką naukę.

Jednak jak dotąd z naszej wiedzy możemy wyciągnąć jedynie bardzo skromne praktyczne wnioski. Tak, perspektywy są imponujące, tak, wyniki eksperymentów na muszkach owocowych i myszach są zdumiewające, ale do szerokiego wpływu na mechanizm „wewnętrznego zegara” człowieka w rzeczywistej praktyce klinicznej jeszcze daleka droga.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2017 została przyznana za odkrycie genów determinujących funkcjonowanie zegara biologicznego – wewnątrzkomórkowego mechanizmu kontrolującego cykliczne fluktuacje procesów biologicznych związanych ze zmianą dnia i nocy. Życie codzienne lub nieodłączne dla wszystkich żywych organizmów, od cyjanobakterii po wyższe zwierzęta.

Oczywiście każdy wynik naukowy, który zyskał takie uznanie na całym świecie, opiera się na osiągnięciach swoich poprzedników. Idea zegara biologicznego pojawiła się po raz pierwszy w XVII wieku, kiedy francuski astronom Jean Jacques de Meran odkrył, że dobowy rytm ruchu liści roślin nie zanika nawet w ciemności: jest ściśle „programowany”, a nie zdeterminowane działaniem środowiska.

Od tego momentu rozpoczęły się badania zjawiska zegara biologicznego. Okazało się, że prawie wszystkie organizmy żywe podlegają procesom cyklicznym z okresem dziennym lub prawie codziennym. I nawet przy braku głównego zewnętrznego czynnika synchronizacji - zmiany dnia i nocy, organizmy nadal żyją zgodnie z rytmem dobowym, chociaż okres tego rytmu może być dłuższy lub krótszy niż długość dnia, w zależności od Cechy indywidulane.

Genetyczne podstawy zegara biologicznego po raz pierwszy ustalono w latach 70. XX wieku, kiedy u muszki owocowej odkryto gen Per (oznaczający okres). Autorzy tego odkrycia, Seymour Benzer i jego student Ronald Konopka z California Institute of Technology, przeprowadzili eksperyment na dużą skalę, pracując z setkami laboratoryjnych linii muszek uzyskanych w wyniku mutagenezy chemicznej. Naukowcy zauważyli, że przy tym samym okresie oświetlenia u niektórych muszek okres dobowego rytmu snu i czuwania stał się albo znacznie krótszy niż zwykły dzień (19 godzin), albo dłuższy (28 godzin); ponadto odkryto „arytmię” z cyklem całkowicie asynchronicznym. Próbując zidentyfikować geny kontrolujące rytm dobowy muszek owocowych, naukowcy wykazali, że zaburzenia tego rytmu są powiązane z mutacjami w nieznanym genie lub grupie genów.

Tym samym przyszli nobliści Hall, Rosbash i Young mieli już do dyspozycji linie muszek z genetycznie uwarunkowanymi zmianami w okresie snu i czuwania. W 1984 roku naukowcy ci wyizolowali i zsekwencjonowali pożądany gen Per i odkryli, że poziom kodowanego przez niego białka zmienia się z dnia na dzień, osiągając maksimum w nocy i zmniejszając się w ciągu dnia.

Odkrycie to dało nowy impuls badaniom, których celem jest zrozumienie, dlaczego mechanizmy rytmów dobowych działają w ten sposób i dlaczego okres dobowy może być różny u różnych osób, ale jednocześnie okazuje się odporny na działanie czynników czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura (Pittendrich, 1960). Zatem prace przeprowadzone na sinicach (niebieskich algach) wykazały, że wraz ze wzrostem temperatury o 10 ° C dobowy okres ich cyklicznych procesów metabolicznych zmienia się zaledwie o 10–15%, podczas gdy zgodnie z prawami kinetyki chemicznej zmiana ta powinien być większy o prawie porządek! Fakt ten stał się prawdziwym wyzwaniem, ponieważ wszystkie reakcje biochemiczne muszą przestrzegać zasad kinetyki chemicznej.

Naukowcy są obecnie zgodni co do tego, że rytm procesów cyklicznych pozostaje dość stabilny, ponieważ cykl dobowy jest determinowany przez więcej niż jeden gen. W 1994 roku Young odkrył u Drosophila gen Tim, kodujący białko biorące udział w regulacji poziomu białka PER zgodnie z zasadą informacja zwrotna. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta produkcja nie tylko białek biorących udział w tworzeniu cyklu dobowego, ale także innych białek, które go hamują, dzięki czemu funkcjonowanie zegara biologicznego nie ulega zakłóceniu.

Podstawowe mechanizmy rytmów dobowych zostały już dostatecznie zbadane, chociaż wiele szczegółów pozostaje niewyjaśnionych. Nie jest zatem jasne, w jaki sposób kilka „zegarów” może jednocześnie współistnieć w jednym organizmie: jak przebiegają procesy zachodzące w tym organizmie różne okresy? Na przykład w eksperymentach, w których ludzie mieszkali w pomieszczeniach zamkniętych lub w jaskini, nie otrzymując informacji o zmianie dnia i nocy, temperatura ich ciała, wydzielanie hormonów steroidowych i inne parametry fizjologiczne zmieniały się w okresie około 25 godzin. okresy snu i czuwania mogą wahać się od 15 do 60 godzin (Wever, 1975).

Badanie rytmów dobowych jest również ważne dla zrozumienia funkcjonowania organizmu ekstremalne warunki na przykład w Arktyce, gdzie w polarnych warunkach dziennych i nocnych nie działają czynniki naturalne synchronizacja rytmów dobowych. Istnieją przekonujące dowody na to, że podczas długiego pobytu w takich warunkach rytm dobowy wielu funkcji człowieka znacznie się zmienia (Moshkin, 1984). Obecnie wiemy, że czynnik ten może mieć znaczący wpływ na zdrowie człowieka, a znajomość molekularnych podstaw rytmów dobowych powinna pomóc w zidentyfikowaniu wariantów genów, które będą „korzystne” podczas pracy w warunkach polarnych.

Jednak wiedza o biorytmach jest ważna nie tylko dla polarników. Rytmy dobowe wpływają na nasz metabolizm, układ odpornościowy i stany zapalne, ciśnienie krwi, temperaturę ciała, funkcjonowanie mózgu i wiele innych. Skuteczność niektórych leków i ich skutki uboczne zależą od pory dnia. Kiedy dochodzi do wymuszonej rozbieżności między wewnętrznymi i zewnętrznymi „zegarami” (na przykład z powodu długodystansowego lotu lub pracy na nocną zmianę), można zaobserwować różnorodne dysfunkcje organizmu, od zaburzeń przewodu pokarmowego i układu sercowo-naczyniowego po depresja, wzrasta także ryzyko zachorowania na raka.

Literatura

PITTENDRGH C.S. Rytmy dobowe i dobowa organizacja systemów żywych. Zimna wiosna Harb Symp Quant Biol. 1960;25:159-84.

Wever, R. (1975). „Dobowy system wielu oscylatorów człowieka”. Int J Chronobiol. 3 (1): 19–55.

Moshkin M.P. Wpływ natury tryb świetlny o biorytmach polarników // Fizjologia człowieka. 1984, 10(1): 126-129.

Przygotowane przez Tatianę Morozową

Komitet Noblowski ogłosił dziś zwycięzców Nagrody za rok 2017 w dziedzinie fizjologii lub medycyny. W tym roku nagroda ponownie powędruje do Stanów Zjednoczonych, a nagrodę podzielą Michael Young z Rockefeller University w Nowym Jorku, Michael Rosbash z Brandeis University i Jeffrey Hall z University of Maine. Zgodnie z decyzją Komitetu Nobla badacze ci zostali nagrodzeni „za odkrycie mechanizmów molekularnych kontrolujących rytmy dobowe»..

Trzeba przyznać, że w całej 117-letniej historii Nagrody Nobla jest to być może pierwsza nagroda za badanie cyklu snu i czuwania lub w ogóle za cokolwiek związanego ze snem. Nagrody nie otrzymał słynny somnolog Nathaniel Kleitman, a najwybitniejszego odkrycia w tej dziedzinie Eugene Azerinsky, który odkrył fazę snu REM (REM – Rapid Eye Movement, Rapid Eye Movement Phase), w zasadzie otrzymywał za swoje badania jedynie stopień doktora. osiągnięcie. Nic dziwnego, że w licznych prognozach (o których mówimy w naszym artykule) pojawiały się jakiekolwiek nazwiska i tematy badawcze, ale nie te, które zwróciły uwagę Komitetu Noblowskiego.

Dlaczego przyznano nagrodę?

Czym więc są rytmy dobowe i co dokładnie odkryli laureaci, którzy według sekretarza Komitetu Nobla wiadomość o nagrodzie powitali słowami „Żartujesz sobie?”

Jeffreya Halla, Michaela Rosbasha i Michaela Younga

Około dnia przetłumaczone z łaciny jako „około dnia”. Tak się składa, że ​​żyjemy na planecie Ziemia, gdzie dzień ustępuje nocy. I w trakcie dostosowywania się do różne warunki dzień i noc w organizmach pojawiły się wewnętrzne zegary biologiczne - rytmy biochemicznej i fizjologicznej aktywności organizmu. Wykazanie, że rytmy te mają charakter wyłącznie wewnętrzny, udało się wykazać dopiero w latach 80. XX w., wysyłając grzyby na orbitę Neurospora Crassa. Wtedy stało się jasne, że rytmy dobowe nie zależą od światła zewnętrznego ani innych sygnałów geofizycznych.

Genetyczny mechanizm rytmów dobowych został odkryty w latach 60. i 70. XX wieku przez Seymoura Benzera i Ronalda Konopkę, którzy badali zmutowane linie Drosophila o różnych rytmach dobowych: u muszek typu dzikiego oscylacje rytmu dobowego trwały 24 godziny, u niektórych mutantów - 19 godzin, w innych - 29 godzin, a dla innych w ogóle nie było rytmu. Okazało się, że rytmy regulowane są przez gen ZA - okres. Kolejny krok, który pomógł zrozumieć, jak powstają i utrzymują się tego typu wahania rytmu dobowego, wykonali obecni laureaci.

Samoregulujący mechanizm zegarowy

Geoffrey Hall i Michael Rosbash zaproponowali kodowanie genu okres Białko PER blokuje działanie własnego genu, a pętla sprzężenia zwrotnego pozwala białku zapobiegać własnej syntezie i cyklicznie regulować jego poziom w komórkach.

Zdjęcie przedstawia sekwencję zdarzeń w ciągu 24 godzin oscylacji. Kiedy gen jest aktywny, wytwarzany jest mRNA PER. Opuszcza jądro do cytoplazmy, stając się matrycą do produkcji białka PER. Białko PER gromadzi się w jądrze komórkowym, gdy aktywność genu okresu jest zablokowana. To zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego.

Model był bardzo atrakcyjny, jednak brakowało kilku elementów układanki, aby dopełnić obraz. Aby zablokować aktywność genu, białko musi przedostać się do jądra komórkowego, gdzie przechowywany jest materiał genetyczny. Jeffrey Hall i Michael Rosbash wykazali, że białko PER gromadzi się w jądrze przez noc, ale nie rozumieli, w jaki sposób mogło się tam dostać. W 1994 roku Michael Young odkrył drugi gen rytmu dobowego, ponadczasowy(angielski: „ponadczasowy”). Koduje białko TIM, które jest potrzebne do normalna operacja nasz wewnętrzny zegar. W swoim eleganckim eksperymencie Young wykazał, że tylko łącząc się ze sobą, TIM i PER mogą połączyć się w parę i przedostać się do jądra komórkowego, gdzie blokują gen okres.

Uproszczona ilustracja molekularnych składników rytmów dobowych

Ten mechanizm sprzężenia zwrotnego wyjaśnił przyczynę oscylacji, ale nie było jasne, co kontroluje ich częstotliwość. Michael Young odkrył inny gen podwójny czas. Zawiera białko DBT, które może opóźniać akumulację białka PER. W ten sposób oscylacje są „debugowane”, tak aby pokrywały się z cyklem dobowym. Odkrycia te zrewolucjonizowały naszą wiedzę na temat kluczowych mechanizmów ludzkiego zegara biologicznego. W ciągu kolejnych lat odkryto inne białka, które wpływają na ten mechanizm i utrzymują jego stabilną pracę.

Na przykład tegoroczni laureaci odkryli dodatkowe białka odpowiedzialne za gen okres praca i białka, za pomocą których światło synchronizuje zegar biologiczny (lub przy ostrej zmianie stref czasowych powoduje zmęczenie spowodowane zmianą strefy czasowej).

O nagrodzie

Przypomnijmy, że Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny (warto zauważyć, że w tytule oryginalnym zamiast „i” brzmi przyimek „lub”) jest jedną z pięciu nagród określonych w testamencie Alfreda Nobla w 1895 roku i jeśli zgodnie z literą dokumentu, powinna być przyznawana corocznie „za odkrycie lub wynalazek z zakresu fizjologii lub medycyny” dokonane w roku poprzednim i przynoszące maksymalna korzyść ludzkości. Wydaje się jednak, że „zasada ubiegłego roku” prawie nigdy nie była przestrzegana.

Obecnie Nagrodę w dziedzinie fizjologii lub medycyny tradycyjnie wręcza się na samym początku Tygodnia Nobla, w pierwszy poniedziałek października. Po raz pierwszy została przyznana w 1901 roku za stworzenie terapii surowicowej na błonicę. W sumie w historii nagrodę przyznano 108 razy, w dziewięciu przypadkach: w latach 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 i 1942 – nagrody nie przyznano.

Od 1901 do 2017 roku nagrodę przyznano 214 naukowcom, w tym kilkunastu kobietom. Jak dotąd nie było przypadku, aby ktoś dwukrotnie otrzymał nagrodę z medycyny, chociaż zdarzały się przypadki, gdy nominowano już istniejącego laureata (na przykład naszego). Jeśli nie wziąć pod uwagę nagrody za 2017 rok, to średni wiek Laureatka miała 58 lat. Najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny został laureat z 1923 r. Frederick Banting (nagroda za odkrycie insuliny, wiek 32 lata), najstarszym laureatem Nagrody Nobla z 1966 r. Peyton Rose (nagroda za odkrycie wirusów onkogennych, wiek 87 lat) ).

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za rok 2017. Byli to amerykańscy badacze Jeffrey Hall, Michael Rosbash i Michael Young. Nagroda zostanie przyznana „za odkrycie molekularnych mechanizmów kontroli rytmów dobowych”. Jakiego rodzaju są to rytmy i jakie mechanizmy nimi sterują? Dlaczego jest to takie ważne?

- Nadchodzi noc. Miasto zasypia, budzi się mafia.

O tym, że aktywność istot żywych zależy od pory dnia, wiadomo od niepamiętnych czasów. Wszyscy wiedzą, że w ciągu dnia pasą się krowy, o drugiej w nocy pieją koguty, a kocięta chwytają śpiących ludzi za pięty o drugiej w nocy. U każdego gatunku żywych istot, od jednokomórkowych cyjanobakterii po ogromne wielotonowe wieloryby i wielowiekowe drzewa, okresy aktywności zastępują okresy odpoczynku, w określonych porach dnia wydzielają się pewne hormony, liście zwijają się i rozwijają jak mechanizm zegarowy. Ale co to za zegarek? Jaka jest ich natura? Wiele kopii zostało zniszczonych w ciągu 300 lat, gdy ludzie próbowali odpowiedzieć na te pytania. W tym roku Nagrodę Nobla zasłużenie otrzymali ludzie, którzy jeśli nie położyli kresu, to przynajmniej odważnej linii dzielącej naukę o mechanizmach determinujących rytmy dobowe na „przed” i „po”.

Tło

Najbardziej logiczną odpowiedzią na pytanie, skąd bierze się ta okresowa aktywność, wydaje się być zegar słoneczny. Podobnie jak wschodzi słońce, aktywność gatunków „dziennych” wzrasta, a aktywność gatunków „nocnych” maleje. Głównym regulatorem jest oświetlenie i czynniki mu towarzyszące - wzrost i spadek temperatury, zmiany kierunku wiatru i wszystko w tym samym duchu. Z tego paradygmatu aktywnie korzystali starożytni Rzymianie, których dzień rozpoczynał się w momencie wschodu słońca nad horyzontem, a noc rozpoczynała się o zachodzie słońca. Ponieważ zarówno dzień, jak i noc składały się z 12 godzin, długość godziny dla Rzymian zależała zarówno od tego, czy była to godzina nocna, czy dzienna, jak i od pory roku.

Pierwszym, który zbadał, czy czynniki zewnętrzne rzeczywiście determinują aktywność istot żywych, był francuski astronom Jean-Jacques de Mero na początku XVIII wieku. Jako organizm modelowy posłużył się mimozą, która bardzo wyraźnie reaguje na zmianę dnia i nocy – w świetle dziennym jej drobne, delikatne listki zwrócone są ku słońcu, a w ciemności złożone i opuszczone. De Mero umieścił mimozę w ciemnym pudełku i ze zdumieniem obserwował, jak przez około tydzień mimo braku stymulacji światłem nadal składała i rozwijała swoje liście w odpowiednim czasie (ryc. 1). Na tej podstawie przyjął założenie, że rytm tego procesu wyznaczany jest od wewnątrz, a nie od zewnątrz.

Rysunek 1. Doświadczenie De Mero. Astronom zauważył, że mimoza zachowuje zdolność rozwijania liści rano i zwijania ich wieczorem, nawet bez ekspozycji na światło słoneczne.

Jak to często bywa w takich przypadkach, nowe zjawisko zostało na razie zapomniane i odkryte na nowo na początku XX wieku. Przez wiele dziesięcioleci toczyła się gorąca debata pomiędzy ideologami „wewnętrznego zegara” i „czynników środowiskowych”, aż w 1971 roku opublikowano przełomowy artykuł kalifornijskich naukowców, w którym wykazano, że rytmy dobowe mają charakter genetyczny. Pomysł jest nietrywialny, gdyż nawet zwolennicy „wewnętrznego zegara” uważali, że jeśli mają one charakter genetyczny, to liczba zaangażowanych genów powinna być bardzo duża, a mutacje nie będą znacząco wpływać na tę cechę.

Jako model wykorzystano muszki owocowe Drosophila. To były szalone czasy, nie wynaleziono jeszcze wzmacniaczy i sekwencerów, a zamiast pipet w laboratoriach stały kamienne siekiery. Eksperymentatorzy wlali mutageny do jaj much, powodując zmiany w losowych genach. I udało im się uzyskać trzy różne „rytmiczne” linie muszek owocowych. Pierwsza linia miała rytm dobowy trwający 28 godzin, druga 19 godzin, a w trzeciej zazwyczaj parametry rytmiczne nie podlegały żadnemu zauważalnemu cyklowi (ryc. 2). Dzięki szeroko zakrojonym badaniom z wykorzystaniem klasycznych metod genetyki badaczom udało się zlokalizować obszar odpowiedzialny za zmiany. Okazało się, że jest to gen znajdujący się na chromosomie płci X, który został nazwany okres. W tamtym czasie, przy braku metod molekularnych, nie można było posunąć się do przodu. Jaki to rodzaj genu i jak działa, pozostaje tajemnicą.

Ryc. 2. Zmutowane muszki owocowe z zakłóconymi rytmami dobowymi. Różne mutacje w genie okres może zmienić czas trwania cyklu dobowego w górę lub w dół, a nawet całkowicie go zniszczyć.

Dlaczego przyznano Nagrodę Nobla?

W połowie lat 80., kiedy kamienne topory zeszły już na dalszy plan, a pierwsze wzmacniacze nieśmiało zapuszczały korzenie w laboratoriach biologów, w Stanach Zjednoczonych nad problemem rytmów dobowych pracowały dwie grupy. Pierwszy pod przewodnictwem Jeffreya Halla i Michaela Rosbasha pracował na Uniwersytecie Brandeis w Massachusetts, drugi pod kierownictwem Michaela Younga na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku. Mniej więcej w tym samym czasie grupom tym udało się sklonować gen okres, sekwencję i przestudiuj jej sekwencję. Pierwsze dane na temat struktury genu i kodowanego przez niego białka nie dały jednoznacznej odpowiedzi na temat mechanizmów jego działania, dając początek wielu ciekawym teoriom.

Przede wszystkim nie było jasne, na jakim poziomie działa ten gen. Większość ówczesnych założeń wiązała jego produkt, nazwany PER, z białkami błonowymi, które albo regulują dostęp do komórki jakiejś substancji czynnej z zewnątrz, albo zmieniają charakter wzajemnego oddziaływania komórek. Jedno było jasne – musi istnieć jakiś oscylator o okresie 24 godzin, a jego działanie musi być bezpośrednio powiązane z białkiem PER.

I znaleziono ten oscylator - co dziwne, okazało się, że jest to samo białko PER. Hall i Rosbash wykazali, że w neuronach much stężenie tego białka przebiega w cyklu 24-godzinnym, ze szczytem około północy. mRNA tego białka podlegało temu samemu cyklowi, jednak jego pik stężenia był przesunięty kilka godzin wcześniej w stosunku do piku białka (zwykle piki takie powinny się pokrywać). Badacze uzyskali nonsensowne mutanty tego białka (w których syntetyzowany jest mRNA, ale białko nie) i zaobserwowali, że zanikają okresowe zmiany w stężeniu mRNA. Od razu nasunął się wniosek – białko PER jest jądrowym modulatorem transkrypcji i blokuje własną syntezę (ryc. 3.). A).

Rysunek 3. Organizm posiada oscylator składający się z białek, które negatywnie regulują ekspresję własnego mRNA. Dzięki rozbudowanemu systemowi regulatorów dodatnich i ujemnych, oscylator ma okres około 24 godzin i może dostosować swoją pracę do zmian w godzinach dziennych.

Na podstawie tego ustalenia postawiono hipotezę TTFL (Pętla informacji zwrotnej o transkrypcji i tłumaczeniu- sprzężenie zwrotne transkrypcja-tłumaczenie). Zgodnie z tą hipotezą oscylator rytmu dobowego składa się z jednego lub większej liczby białek, które kontrolują własną ekspresję poprzez negatywną regulację transkrypcji i/lub translacji. Było jasne, że to jeden gen okres nie jest w stanie w pełni zbudować rytmu dobowego, potrzebuje partnerów.

Partnerzy ci zostali odkryci przez Michaela Younga. Zidentyfikował gen, który nazwał ponadczasowy, którego mRNA i produkt (białko TIM) również podlegały 24-godzinnym oscylacjom. Okazało się, że białka PER i TIM mogą przedostać się do jądra jedynie poprzez wzajemne oddziaływanie. Jedno bez drugiego nie jest w stanie działać, a co więcej – bez komunikacji ulegają natychmiastowemu zniszczeniu w proteasomie. Razem dostają się do jądra i blokują własną ekspresję (ryc. 3 A).

Później odkryto także pozytywne regulatory ekspresji tych genów, co jeszcze bardziej skomplikowało obraz. Zidentyfikowano także powiązania z czynnikami środowiskowymi. Ci, którzy w podróży przekroczyli wiele stref czasowych, wiedzą, że początkowo organizm nie może przystosować się do nowych godzin światła dziennego, ale po kilku dniach rytmy dobowe synchronizują się z rzeczywistością, a życie znów staje się piękne, a sen zdrowy.

Jak się okazało, za takie dostrojenie odpowiada cały zestaw białek regulatorowych wpływających na ten sam oscylator PER-TIM (rys. 3). B). Na przykład Young odkrył, że białko CRY, które aktywuje się w odpowiedzi na zwiększone światło otoczenia, wiąże TIM i poddaje go degradacji. Zatem wczesny lub późny poranek zmienia charakterystykę piku TIM, co z kolei zmienia profil ekspresji PER. Po kilku dniach rytm dobowy stabilizuje się w nowym położeniu.

Wszystkie te dane i skutecznie potwierdzone hipotezy dość znacząco zmieniły nasze rozumienie rytmów dobowych. Teoria oscylatora wewnętrznego została jednoznacznie potwierdzona dzięki wysiłkom Halla, Rosbasha i Younga, za co zasłużenie otrzymali Nagrodę Nobla. Jednak badania w tym interesującym obszarze wciąż trwają.

Nie tylko muchy...

Muchy są oczywiście dobre, ale co ze ssakami w ogóle, a ludźmi w szczególności? Wszystko okazało się ogólnie podobne, ale różne w szczegółach. Rytmy dobowe u ssaków dzielą się na centralne i peryferyjne. Centralnym regulatorem jest jądro nadskrzyżowaniowe podwzgórza w mózgu. Kiedy zmienia się rytm oświetlenia, jako pierwszy zmienia swój cykl działania układu białek PER. Pod kontrolą tego jądra w szyszynce wydziela się melatonina (hormon snu), poprzez którą reguluje rytmy dobowe w innych tkankach organizmu.

Wiele funkcji fizjologicznych komórek i tkanek zostało powiązanych z białkami kaskady dobowej (ryc. 4). Na przykład rano odpowiedź insulinowa trzustki na spożycie węglowodanów jest silniejsza niż wieczorem. I nie da się tego nawet wytłumaczyć nocnym „strajkiem głodowym” - zwierząt, które są za 24 godziny stała prędkość wstrzyknął glukozę do krwi, miał najniższy poziom (a najwyższy poziom insuliny) rano. Podobnie zmienia się wchłanianie tłuszczów i białek. Zatem tak częsta w magazynach fitness rada „nie jeść po 18. roku życia” okazuje się mieć podłoże fizjologiczne.

Rycina 4. Wiele aspektów funkcjonowania organizmu człowieka zależy od pory dnia i jest kontrolowanych przez rytmy dobowe.

Rytmy dobowe generalnie wpływają na niemal każdy obszar naszej fizjologii. Nasza wydajność, poziom prawie wszystkich głównych hormonów, chorób itp. zależą od pory dnia. Oczywiście istnieją już grupy otrzymujące granty na temat związku zaburzeń rytmów dobowych z chorobami nowotworowymi, neurodegeneracyjnymi i choroby układu krążenia i inne ciekawe tematy.

Badania nad związkiem między rytmami dobowymi a starzeniem się są bardzo obiecujące. Wiadomo, że jądro nadskrzyżowaniowe z wiekiem ulega degradacji i na starość nie funkcjonuje już tak regularnie. Starsi ludzie znacznie gorzej potrafią przystosować się do zmian stref czasowych, gorzej tolerują wymuszone czuwanie i gorzej regenerują się podczas snu. Na gryzoniach naukowcy wykazali, że zaburzenie genów rytmu dobowego prowadzi do znacznego skrócenia oczekiwanej długości ich życia i, co ciekawe, do wcześniejszego wystąpienia chorób „związanych z wiekiem”.

Dalszy rozwój

Obecnie biologia okołodobowa rozwija się w zawrotnym tempie. Badane są możliwości wpływu farmakologicznego na rytmy dobowe, zwłaszcza te zakłócone z powodu lotów, wieku lub choroby. Preparaty melatoninowe dla podróżnych można już kupić w aptekach.