Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы. Нобелевская премия по физиологии и медицине. Досье

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.

В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины. На этот раз премии удостоились Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг (Jeffrey Hall, Michael Rosbash, Michael Young) за открытие молекулярных механизмов, лежащих в основе циркадных ритмов - суточных колебаний различных параметров организма, характерных практически для всех живых существ. Прямая трансляция объявления победителя велась на сайте Нобелевского комитета. Подробнее о работе лауреатов можно узнать в пресс-релизе Нобелевского комитета.

Исследователи независимо друг от друга открыли на плодовой мушке Drosophila melanogaster ген и белок period , концентрация которого колеблется с периодичностью 24 часа и определяет работу «биологических часов» животного.

Циркадные ритмы (от латинских слов circa и diem , что переводится примерно как «в течение дня»), которые чаще называют биологическими часами, обнаружены у бактерий, грибов, растений и животных и представляют собой биохимический осциллятор, т.е. регулярную колебательную систему. Биологические часы регулируют не только чередование сна и бодрствования, но и пищевое поведение, а у млекопитающих - кровяное давление и концентрацию гормонов (в частности, кортизола и мелатонина). Несмотря на их «внутреннюю» природу, активность часов регулируется внешними факторами, главным из которых является свет.

Впервые мутации, нарушающие циркадные ритмы (clock mutations), были обнаружены Рональдом Конопкой и Сеймуром Бензером - их публикация, описывающая мух с нарушенным режимом вышла в 1971 году (оба исследователя уже умерли, а посмертно премию не вручают). Ученые дали соответствующее название (period) локусу, в котором были сосредоточены мутации.

Более основательное изучение биологических часов на молекулярном уровне началось в 80х годах в лаборатории Янга в университете Рокфеллера и в университете Брандейса, в котором работали Холл и Росбаш. Нынешние лауреаты Нобелевской премии независимо друг от друга определили координаты гена period и его нуклеотидную последовательность.

Холл и Ройбаш смогли идентифицировать продукт гена period - белок PER. Ночью этот белок накапливается, а в течение дня деградирует. Колебания концентрации белка PER соответствовали циркадным ритмам мух. Оказалось, что PER регулирует экспрессию собственного гена, однако для этого ему необходим партнер - белок TIM, кодируемый геном timeless . Майкл Янг в своей работе идентифицировал этот ген и показал, как комплекс белков PER и TIM попадает в ядро и блокирует активность гена period.

Всего за последующие 30 лет с момента идентификации гена period на дрозофиле было открыто десять генов, работа которых полностью определяет циркадные ритмы. Шесть из десяти генов были найдены в лаборатории Янга в университете Рокфеллера. Там же было показано, что почти семь процентов генов в мозге дрозофилы экспрессируются согласно колебаниям циркадного ритма.

Нобелевский комитет выбрал победителей из списка кандидатов, включающего 361 заслуженного ученого. По прогнозам журналистов и агентства Clarivate Analytics , которое предсказывает лауреатов на основании индекса цитируемости их научных работ, премию в этом году могли бы вручить за изучение механизмов развития рака, либо за разработки в области иммуно-онкологии - открытия, позволившие создать препараты для лечения рака на основе антител. Однако предсказатели снова ошиблись. Основанием для подобного прогноза стало предположение, что Нобелевский комитет должен чередовать премии за фундаментальные открытия с премиями за практические разработки.

Дарья Спасская

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2017 год присуждена американским профессорам Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу. Они изучали механизм, регулирующий циркадные ритмы организма, так называемые клеточные часы. Представляя лауреатов, эксперт Нобелевского комитета особо подчеркнул, что сама эта проблема далеко не нова. Еще в XVIII веке один французский ученый обратил внимание на некоторые цветы, которые раскрываются утром и закрываются на ночь. Биолог поставил эксперимент, поместив цветы в полную тьму на несколько дней. И они вели себя так, словно находились в естественных условиях. Аналогичная картина наблюдалась при изучении других растений и животных. Тогда впервые была выдвинута гипотеза о внутренних часах живых организмов. В чем их суть?

Каждый из нас знает, что такое обычные часы, мы измеряем время с помощью маятника. Но оказывается, почти все живое имеет свои внутренние часы, а вместо маятника в нас "работает" смена дня и ночи, которые являются следствием поворота Земли вокруг своей оси, - сказал корреспонденту "РГ" профессор Сколковского института науки и технологий, профессор Ратгерского университета, заведующий лабораториями в Институте молекулярной генетики РАН и Институте биологии гена РАН Константин Северинов. - С самого начала появления жизни все живое должно было адаптироваться к такой смене. Включить эти маленькие часы в каждой клетке любого организма. И жить по ним. В соответствии с их "показаниями" менять свою физиологию - бегать, спать, питаться и так далее.

Нынешние лауреаты в конце 70-х решили заглянуть внутрь этих часов и понять, как они работают. Для этого они изучали мух дрозофил, отбирали насекомых с мутациями, у которых циклы сна и бодрствования изменены. Скажем, некоторые вообще спали совершено беспорядочно. Так удалось выявить гены, которые отвечают, чтобы циклы были правильные и скоординированные.

А потом ученые разобрались в молекулярной подоплеке этих часов, - говорит Северинов. - Оказалось, выявленные гены так управляют наработкой определенных белков, что ночью они накапливаются, а днем разваливаются. По сути, такое колебание концентрации и является своеобразным маятником в нашем организме. И в зависимости от этого в клетке происходит активация различных генов, что в итоге и управляет многими процессами.

Затем ученые выяснили, что точно такой же механизм работает не только у мух, но и у всего живого. Его придумала природа, чтобы в организме считать время. Практическое значение этого открытия очевидно, скажем, множество психических расстройств связано с нарушением сна из-за сбоев в системе циркадных циклов.

Оценивая присуждение этой премии, ряд специалистов уже заявляют, что это "спокойная премия", она не станет взрывом в мировой науке хотя бы потому, что сделана несколько десятков лет назад. Более того, награждение старых работ становится тенденцией. В то же время Нобелевский комитет прошел мимо сенсационной работы по редактированию генома, что стало бумом последних лет. "Не согласен с таким с мнением, - говорит Северинов. - Редактирование генома свою премию получить успеет, причем это не совсем открытие, а скорее генетическая техника. А клеточные часы - это настоящая, глубокая фундаментальная наука, она объясняет, как устроен мир.

Надо отметить, что прогноз компании Thomson Reuters, которая занимается предсказанием лауреатов с 2002 года и наиболее часто по сравнению с конкурентами угадывает лауреатов, на этот раз ошиблась. Они ставили на американских ученых, которые занимаются проблемами рака.

Церемония награждения лауреатов пройдет по традиции 10 декабря в день кончины основателя Нобелевских премий - шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896). Размер Нобелевской премии в 2017 году составляет девять миллионов шведских крон (миллион долларов США).

Джеффри Холл родился в 1945 году в Нью-Йорке, с 1974 г. работал в Брандейском университете, Майкл Росбаш родился в Канзас-сити, также работает в Брандейском университете, Майкл Янг родился в 1945 году в Майами, работает в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке.

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.