Лауреаты Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине - американцы Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш - получили наград у "за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом".

Вместе с редакцией научно-популярного портала "Чердак" разобрались, что это за механизмы, как они работают и зачем клетке знать, который час.

Что такое циркадный ритм?

За четыре с лишним миллиарда лет, которые существует Земля, условия жизни на ней постоянно менялись. Но одно практически всегда оставалось неизменным - 24-часовые сутки, смена дня и ночи, вызванная вращением планеты вокруг своей оси. За это время земная жизнь приспособилась к закатам и рассветам и обзавелась собственными внутренними часами. Этим циркадным (от лат. circa — "вокруг, примерно, около" и dies — "день") ритмам безжалостно подчинены очень многие процессы в организме: помимо сна и бодрствования, это, например, обмен веществ, гормональный уровень, температура тела и даже (опосредованно) поведение.

О том, как важны для нас естественные "внутренние часы", говорят многие исследования. Например, искусственное продление светового дня может вызывать ожирение и связанные с ним заболевания (вроде диабета). В разное время суток организм по-разному подвержен инфекциям: биологические часы животных влияют на способность вирусов к репликации и распространению. С циркадными ритмами может быть связано даже восприятие цветов - это показали на примере того самого платья, из-за которого в 2015 году чуть не разругался интернет.

За что именно вручили премию в 2017 году?

Александра Пучкова, старший научный сотрудник лаборатории нейробиологии сна и бодрствования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, рассказала, что лауреаты 2017 года обнаружили "клеточные часы" у мушек-дрозофил. Уже потом ученые выяснили, что этот часовой механизм довольно универсален - аналогичным способом смена дня и ночи закреплена на генетическом уровне и у других животных и человека.

Впервые ген, влияющий на циркадный ритм, идентифицировали еще в 70-е годы. Тогда ученые назвали его period. Двое сегодняшних лауреатов, Джеффри Холл и Майкл Росбаш, в 1984 году сумели изолировать этот ген. Затем они показали, что белок PER, кодирующий ген, накапливается ночью и разрушается днем.

"[Лауреаты] на мушках-дрозофилах выяснили, что есть один ген. Потом оказалось, что этих генов на самом деле много, они регулируют друг друга, и если их изменять, то этот период может стать больше или меньше 24-х часов, а если его сломать, то он [ген ] вообще исчезнет. А потом выяснили, что очень похожий механизм есть у человека… Они показали, как вся эта машинка работает", — пояснила Александра Пучкова.

Научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии Карельского научного центра РАН Ирина Курбатова не удивлена, что премию дали именно за эти работы - по ее словам, это крайне перспективная область научных исследований, непосредственно связанная как с фундаментальной медициной, так и с медицинской практикой.

Что дальше?

Интересно, что "часы", найденные Холлом, Росбашем и Янгом, работают во всех клетках, имеющих ядро. Именно так они вмешиваются во все биологические процессы, которыми интересуется новая область науки, хронобиология.

Хронобиологи вместе с сомнологами (специалистами по сну) и другими учеными пытаются выяснить, как можно повлиять на перестройку "внутренних часов", которая, например, происходит, когда вы осуществляете перелет в другой часовой пояс или работаете в ночную смену. Как поясняют ученые, химические "часы" в нашем организме умеют воспринимать внешние сигналы — в первую очередь свет. А это значит, что с помощью светотерапии можно будет лечить депрессию или сезонное аффективное расстройство, вызванное неестественно коротким световым днем.

Помимо прочего, циракадные ритмы регулируют ритм артериального давления, и если их работа нарушена, у человека возникает повышенный риск сердечно-сосудистых патологий.

Так что исследования нобелевских лауреатов подвели теоретическую основу под целую область медицины.

Открытие молекулярных механизмов работы циркадного ритма

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2017 г. получили американские исследователи Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш – ​за многолетние исследования генетических основ циркадных ритмов («биологических часов»). Янг работает в Нью-Йоркском университете Рокфеллера, а Холл и Росбаш – ​в Брандейском университете в Массачусетсе

Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2017 г. присуждена за открытие генов, определяющих работу биологических часов – ​внутриклеточного механизма, который управляет циклическими колебаниями интенсивности различных биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи. Суточные или околосуточные (циркадные ) ритмы присутствуют во всех живых организмах от цианобактерий до высших животных.

Нужно понимать, что любое достижение, которое награждается таким почетным титулом, опирается на исследования предшественников. Впервые представление о биологических часах возникло еще в XVII в., когда французский астроном Жан Жак де Меран обнаружил, что у растений суточный ритм движения листьев происходит даже в темноте, он «запрограммирован» в самом растении, а не обусловлен окружающей средой. С этого момента началась работа по изучению феномена. Было установлено, что практически все живые организмы способны формировать циклические процессы с суточным или околосуточным периодом. Оказалось, что при отсутствии главного внешнего фактора синхронизации – ​смены дня и ночи – ​организмы продолжают жить суточным ритмом, хотя период этого ритма в зависимости от индивидуальных особенностей становится немного короче или длиннее суток.

Генетическая основа биологических часов была впервые установлена в 1970-х гг., когда у плодовой мушки Drozophila melanogaster был открыт ген Per (от слова period ). Это сделали Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института. Они провели масштабный эксперимент, работая с сотнями линий мух и получая новые линии 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), а также появилась группа «аритмиков», у которых наблюдался полностью асинхронный цикл. Пытаясь понять, можно ли идентифицировать гены, которые контролируют циркадный ритм у дрозофил, ученые продемонстрировали, что циркадные ритмы мух нарушают мутации 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. они выделили и секвенировали ген Per и выяснили, что уровень кодируемого им белка меняется с суточной периодичностью, достигая пика в ночное время и снижаясь днем.

Удостоенное Нобелевской премии открытие дало новый толчок к тому, чтобы пытаться понять, почему механизмы циркадных ритмов работают так, а не иначе, почему период различается межиндивидуально и устойчив к внешним факторам, таким как температура (Pittendrich, 1960). Например, работы, выполненные на цианобактериях, показали, что с повышением температуры на 10 °C водоросли сохраняют циклические процессы, и их период изменяется всего на 10-15 %, тогда как по законам химической кинетики должен измениться в два раза. Последнее стало настоящим вызовом, поскольку все биохимические реакции должны подчиняться законам химической кинетики.

Сейчас ученые сошлись во мнении, что период устойчив потому, что суточный цикл определяется не одним геном и продуцируемым им белком. В 1994 г. Янг открыл у дрозофилы ген Tim , кодирующий белок, участвующий в управлении уровнем белка PER по принципу обратной связи. При повышении температуры возрастает как наработка белков, участвующих в формировании циркадного цикла, так и наработка других белков, которые ее тормозят, а работа биологических часов не сбивается.

Сейчас известны базовые механизмы циркадных ритмов, но множество деталей остаются непонятными. Например, как в одном организме одновременно сосуществуют несколько «часов», как реализуется несколько процессов, идущих с разным периодом? Когда проводились эксперименты, во время которых люди жили в помещениях или в пещере без информации о времени дня и ночи, их температура тела, секреция стероидных гормонов и т. п. имели период около 25 ч. При этом периоды сна и бодрствования, хотя в среднем также держались около суточного, у некоторых варьировались от 15 до 60 ч (Wever, 1975).

Изучение циркадных ритмов важно и для понимания функционирования организма в экстремальных условиях, например в Арктике, когда во время полярного дня и ночи исчезают естественные факторы синхронизации суточных ритмов. Существуют убедительные данные о том, что при долгом пребывании в такой среде у человека происходят существенные изменения суточных ритмов целого ряда функций организма (Мошкин, 1984). Сейчас становится понятно, что это один из факторов, который влияет на здоровье человека, и когда известна молекулярная основа циркадных ритмов, можно анализировать, какие варианты генов более или менее благоприятны для работы в полярных условиях.

Циркадные ритмы влияют на обменные процессы, работу иммунной системы и процесс воспаления, на кровяное давление, температуру тела, функции мозга и многое другое. От времени суток зависят эффективность некоторых лекарств и их побочные эффекты. При вынужденном несоответствии внутренних часов и внешних, например, в результате широтного перелета или работы в ночную смену, могут наблюдаться разнообразные дисфункции организма: расстройства желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистой системы, депрессии, повышается риск развития онкологических заболеваний.

Литература

Мошкин М. П. Влияние естественного светового режима на биоритмы полярников // Физиология человека. 1984. Т. 10. № 1. С. 126-129.

Pittendrigh C. S. Circadian rhythms and the circadian organization of living systems // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960. V. 25. P. 159-184.

Wever R. The circadian multi-oscillator system of man // Int J Chronobiol. 1975. V. 3. N. 1. P. 19-55.

Нобелевский комитет сегодня определился с лауреатами премии по физиологии и медицине 2017 года. В этом году премия снова отправится в США: награду разделили Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн. Согласно решению Нобелевского комитета, эти исследователи награждены «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы»..

Нужно сказать, что за всю 117-летнюю историю Нобелевской премии это, пожалуй, первая премия за изучение цикла «сон-бодрствование», как и вообще за что-либо связанное с сном. Не получил премию знаменитый сомнолог Натаниэль Клейтман, а совершивший самое выдающееся открытие в этой области Юджин Азеринский, открывший REM-сон (REM - rapid eye movement, фаза быстрого сна), вообще получил за свое достижение лишь степень PhD. Неудивительно, что в многочисленных прогнозах (о них мы в своей заметке) звучали какие угодно фамилии и какие угодно темы исследований, но не те, которые привлекли внимание Нобелевского комитета.

За что дали премию?

Итак, что же такое циркадные ритмы и что конкретно открыли лауреаты, которые, по словам секретаря Нобелевского комитета, встретили известие о награде словами «Are you kidding me?».

Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг

Circa diem с латинского переводится как «вокруг дня». Так уж сложилось, что мы живем на планете Земля, на которой день сменяется ночью. И в ходе приспособления к разным условиям дня и ночи у организмов и появились внутренние биологические часы - ритмы биохимической и физиологической активности организма. Показать, что у этих ритмов исключительно внутренняя природа, удалось только в 1980-х, отправив на орбиту грибы Neurospora crassa . Тогда стало ясно, что циркадные ритмы не зависят от внешних световых или других геофизических сигналов.

Генетический механизм циркадных ритмов обнаружили в 1960–1970-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка, которые изучали мутантные линии дрозофил с отличающимися циркадными ритмами: у мушек дикого типа колебания циркадного ритма имели период 24 часа, у одних мутантов - 19 часов, у других - 29 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. Оказалось, что ритмы регулируются геном PER - period . Следующий шаг, который помог понять, как появляются и поддерживаются такие колебания циркадного ритма, сделали нынешние лауреаты.

Саморегулирующийся часовой механизм

Джеффри Холл и Майкл Росбаш предположили, что кодируемый геном period белок PER блокирует работу собственного гена, и такая петля обратной связи позволяет белку предотвращать собственный синтез и циклически, непрерывно регулировать свой уровень в клетках.

Картинка показывает последовательность событий за 24 часа колебаний. Когда ген активен, производится м-РНК PER. Она выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Это и замыкает петлю обратной связи.

Модель была очень привлекательной, но для полной картины не хватало нескольких деталей паззла. Чтобы заблокировать активность гена, белку нужно пробраться в ядро клетки, где хранится генетический материал. Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре за ночь, но не понимали, как ему удается попадать туда. В 1994 году Майкл Янг открыл второй ген циркадного ритма, timeless (англ. «безвременный»). Он кодирует белок TIM, который нужен для нормальной работы наших внутренних часов. В своем изящном эксперименте Янг продемонстрировал, что, только связавшись друг с другом, TIM и PER в паре могут проникнуть в ядро клетки, где они и блокируют ген period .

Упрощенная иллюстрация молекулярных компонентов циркадных ритмов

Такой механизм обратной связи объяснил причину появления колебаний, но было непонятно, что же контролирует их частоту. Майкл Янг нашел другой ген, doubletime . В нем «записан» белок DBT, который может задержать накапливание белка PER. Так и происходит «отладка» колебаний, чтобы они совпадали с суточным циклом. Эти открытия совершили переворот в нашем понимании ключевых механизмов биологических часов человека. В течение последующих лет были найдены и другие белки, которые влияют на этот механизм и поддерживают его стабильную работу.

Например, лауреаты этого года обнаружили дополнительные белки, которые заставляют ген period работать, и белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы (или при резкой смене часовых поясов вызывает джетлаг).

О премии

Напомним, что Нобелевская премия по физиологии и медицине (стоит заметить, что в оригинальном названии на месте «и» звучит предлог «или») - одна из пяти премий, определенных завещанием Альфреда Нобеля 1895 года и, если следовать букве документа, должна ежегодно вручаться «за открытие или изобретение в области физиологии и медицины», сделанное в предыдущий год и принесшее максимальную пользу человечеству. Впрочем, «принцип прошлого года» не соблюдался, кажется, почти никогда.

Сейчас премия по физиологии и медицине традиционно присуждается в самом начале нобелевской недели, в первый понедельник октября. Впервые ее вручили в 1901 году за создание сывороточной терапии дифтерии. Всего за всю историю премия была вручена 108 раз, в девяти случаях: в 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 и 1942 годах - премия не присуждалась.

За 1901–2017 годы премия присуждена 214 ученым, дюжина из которых - женщины. Пока что не было случая, чтобы кто-то получил премию по медицине дважды, хотя случаи, когда номинировали уже действующего лауреата, были (например, наш ). Если не учитывать премию 2017 года, то средний возраст лауреата составил 58 лет. Самым молодым нобелиатом в области физиологии и медицины стал лауреат 1923 года Фредерик Бантинг (премия за открытие инсулина, возраст - 32 года), самым пожилым - лауреат 1966 года Пейтон Роус (премия за открытие онкогенных вирусов, возраст - 87 лет).

Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили троим исследователям, чьи работы помогли нам понять, как работают биологические часы.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. (Фото: Chinese University Of Hong Kong Handout / EPA.)

Колебания белка PER – молекулярная пружина суточных ритмов: накапливаясь в клетке, белок проникает в ядро и подавляет активность собственного гена; затем PER постепенно разрушается и освобождает свой ген – цикл повторяется. (Иллюстрация: Nobelprize.org.)

Жизнь на Земле с самого начала должна была приспосабливаться к тому, что день регулярно сменяет ночь, а ночь сменяет день. Почти все живые существа обзавелись специальным часовым механизмом, который переключает организм из дневного режима в ночной и обратно. Самая наглядная демонстрация того, как работают биологические часы, – чередование сна и бодрствования. Но биологические часы – это не только сон. Известно, что днем и ночью у нас разная температура тела, что днем и ночью у нас по-разному работают сердце и сосуды, что обмен веществ подчиняется суточным (или циркадным, или циркадианным) колебаниям. И то же самое можно сказать про другие живые организмы – про животных и про растения, про одноклеточных и многоклеточных.

То, что живой мир подчиняется какому-то внутреннему хронометру, заметили довольно давно. Еще в первой половине XVIII века французский астроном Жан-Жак де Меран обратил внимание на то, что растения гелиотропов, которые поворачивают соцветия вслед за солнцем и опускают свои листья на ночь, продолжают поднимать и опускать листья в полной круглосуточной темноте. Иными словами, дело вовсе не в том, есть солнце или нет, а в каком-то внутреннем механизме. Но что это за механизм? Ведь ни движение листьев, ни колебания температуры тела, ни сон – это не механизм, это лишь следствия его функционирования.

В начале 70-х годов прошлого века генетикам удалось найти зону в геноме дрозофил, которая управляла суточными ритмами. Если в эту геномную зону попадали какие-то изменения, суточный ритм мух выходил из 24-часового расписания, так что одни мухи жили так, как если бы в сутках было меньше часов – например, всего 19, а для других мух сутки увеличивались до 29 часов. Очевидно, все дело было в каком-то гене, который здесь находился. Он получил название period или per .

В 1984 году нынешние нобелевские лауреаты – Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall ) и Майкл Росбаш (Michael Rosbash ), которые тогда работали в Брандейском университете, и Майкл Янг (Michael W. Young ) из Рокфеллеровского университета – сообщили сразу в двух статьях, что им удалось точно определить, где в геноме дрозофил сидит ген per. Впоследствии Холл и Росбаш сумели показать, что уровень белка PER в клетках колеблется в зависимости от времени суток: ночью его становится все больше, а днем, наоборот, все меньше и меньше. Вот, казалось бы, прекрасная молекулярная пружина, определяющая ход биологических часов.

Но почему белка становится то больше, то меньше? Проще всего было бы объяснить это отрицательной обратной связью. Как известно, многие белки блокируют работу собственных генов: если белковых молекул становится слишком много, они подавляют активность собственного гена, и не дают синтезировать новые копии РНК (напомним, что РНК-копия нужна для синтеза белка, без РНК никакого белка не получится).

Одновременно в клетке работают молекулярные машины, расщепляющие белки, и белок PER в том числе. Его становится все меньше, и в конце концов он освобождает собственный ген, так что тот начинает снова работать – цикл повторяется. Сам белок PER может взаимодействовать и с другими генами, повышая или понижая их активность, а те, в свою очередь, могут работать еще с каким-то набором генов – таким образом, за счет колебаний PER можно настроить работу множества внутриклеточных процессов. Заодно заметим, что в такой модели смена дня и ночи вообще не требуется – циклические молекулярные изменения происходят сами по себе, хотя, конечно, в действительности в живых организмах время суток, то бишь режим освещенности влияет на работу циркадных молекул.

Модель, в которой белок PER управляет собственной концентрацией, легко и изящно объясняла функционирование суточных ритмов, но поначалу в ней были некоторые белые пятна. Если вспомнить, что белки синтезируются в цитоплазме клетки, а ДНК сидит в клеточном ядре, то возникает вопрос: как PER проникает в ядро? То, что он проникает, доказали те же Холл и Росбаш, но кто ему помогает туда проникнуть? Загадка разрешилась в 1994 году, когда Майкл Янг нашел белку PER помощника – им оказался ген timeless и его белок TIM, который, как оказалось, абсолютно необходим для нормального хода биологических часов. Чтобы проникнуть в ядро, белку PER нужен белок TIM. Впоследствии Майкл Янг нашел еще один важный суточный белок – DBT, кодируемый геном doubletime . Задача белка DBT – делать так, чтобы PER накапливался и разрушался в соответствии с 24-часовым циклом. Иными словами, DBT контролирует точность хода биологических часов.

Конечно, это не все белки, от которых зависят суточные ритмы; в частности, как мы говорили выше, есть специальные молекулы, которые сообщают часовому механизму, много ли снаружи света (белки, которые синхронизируют аппарат биологических часов со временем суток, тоже открыли Холл, Росбаш и Янг). Тем не менее, принципиальная схема осталась неизменной: чтобы суточные ритмы работали, нужен PER, которого в клетке то много, то мало, нужен TIM, которые поможет PER проникнуть в ядро, и нужен DBT, который следит за частотой PER. И, что важно, схема эта оказалась универсальной – не только у дрозофил суточные часы работают по такой схеме, но вообще у всех живых существ.

Конечно, тут стоит напомнить, сколь много знание циркадного механизма значит для медицины. В последнее время мы все чаще слышим о том, какие проблемы могут возникнуть из-за сломанных биологических часов – что неудивительно, если учесть, сколько всего от них зависит. И речь не только о нарушениях сна; есть данные, что из-за проблем с суточными ритмами повышается вероятность , и что расстроенные биологические часы способствуют накоплению – со всеми вытекающими метаболическими проблемами.

Конечно, относительно суточных ритмов есть еще масса вопросов, связанных с их регуляцией и настройкой, с иерархией и взаимоотношениями часов из разных органов и тканей; наконец, есть кроме суточных ритмов, есть и месячные, и сезонные, и очевидно, что они как-то с суточными «коллегами».

Однако все это не отменяет того очевидного факта, что Холл, Росбаш и Янг раскрыли глубинную суть одного из самых фундаментальных свойств всех живых организмов, а растущее день ото дня количество статей на тему биологических часов говорит о том, что нынешним лауреатам удалось создать целое направление в современной биологии.