1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Нобелевская премия за биоритмы — что открыли три американца

Как работают биологические часы организма. За что дали Нобелевскую премию по медицине в 2017 году

Трое американских ученых разделили высшую научную награду за исследования механизма работы внутренних часов в живых организмах

Топ-Новость

Топ-Новость

Трое американских ученых разделили высшую научную награду за исследования механизма работы внутренних часов в живых организмах

Жизнь на Земле приспособлена к вращению нашей планеты вокруг Солнца. Уже много лет мы знаем о существовании внутри живых организмов, включая людей, биологических часов, которые помогают предвидеть суточный ритм и приспособиться к нему. Но как именно работают эти часы? Американские генетики и хронобиологи Джефри Холл, Майкл Розбаш и Майкл Янг смогли заглянуть внутрь этого механизма и пролить свет на его скрытую работу. Их открытия объясняют, как растения, животные и люди приспосабливают свои биологические ритмы, чтобы синхронизироваться с суточным циклом вращения Земли.

Используя плодовых мух в качестве подопытных организмов, лауреаты Нобелевской премии-2017 выделили ген, который контролирует нормальный суточный ритм у живых существ. Также они показали, как этот ген кодирует белок, который накапливается в клетке ночью и распадается в течение дня, заставляя ее тем самым соблюдать этот ритм. Впоследствии они идентифицировали дополнительные белковые компоненты, управляющие механизмом самоподдерживающихся «часов» внутри клетки. И теперь мы знаем, что биологические часы функционируют по одному и тому же принципу как внутри отдельных клеток, так и внутри многоклеточных организмов, например, людей.

Благодаря исключительной точности наши внутренние часы приспосабливают нашу физиологию к таким разным фазам суток – утру, дню, вечеру и ночи. Эти часы регулируют столь важные функции, как поведение, уровень гормонов, сон, температуру тела и метаболизм. Наше самочувствие страдает, когда происходит рассинхронизация внешней среды и внутренних часов. Пример – так называемый джетлаг, возникающий у путешественников, которые перемещаются из одного часового пояса в другой, а потом еще долго не могут приспособиться к сдвигу дня и ночи. Спят в светлое время суток и не могут уснуть в темное. На сегодня существует также много доказательств того, что хроническое несовпадение между образом жизни и естественными биоритмами повышает риск различных заболеваний.

Наши внутренние часы невозможно обмануть

Большинство живых организмов четко адаптируются к суточным изменениям окружающей среды. Одним из первых наличие этой адаптации доказал еще в XVIII веке французский астроном Жан-Жак д’Ортуа де Майран. Он наблюдал за кустом мимозы и обнаружил, что ее листья поворачиваются за солнцем в течение дня и закрываются с закатом. Ученый задался вопросом, что бы случилось, если бы растение оказалось в постоянной темноте? Поставив простой эксперимент, исследователь обнаружил, что, независимо от наличия солнечного света, листья подопытной мимозы продолжают совершать свои привычные суточные движения. Как оказалось, у растений есть свои внутренние часы.

Более поздние исследования доказали, что не только растения, но также животные и люди подчиняются работе биологических часов, которые помогают приспособить нашу физиологию к суточным изменениям. Эта адаптация называется циркадным ритмом. Термин происходит от латинских слов circa – «около» и dies – «день». Но то, как именно работают эти биологические часы, долго оставалось загадкой.

Обнаружение «часового гена»

В 1970-е годы американский физик, биолог и психогенетик Сеймур Бензер вместе со своим учеником Рональдом Конопкой исследовал, можно ли выделить гены, которые контролируют циркадный ритм у плодовых мух. Ученым удалось показать, что мутации в неизвестном им гене нарушают этот ритм у подопытных насекомых. Они назвали его геном периода. Но каким образом этот ген влиял на циркадный ритм?

Лауреаты Нобелевской премии за 2017 год также проводили опыты на плодовых мухах. Их целью было открыть механизм работы внутренних часов. В 1984 г. Джефри Холл и Майкл Розбаш, которые тесно сотрудничали друг с другом в стенах Брандейского университета Бостона, а также Майкл Янг из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке успешно изолировали ген периода. Холл и Розбаш затем обнаружили, что белок PER, кодирующийся этим геном, накапливается клетками в течение ночи и разрушается днем. Таким образом, уровень этого белка колеблется в течение 24-часового цикла синхронно с циркадным ритмом. Был обнаружен «маятник» внутренних клеточных часов.

Саморегулирующийся часовой механизм

Следующая ключевая цель заключалась в том, чтобы понять, как эти циркадные колебания могут возникать и поддерживаться. Холл и Розбаш предположили, что белок PER в течение суточного цикла блокирует активность гена периода. Они полагали, что с помощью ингибирующей петли обратной связи белок PER может периодически препятствовать собственному синтезу и тем самым регулировать свой уровень в непрерывном циклическом ритме.

Для построения этой любопытной модели не хватало лишь нескольких элементов. Чтобы заблокировать активность гена периода, белок PER, производящийся в цитоплазме, должен был бы достичь клеточного ядра, где содержится генетический материал. Опыты Холла и Розбаша показывали, что этот белок действительно накапливается в ядре в ночное время суток. Но как он туда попадает? Ответил на этот вопрос в 1994 году Майкл Янг, который открыл второй ключевой «часовой ген», который кодирует белок TIM, необходимый для соблюдения нормального циркадного ритма. В простой и элегантной работе он показал, что когда ТIМ связан с PER, эти два белка способны проникать в клеточное ядро, где они действительно блокируют работу гена периода, чтобы закрыть ингибирующую петлю обратной связи.

Такой регуляторный механизм объяснил, как возникло это колебание уровней клеточного белка, но так и не закрыл все вопросы. К примеру, необходимо было установить, что контролирует частоту суточных колебаний. Чтобы решить эту задачу, Майкл Янг выделил еще один ген, кодирующий белок DBT, – он задерживает накопление белка PER. Таким образом удалось понять, как это колебание регулируется, чтобы максимально точно совпадать с 24-часовым циклом.

Читать еще:  Первое время я бинтовала Ника по восемь часов

Эти открытия, совершенные сегодняшними лауреатами, лежат в основе ключевых принципов функционирования биологических часов. В дальнейшем были обнаружены и другие молекулярные компоненты этого механизма. Они объясняют стабильность его работы и принцип действия. К примеру, Холл, Розбаш и Янг обнаружили дополнительные белки, необходимые для активации гена периода, а также механизм, с помощью которого дневной свет синхронизирует работу биологических часов.

Влияние суточных ритмов на жизнь человека

Биологические часы вовлечены во множество аспектов нашей сложной физиологии. Теперь мы знаем, что все многоклеточные организмы, включая людей, используют схожие механизмы, чтобы контролировать циркадные ритмы. Работа большой части наших генов регулируется биологическими часами, следовательно, тщательно настроенный циркадный ритм адаптирует нашу физиологию к разным фазам суток. Благодаря плодотворной работе трех сегодняшних нобелиантов, циркадная биология превратилась в обширную и динамично развивающуюся область исследований, изучающую влияние суточных ритмов на наше здоровье и благополучие. А мы получили еще одно подтверждение тому, что ночью все же лучше спать, даже если ты закоренелая «сова». Это полезнее для здоровья.

Справка

Джефри Холл – родился в 1945 году в Нью-Йорке, США. Докторскую степень получил в 1971 году в Вашингтонском университете (Сиэтл, Вашингон). До 1973 года занимал должность профессора в Калифорнийском технологическом институте (Пасадена, Калифорния). С 1974 года работает в Брандейском университете (Уолтем, Массачусетс). В 2002 году начал сотрудничество с Университетом штата Мэн.

Майкл Розбаш – родился в 1944 году в Канзас-Сити, США. Защитил докторскую в Массачусетском технологическом институте (Кэмбридж, Массачусетс). Следующие три года был докторантом Эдинбургского университета в Шотландии. С 1974 года работает в Брандейском университете (Уолтем, Массачусетс).

Майкл Янг – родился в 1949 году в Майами, США. Закончил докторантуру в Университете Техаса (Остин, Техас) в 1975 году. До 1977 года проходил постдокторантуру в Стэнфордском университете (Пало-Альто, Калифорния). В 1978 году присоединился к преподавательскому составу Университета Рокфеллера в Нью-Йорке.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2017. Открытие молекулярно-генетических механизмов биоритмов

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в этом году 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. Это событие прокомментировал главный научный сотрудник новосибирского Института цитологии и генетики СО РАН, д.б.н. Михаил Павлович Мошкин

Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2017 г. присуждена за открытие генов, определяющих работу биологических часов – внутриклеточного механизма, который управляет циклическими колебаниями биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи. Суточные или околосуточные (циркадные) ритмы присущи всем живым организмам, от цианобактерий до высших животных.

Безусловно, любой научный результат, получивший такое мировое признание, опирается на достижения предшественников. Впервые представление о биологических часах возникло еще в XVII в., когда французский астроном Жан Жак де Меран обнаружил, что суточный ритм движения листьев растений не исчезает даже в темноте: он жестко «запрограммирован», а не обусловлен действием окружающей среды.

С этого момента и началось изучение феномена биологических часов. Оказалось, что почти во всех живых организмах протекают циклические процессы с суточным или околосуточным периодом. И даже при отсутствии главного внешнего фактора синхронизации – смены дня и ночи, организмы продолжают жить по суточному ритму, хотя период этого ритма может быть больше/меньше продолжительности суток в зависимости от индивидуальных особенностей.

Генетическая основа биологических часов была впервые установлена в 1970-х гг., когда у плодовой мушки Drozophila melanogaster был открыт ген Per (от period). Авторы этого открытия, Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института, провели масштабный эксперимент, работая с сотнями лабораторных линий мух, полученных с помощью химического мутагенеза. Ученые заметили, что при одинаковом периоде освещения у некоторых мух период суточного ритма сна и бодрствования становился либо существенно меньше обычных суток (19 ч), либо больше (28 ч); кроме того, была обнаружена «аритмиков» с полностью асинхронным циклом. Пытаясь идентифицировать гены, контролирующие циркадный ритм у дрозофил, ученые продемонстрировали, что нарушения этого ритма связаны с мутациями неизвестного гена или группы генов.

Таким образом будущие лауреаты Нобелевской премии Холл, Росбаш и Янг уже имели в своем распоряжении линии мух с генетически обусловленными изменениями периода сна и бодрствования. В 1984 г. эти ученые выделили и секвенировали искомый ген Per и выяснили, что уровень кодируемого им белка меняется с суточной периодичностью, достигая пика в ночное время и снижаясь днем.

Это открытие дало новый толчок к исследованиям, цель которых – понять, почему механизмы циркадных ритмов работают именно так, а не иначе, почему у разных индивидуумов суточный период может различаться, но при этом оказывается устойчив к действию внешних факторов, таких как температура (Pittendrich, 1960). Так, работы, выполненные на цианобактериях (сине-зеленых водорослях), показали, что с повышением температуры на 10 ºС суточный период их циклических метаболических процессов меняется всего на 10–15%, тогда как по законам химической кинетики это изменение должно быть больше почти на порядок! Этот факт стал настоящим вызовом, так как все биохимические реакции должны подчиняться правилам химической кинетики.

Сейчас ученые сошлись во мнении, что ритм циклических процессов остается достаточно стабильным потому, что суточный цикл определяется не одним геном. В 1994 г. Янг открыл у дрозофилы ген Tim, кодирующий белок, участвующий в регуляции уровня белка PER по принципу обратной связи. При повышении температуры возрастает наработка не только белков, участвующих в формировании циркадного цикла, но и других белков, которые его тормозят, в результате работа биологических часов не сбивается.

У млекопитающих открыто целое семейство генов циркадных генов – Bmal1, Clock, Cry1-2, Per1-3, механизм работы которых подчиняется принципу обратной связи. Белки BMAL1 и CLOCK активируют гены Per и Cry, в результате чего синтезируются белки PER и CRY. Когда этих белков становится много, они начинают подавлять активность BMAL1 и CLOCK, тем самым снижая свой синтез. Когда количество белков PER и CRY снижается до определенного уровня, вновь активируются BMAL1 и CLOCK. Цикл продолжается

Читать еще:  Как журналисты Льва Толстого от школы отлучили

Базовые механизмы циркадных ритмов на сегодня достаточно изучены, хотя многие детали так и остались необъясненными. Так, непонятно, каким образом в одном организме могут одновременно сосуществовать несколько «часов»: как реализуются процессы, идущие с разным периодом? Например, в экспериментах, когда люди жили в помещениях или в пещере, не получая информации о смене дня и ночи, их температура тела, секреция стероидных гормонов и другие физиологические параметры циклировали с периодом около 25 ч. При этом периоды сна и бодрствования могли варьировать от 15 до 60 ч. (Wever, 1975).

Изучение циркадных ритмов важно и для понимания функционирования организма в экстремальных условиях, например, в Арктике, где в условиях полярного дня и ночи не действуют естественные факторы синхронизации суточных ритмов. Существуют убедительные данные, что при долгом пребывании в таких условиях у человека существенно изменяются суточные ритмы целого ряда функций (Мошкин, 1984). Сейчас мы осознаем, что этот фактор может заметно влиять на здоровье человека, и знания о молекулярной основе циркадных ритмов должны помочь при определении вариантов генов, которые будут «полезны» при работе в полярных условиях.

Но знания о биоритмах важны не только для полярников. Циркадные ритмы влияют на наши обменные процессы, работу иммунной системы и процесс воспаления, на кровяное давление, температуру тела, функции мозга и многое другое. От времени суток зависит эффективность некоторых лекарств и их побочные эффекты. При вынужденном несоответствии внутренних и внешних «часов» (например, из-за широтного перелета или работы в ночную смену) могут наблюдаться разнообразные дисфункции организма, от расстройства желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистой системы до депрессии, при этом также повышается риск развития онкологических заболеваний.

PITTENDRIGH C.S. Circadian rhythms and the circadian organization of living systems.Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960;25:159-84.

Wever, R. (1975). «The circadian multi-oscillator system of man». Int J Chronobiol. 3 (1): 19–55.

Мошкин М.П. Влияние естественного светового режима на биоритмы полярников // Физиология человека. 1984, 10(1): 126-129.

Нобелевская премия по медицине присуждена трем американским профессорам за изучение циркадных ритмов

Нобелевская премия в области медицины и физиологии 2017 года присуждена в понедельник, 2 октября, трем американским профессорам — Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу — за изучение молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы живых существ. Об этом говорится на сайте Нобелевского комитета.

В комитете отметили, что лауреаты премии смогли проникнуть внутрь биологических часов и объяснить механизм их работы. Исследования ученых показывают, как растения, животные и люди приспосабливают свои биологические ритмы к смене дня и ночи. В частности, новоиспеченные нобелевские лауреаты выделили ген, который контролирует ежедневные биологические ритмы, и показали, как именно он работает.

Внутренние часы человека приспосабливают физиологические процессы к различным фазам дня и регулируют такие важные функции, как поведение, уровень гормонов, сон, температура тела и обмен веществ. В итоге организм оказывается под угрозой, если существует временное несоответствие между состоянием внешней среды и внутренними биологическими часами, например, во время путешествий через несколько часовых поясов. Хронические нарушения этого баланса приводят к повышенному риску различных заболеваний.

Циркадные (циркадианные) ритмы — циклические колебания интенсивности биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи. Циркадные ритмы имеют эндогенное происхождение, представляя собой биологические часы организма. Они наблюдаются у цианобактерий, грибов, растений, животных, человека. Период циркадных ритмов обычно близок к 24 часам.

Джеффри Холл родился в 1945 году в Нью-Йорке. Получил докторскую степень в 1971 году в Вашингтонском университете в Сиэтле. С 197-го по 1973 год работал в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. С 1974 года работал в Брандейском университете, с 2002 года сотрудничает с Университетом Мэна.

Майкл Росбаш родился в 1944 году в Канзас-Сити. Он получил докторскую степень в 1970 году в Массачусетском технологическом институте в Кембридже. Работал в Эдинбургском университете в Шотландии. С 1974 года работает в Брандейском университете.

Майкл Янг родился в 1949 году в Майами. Получил докторскую степень в Техасском университете в Остине в 1975 году. В период с 1975-го по 1977 год работал в Стэнфордском университете в Пало-Альто. С 1978 года работает в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке.

В своем завещании Альфред Нобель 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, отмечает ТАСС. Созданный при нем Нобелевский комитет состоит из пяти постоянных членов, которые, в свою очередь, имеют право приглашать экспертов для консультаций.

Список номинантов на премию этого года состоял из 361 имени. С 1901 года Нобелевскую премию вручали 579 раз. Лауреатами стали 881 человек и 23 организации. Премия в области медицины присуждалась 107 раз 211 ученым. Самым молодым лауреатом в 1923 году стал Фредерик Бантинг (32 года) за открытие инсулина, самым возрастным — Пейтен Роус (87 лет) в 1966 году за открытие онкогенных вирусов. В прошлом году премию получил профессор из Японии Есинори Осуми за открытие механизма аутофагии.

На прошлой неделе стало известно, что Нобелевский фонд в 2017 году увеличил размеры премий, выплачиваемых лауреатам, впервые с 2001 года. Сумма премии вырастет на 12,5% — с 8 млн до 9 млн шведских крон (около 1,12 млн долларов).

В ближайшие дни объявят обладателей награды и в других номинациях. Лауреата премии по физике мир узнает 3 октября, по химии — 4 октября, по литературе — 5 октября. Лауреата премии мира назовут 6 октября. Обладатель Премии по экономике памяти Нобеля, учрежденной Банком Швеции в 1968 году, определится 9 октября.

Тайна биоритмов раскрыта. За что дали «Нобеля» по физиологии и медицине в этом году

Второго октября Нобелевский комитет в Стокгольме объявил лауреатов премии по физиологии и медицине. «Нобеля» удостоилась группа ученых из США, объяснившая смену циклов сна и бодрствования у живых организмов. В чем суть этого открытия и как оно может быть использовано в медицине?

Читать еще:  Протоиерей Алексий Долгоруков: Поиск Бога начинается с тревоги

«Биологические часы»

Нобелевская премия троим американским ученым – Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу – была присуждена «за открытие молекулярных механизмов контроля циркадных ритмов».

Циркадные ритмы (от лат. circa – около, кругом и лат. dies – день), которые описывают циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи, открыл в конце XVIII века французский геофизик, астроном и хронобиолог Жан-Жак Дорту де Меран.

Ученый обратил внимание на то, что если орхидею поместить в затемненное помещение, то ее листья еще несколько дней продолжают разворачиваться и сворачиваться в суточном периоде точно так же, как если бы растение находилось на свету и реагировало на восход и закат солнца. Позже ученые выяснили, что подобные проявления периодичности наблюдаются и у других живых организмов.

Природа этих «биологических часов» была не понятна, инструментария для исследования этого феномена в то время не было, и интерес к нему угас. Вновь вернулись к этой теме уже в XX столетии. Часть ученых считала, что за циркадные ритмы ответственны внешние факторы, другие полагали, что все механизмы кроются внутри организма и от внешней среды работа «биологических часов» никак не зависит.

Точка в этом споре была поставлена в начале 80-х годов, когда было доказано, что за работу «биочасов» отвечают гены. Калифорнийские ученые Рональд Конопка и Сеймур Бензер определили у мушек-дрозофил ген, названный ими period, который определяет время бодрствования и сна. Этих ученых уже нет в живых, Джеффри Холл и Майкл Росбаш являются их учениками. Холл, Росбаш и Янг (последний свои результаты получил в Рокфеллеровском институте независимо от Холла и Росбаша) описали механизм работы гена period.

Выводы ученых были подтверждены также опытами на грызунах. Было установлено, что колебания активности выделенных генов (выяснилось, что их несколько), отвечающих за биоритмы, зависят только от времени суток и наличие или отсутствие света на этот процесс не влияет. В то же время Янг определил белок (позже оказалось, что этих белков несколько), который реагирует на освещенность и корректирует работу «внутренних часов». Проще говоря, если живой организм оказался в темном помещении, то его «биологические часы» продолжают «тикать» практически в прежнем ритме и в то же время организм человека, сменившего часовой пояс, постепенно адаптируется к смене дня и ночи в новых условиях.

Практическое применение

Биологических ритмов, которые управляют жизнью организма, довольно много – годичные, сезонные, месячные, суточные и так далее. Процессы, происходящие в живых организмах, синхронизированы с вращением Земли вокруг оси и вокруг Солнца; влияют на биоритмы также и другие периодические явления в природе. Циркадные ритмы сказываются на выработке инсулина в организме в течение суток, влияют на метаболизм, кровяное давление, умственную активность, сердечный ритм так далее.

Считается доказанным, что регулярное нарушение циркадных ритмов повышает риск заболевания сахарным диабетом. Есть гипотеза, что сбой биоритмов ответственен (повышает вероятность заболевания) за онкологию и инсульты, есть и противники таких предположений, которые утверждают, что подобная взаимосвязь ничем не подтверждена.

Открытие, которое сделали Холл, Росбаш и Янг, описывает общую схему действия механизма циркадных ритмов, однако есть еще множество деталей в работе этого механизма, которые на сегодняшний день не понятны. Ученые говорят о том, что, возможно, в будущем управление циркадными ритмами позволит регулировать активность людей, которые вынуждены работать в ночную смену, будут придуманы эффективные фармпрепараты для людей с нарушением сна и тому подобное. Предвидеть какие-либо более глобальные применения этому открытию пока не берется никто.

Удивительного в этом нет ничего. К примеру, в начале тридцатых годов прошлого века Эйнштейн и Резерфорд не верили в то, что можно получать энергию из расщепляемого атома и публично заявляли об этом. А примерно через десять лет был построен первый ядерный реактор, а через 20 лет была пущена первая в мире АЭС.

Тем не менее, факт присуждения кому-либо Нобелевской премии отнюдь не означает, что лауреат добился каких-то выдающихся результатов в науке или общественной жизни. Ученые говорят, что основания, по которым присуждается «Нобель», последние десятилетия носят не только научный характер.

Присуждение премий сопровождается повышенным информационным «шумом», открытия и заслуги лауреатов объявляются выдающимися, а сами лауреаты – едва ли не гениями. И что любопытно, в области экономических наук, например, о таких «гениях» по большей части забывают почти сразу же после вручения «Нобеля», а их экономические прогнозы перестают «попадать в цель». Что вызывает вопросы по поводу критериев, на основании которых Нобелевский комитет выбирает будущих лауреатов.

Тем не менее, пресса уже вовсю подсчитывает экономические выгоды, которые может принести открытие циркадных ритмов. К примеру, Forbes публикует исследования о потерях мировой экономики по причине нарушения режима сна у человека. По данным издания, потери экономики США из-за недосыпа измеряются сотнями миллиардов долларов, в Японии оцениваются суммой 75–135 млрд долларов, в Канаде, Германии и Великобритании – немного меньше. И очень жаль, что исследователи не сообщили, каким чудесным образом им удалось вычислить убытки от недосыпа. Ведь когда один известный российский политический и хозяйственный деятель решил перевести стрелки часов на час вперед, «взбунтовался» тот самый циркадный ритм у коров, не хотелось им доиться на час раньше положенного. Пришлось обратно стрелки переводить. Так вот, в этом случае убытки от новаторской деятельности «повелителя времени» подсчитать так и не удалось, во всяком случае, в открытых источниках об этом информации нет. Так что конкретно для российской экономики (или для медицины, в частности) оценить перспективы и экономический эффект от возможного внедрения результатов открытия американских ученых крайне затруднительно.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector