Первая нобелевская премия 2017 года, которую традиционно вручают за достижения в области физиологии и медицины, досталась американским ученым за открытие молекулярного механизма, обеспечивающего все живые существа собственными «биологическими часами». Это тот случай, когда о значимости научных достижений, отмеченных самой престижной премией, может судить буквально каждый: нет человека, который не был бы знаком со сменой ритмов сна и бодрствования. О том, как устроены эти часы и как удалось разобраться в их механизме, читайте в нашем материале.
В прошлом году Нобелевский комитет премии по физиологии и медицине удивил общественность - на фоне повышенного интереса к CRISPR/Cas и онкоиммунологии награду за глубоко фундаментальную работу, сделанную методами классической генетики на пекарских дрожжах. В этот раз комитет снова не пошел на поводу у моды и отметил фундаментальную работу, выполненную на еще более классическом генетическом объекте - дрозофиле. Лауреаты премии Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг, работая с мушками, описали молекулярный механизм, лежащий в основании циркадных ритмов - одной из важнейших адаптаций биологических существ к жизни на планете Земля.
Циркадные ритмы - результат работы циркадных, или биологических часов. Биологические часы - это не метафора, а цепочка белков и генов, которая замкнута по принципу обратной отрицательной связи и совершает суточные колебания с циклом примерно в 24 часа - в соответствии с продолжительностью земных суток. Эта цепочка довольно консервативна у животных, а принцип устройства часов одинаков у всех живых организмов - у которых они есть. В настоящее время достоверно известно о наличии внутреннего осциллятора у животных, растений, грибов и цианобактерий , хотя у других бактерий тоже обнаруживаются некие ритмические колебания биохимических показателей. К примеру, наличие суточных ритмов предполагается у бактерий, которые формируют микробиом кишечника человека - регулируются они, по всей видимости, метаболитами хозяина.
У подавляющего большинства наземных организмов биологические
часы регулируются светом - поэтому они заставляют нас спать ночью, а
бодрствовать и принимать пищу днем. При смене светового режима (к примеру, в
результате трансатлантического перелета) они подстраиваются под новый режим. У
современного человека, который живет в условиях круглосуточного искусственного
освещения, циркадные ритмы нередко нарушаются. По данным специалистов из
Национальной токсикологической программы США, смещенный на вечернее и ночное
время рабочий график чреват для людей серьезным риском для здоровья. Среди нарушений,
связанных со сбоем циркадных ритмов, - расстройства сна и пищевого поведения, депрессия,
ухудшение иммунитета, повышенная вероятность развития сердечно-сосудистых
заболеваний, рака, ожирения и диабета.
Суточный цикл человека: фаза бодрствования начинается с рассветом, когда в организме происходит выброс гормона кортизола. Следствием этого является повышение кровяного давления и высокая концентрация внимания. Лучшая координинация движений и время реакции наблюдаются днем. К вечеру происходит небольшое увеличение температуры тела и давления. Переход к фазе сна регулируется выбросом гормона мелатонина, причиной которого является естественное снижение освещенности. После полуночи в норме наступает фаза самого глубокого сна. За ночь температура тела снижается и к утру достигает минимального значения.
Рассмотрим подробнее устройство биологических часов у млекопитающих. Высший командный центр, или «мастер-часы», расположен в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Информация об освещенности поступает туда через глаза - сетчатка содержит специальные клетки, которые напрямую сообщаются с супрахиазматическим ядром. Нейроны этого ядра отдают команды остальным частям мозга, к примеру, регулируют выработку эпифизом «гормона сна» мелатонина. Несмотря на наличие единого командного центра, собственные часы есть в каждой клетке организма. «Мастер-часы» как раз и нужны для того, чтобы синхронизировать или перенастраивать периферические часы.
Принципиальная схема суточного цикла животных (слева) состоит из фаз сна и бодрствования, совпадающей с фазой питания. Справа показано, как этот цикл реализуется на молекулярном уровне - путем обратной отрицательной регуляции clock-генов
Takahashi JS / Nat Rev Genet. 2017
Ключевыми шестеренками в часах являются активаторы транскрипции CLOCK и BMAL1 и репрессоры PER (от period ) и CRY (от cryptochrome ). Пара CLOCK-BMAL1 активирует экспрессию генов, кодирующих PER (которых у человека три) и CRY (которых у человека два). Происходит это днем и соответствует состоянию бодрствования организма. К вечеру в клетке накапливаются белки PER и CRY, которые поступают в ядро и подавляют активность собственных генов, мешая активаторам. Время жизни этих белков невелико, поэтому их концентрация быстро падает, и к утру CLOCK-BMAL1 снова способны активировать транскрипцию PER и CRY. Так цикл повторяется.
Пара CLOCK-BMAL1 регулирует экспрессию
не только пары PER и CRY.
Среди их мишеней имеется также пара белков, которые подавляют активность самих CLOCK и
BMAL1, а также три
фактора транскрипции, контролирующих множество других генов, которые не
относятся непосредственно к работе
часов. Ритмичные колебания концентраций регуляторных белков приводят к тому,
что суточной регуляции оказываются подвержены от 5 до 20 процентов генов млекопитающих.
Почти все упомянутые гены и весь механизм в целом был описан на примере мушки-дрозофилы - этим занимались американские ученые, в том числе и нынешние лауреаты Нобелевской премии: Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг.
Жизнь дрозофилы, начиная со стадии вылупления из куколки, строго регулируется биологическими часами. Мушки летают, кормятся и спариваются только днем, а ночью «спят». Кроме того, в течение первой половины ХХ века дрозофила была основным модельным объектом для генетиков, поэтому ко второй его половине у ученых накопился достаточный инструментарий для изучения мушиных генов.
Первые мутации в генах, связанных с циркадными ритмами, были описаны в 1971 году в статье Рональда Конопки и Сеймура Бензера, которые работали в Калифорнийском технологическом институте. Путем случайного мутагенеза исследователям удалось получить три линии мух с нарушением циркадного цикла: для одних мух в сутках как будто было 28 часов (мутация per L ), для других - 19 (per S ), а мухи из третьей группы вообще не имели никакой периодичности в поведении (per 0 ). Все три мутации попадали в один и тот же участок ДНК, который авторы назвали period .
В середине 80-х годов ген period был независимо выделен и описан в двух лабораториях - лаборатории Майкла Янга в университете Рокфеллера и в университете Брандейса, где работали Росбаш и Холл. В дальнейшем все трое не теряли интереса к этой тематике, дополняя исследования друг друга. Ученые установили, что введение нормальной копии гена в мозг «аритмичных» мух с мутацией per 0 восстанавливает их циркадный ритм. Дальнейшие исследования показали, что увеличение копий этого гена сокращает суточный цикл, а мутации, приводящие к снижению активности белка PER, - удлиняют.
В начале 90-х сотрудники Янга получили мух с мутацией timeless (tim ). Белок TIM был идентифицирован как партнер PER по регуляции циркадных ритмов дрозофилы. Надо уточнить, что у млекопитающих этот белок не работает - его функцию выполняет упомянутый выше CRY. Пара PER-TIM выполняет у мух ту же функцию, что у людей пара PER-CRY - в основном подавляет собственную транскрипцию. Продолжая анализировать аритмичных мутантов, Холл и Росбаш обнаружили гены clock и cycle - последний является мушиным аналогом фактора BMAL1 и в паре с белком CLOCK активирует экспрессию генов per и tim . По результатам исследований Холл и Росбаш предложили модель обратной отрицательной регуляции, которая и принята в настоящее время.
Помимо основных белков, задействованных в процессе формирования суточного ритма, в лаборатории Янга был открыт ген «тонкой настройки» часов - doubletime (dbt), продукт которого регулирует активность PER и TIM.
Отдельно стоит сказать про открытие белка CRY, который у млекопитающих заменяет TIM. Этот белок есть и у дрозофилы, и описан он был именно на мухах. Оказалось, что если мух перед наступлением темноты осветить ярким светом, циркадный цикл у них немного смещается (судя по всему, так же это работает и у людей). Сотрудники Холла и Росбаша обнаружили, что белок TIM является светочувствительным и быстро разрушается даже в результате короткого светового импульса. В поисках объяснения феномена ученые идентифицировали мутацию cry baby , которая отменяла эффект освещения. Детальное изучение мушиного гена cry (от cryptochrome ) показало, что он очень похож на уже известные к тому моменту циркадные фоторецепторы растений. Оказалось, что белок CRY воспринимает свет, связывается с TIM и способствует разрушению последнего, таким образом продлевая фазу «бодрствования». У млекопитающих, по-видимому, CRY выполняет функцию TIM и не является фоторецептором, однако на мышах было показано, что выключение CRY, так же как у мух, приводит к фазовому сдвигу в цикле «сон-бодрствование».
Нобелевской премии по физиологии и медицине. Ее обладателями стала группа ученых из США. Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш получили награду за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм.
Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премией награждается тот, "кто сделает важное открытие" в этой области. Редакция ТАСС-ДОСЬЕ подготовила материал о порядке присуждения этой премии и ее лауреатах.
За присуждение премии отвечает Нобелевская ассамблея Каролинского института, расположенного в Стокгольме. Ассамблея состоит из 50 профессоров института. Ее рабочий орган - Нобелевский комитет. В него входят пять человек, избираемых ассамблеей из своих членов на три года. Ассамблея собирается несколько раз в год для обсуждения претендентов, отобранных комитетом, а в первый понедельник октября большинством голосов избирает лауреата.
Правом номинировать на премию обладают ученые разных стран, в том числе члены Нобелевской ассамблеи Каролинского института и обладатели Нобелевских премий по физиологии и медицине и по химии, которые получили специальные приглашения от Нобелевского комитета. Предлагать кандидатов можно с сентября до 31 января следующего года. На премию в 2017 года претендует 361 человек.
Премия присуждается с 1901 года. Первым лауреатом стал немецкий врач, микробиолог и иммунолог Эмиль Адольф фон Беринг, разработавший способ иммунизации против дифтерии. В 1902 году награду получил изучавший малярию Роналд Росс (Великобритания); в 1905 году - исследовавший возбудителей туберкулеза Роберт Кох (Германия); в 1923 году - открывшие инсулин Фредерик Бантинг (Канада) и Джон Маклеод (Великобритания); в 1924 году - основоположник электрокардиографии Виллем Эйнтховен (Голландия); в 2003 году - разработавшие метод магнитно-резонансной томографии Пол Лотербур (США) и Питер Мэнсфилд (Великобритания).
По оценке Нобелевского комитета Каролинского института, до сих пор самой известной остается премия 1945 году, присужденная Александеру Флемингу, Эрнесту Чейну и Говарду Флори (Великобритания), открывшим пенициллин. Некоторые открытия с течением времени утратили свое значение. Среди них метод лоботомии, применявшийся при лечении психических заболеваний. За его разработку в 1949 году премию получил португалец Антониу Эгаш-Мониш.
В 2016 году премия была присуждена японскому биологу Ёсинори Осуми "за открытие механизма аутофагии" (процесс переработки клеткой ненужного содержимого в ней).
Согласно данным нобелевского сайта, на сегодняшний день в списке лауреатов премии 211 человек, в том числе 12 женщин. Среди лауреатов два наших соотечественника: физиолог Иван Павлов (1904 год; за работы в области физиологии пищеварения) и биолог и патолог Илья Мечников (1908 год; за исследование иммунитета).
В 1901-2016 годах премия по физиологии и медицине присуждалась 107 раз (в 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942 годах Нобелевская ассамблея Каролинского института не смогла выбрать лауреата). 32 раза премия была поделена между двумя лауреатами и 36 - между тремя. Средний возраст лауреатов 58 лет. Самым молодым является канадец Фредерик Бантинг, получивший премию в 1923 году в возрасте 32 лет, самым пожилым - 87-летний американец Фрэнсис Пейтон Роус (1966 год).
Жизнь на Земле подчиняется ритму, который задаёт вращение планеты вокруг себя и вокруг Солнца. У большинства живых организмов есть внутренние «часы» — механизмы, позволяющие жить сообразно этому ритму. Холл, Росбаш и Янг заглянули в клетку и увидели, как работают биологические часы.
Модельными организмами им служили мушки-дрозофилы. Генетикам удалось вычислить ген, контролирующий ритм жизни насекомых. Оказалось, что он кодирует белок, который накапливается в клетках по ночам и медленно утилизируется днём. Позже обнаружилось еще несколько белков, участвующих в регуляции циркадных ритмов. Сейчас биологам ясно, что механизм, регулирующий распорядок дня, один у всех живых организмов, от растений до людей. Этот механизм управляет активностью, содержанием гормонов, температурой тела и обменом веществ, которые меняются в зависимости от времени суток. Со времени открытий Холла, Росбаша и Янга появилось много данных о том, как резкие или постоянные отклонения образа жизни от заданного «биологическими часами» может быть опасно для здоровья.
Первые доказательства того, что у живых существ есть «чутьё времени» появились еще в XVIII веке: тогда ранцузский натуралист Жан Жак д"Орту де Мэран показал, что мимоза продолжает открывать цветки утром и закрывать вечером, даже находясь в темноте круглые сутки. Дальнейшие исследование показали, что время суток чувствуют не только растения. но и животные, в том числе и люди. Периодическую смену физиологических показателей и поведения в течение суток назвали циркадными ритмами — от лат. circa — круг и dies — день.
В 70-е годы прошлого века Сеймур Бенцер и его ученик Рональд Конопка нашли ген, контролирующий циркадные ритмы у дрозофил, и надвали его period. В 1984 году Джеффри Холл и Майкл Росбаш, работавшие в университете Бранделиса в Бостоне, и Майкл Янг из Рокфеллеровского университета Нью-Йорка, изолировали ген period , а затем Холл и Росбаш выяснили, чем занимается закодированный в нём белок, PER, — а он накапливается в клетке по ночам и тратится весь день, поэтому по его концентрации можно судить о времени суток.
Эта система, как предположили Холл и Росбаш, регулирует сама себя: белок PER блокирует активность гена period, поэтому синтез белка останавливается, как только его становится слишком много, и возобновляется по мере расходования белка. Оставалось только ответить на вопрос о том, как белок попадает в ядро клетки — ведь только там он может влиять на активность гена.
В 1994 году Янг обнаружил второй важный для циркадных ритмов ген — timeless, кодирующий белок TIM, который помогает белку PER преодолевать мембрану ядра и блокировать ген period. Еще один ген, doubletime , оказался ответственен за белок DBT, который замедляет накопление белка PER — так, чтобы цикл его синтеза и пауз между ними растянулся на 24 часа. В последующие годы было открыто много других генов и белков — частей тонкого механизма «биологических часов», в том числе и такие, которые позволяют «подводить стрелки» — белки, активность которых зависит от освещённости.
Циркадные ритмы регулируют самые разные аспекты жизни нашего тела, в том числе и на генетическом уровне: некоторые гены активнее по ночам, некоторые — днём. Благодаря открытиям лауреатов 2017 года биология циркадных ритмов превратилась в обширную научную дисциплину; каждый год пишутся десятки научных работ о том, как устроены «биологические часы» у разных видов, в том числе и человека.
Нобелевскую премию по медицине и физиологии за 2017 год присудили троим американцам - Джеффри Холлу, Майклу Розбашу и Майклу Янгу - за исследования молекулярных механизмов, отвечающих за циркадные ритмы, то есть биологические часы с суточным периодом. Трансляция велась на сайте Нобелевского комитета.
В 1984 году Холл и Розбаш из Брандейского университета в Бостоне, а также Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке работали с плодовыми мушками и обнаружили ген period, который задает ход биологическим часам. Позже ученые выяснили, что этот ген кодирует белок PER, который накапливается в организме за ночь и разрушается днем. Так, исследователи пришли к выводу уровень белка осциллирует в ходе 24-часового цикла.
Лауреаты Нобелевской премии предположили, что PER ингибирует активность гена period, формируя отрицательную обратную связь. В этом механизме принимает участие второй ген - timeless, кодирующий белок TIM. Последний связывается с PER, и образовавшийся комплекс внедряется в ядро клетки, где блокирует соответствующую ДНК. За деградацию PER отвечает белок DBT, который кодируется геном doubletime, обнаруженным Янгом.
«Циркадные или суточные ритмы проявляются практически у всех организмов на земле. Хотя открытия, удостоившиеся Нобелевской премии, сделаны на дрозофилах, но механизмы суточной регуляции очень древние, и они реализуются сходным образом у сильно различающихся организмов - таких, как цветы, насекомые и млекопитающие» - объяснил Forbes важность открытия, отмеченного Нобелевским комитетом, заведующий Лабораторией генно-клеточной терапии Института регенеративной медицины МГУ, кандидат медицинских наук Павел Макаревич. Он добавил, что таким образом исследования Холла, Розбаша и Янга полезны и для изучения циркадных ритмов людей: «В условиях нашей постоянно растущей цивилизации нарушение суточных ритмов снижает работоспособность людей, которые должны трудиться вне регулярной смены дня и ночи, а их ошибки могут привести к фатальным последствиям. Это многие новые области деятельности человека: суточные вахты, приполярные области и, главное, космос!»
Суммарные убытки американской экономики от последствий расстройства сна (включая отсутствие на работе, несчастные случаи на производстве и снижение продуктивности) уже в 2001 году оценивались в $150 млрд. В исследовании RAND по влиянию недосыпа на экономику США потери оценивались от $226 до $411 млрд на 2016 год в зависимости от сценария. Япония заняла второе место с оценкой убытков экономики в $75-139 млрд, потери Германии, Великобритании и Канады оценивались в десятки миллиардов. Правда стоит отметить, что недосып может быть вызван как бессонницей, так и физической невозможностью поспать положенное время вследствие плотного графика дел.
Таким образом, исследователи раскрыли секрет «внутренних часов клеток» и показали, как этот механизм функционирует. Автономные «внутренние часы» необходимы для адаптации и подготовки нашего организма для различных фаз дня, они контролируют сон, гормональный уровень, температуру и обмен веществ. Правильно работающие ритмы важны для здоровья человека, подчеркивали авторы работы. «Их открытия объясняют, как растения, животные и люди приспосабливают свой биологический ритм, чтобы синхронизироваться с ритмами Земли», - уточнили в Нобелевской ассамблее. Сам Розбаш в интервью Медицинскому институту Ховарда Хьюза в 2014 году говорил , что циркадная система обуславливает «восприимчивость к болезням, темпы роста и размеры фруктов». «Она затрагивает почти каждую часть организма человека», - отмечал ученый.
«После плодотворной работы трех лауреатов циркадная биология превратилась в обширную и динамично развивающуюся область исследований, что сказывается на нашем здоровье и благополучии», - пояснили представители Нобелевской премии. Нобелевский комитет держит в строгом секрете лауреатов премии до объявления. Так, во время пресс-конференции, на которой были объявлены получатели награды, член Нобелевской ассамблеи Каролинского института, который отвечает за присуждение премии, заявил, что когда он сообщил Росбашу, что тот получил награду, ученый ответил: «Вы шутите надо мной».
Церемония награждения лауреатов состоится 10 декабря - в день кончины шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля. Четыре из пяти завещанных им премий - в области физиологии или медицины, физики, химии и литературы - вручат в Стокгольме. Премия мира, согласно воле ее основателя, вручается в этот же день, но в Осло. Сумма каждой премии составит 9 млн шведских крон ($1 млн). Премию лауреатам вручит король Швеции Карл XVI Густав.
