На вихідних у Стокгольмі вручили Нобелівські премії 2017 року. Науковий Оскар з фізіології та медицини отримали американські біологи Джефрі Голл, Майкл Росбаш та Майкл Янг за відкриття механізму внутрішнього годинника. На перший погляд здається, що існують набагато більші проблеми, ніж пояснення того, чому ми відчуваємо дискомфорт при переведенні годинника на літній чи зимовий час, або подорожуємо крізь часові пояси. Та відкриття вчених свого часу сколихнуло наукову спільноту, відкривши шлях новому напрямку біомедичних досліджень – хронобіології. Вана допомагає вирішувати такі соціально-економічні проблеми як регулювання позмінної роботи працівників виробничої сфери та сфери обслуговування, боротьба з ожирінням, цукровим діабетом, депресією, онкологічними захворюваннями, а також розладами поведінки та метаболізму. То ж пропоную разом розібратися в механізмах роботи нашого внутрішнього годинника та ролі цьогорічних нобелівських лауреатів у їхньому відкритті.
Звісно, що американці не були першими хто помітив наявність внутрішнього годинника в живих організмах. Вони лише відкрили молекулярний механізм. Першим же був французький натураліст Жан-Жак Д’Ортос Де Маріан ще у XVIII столітті. Він вивчав рослини мімози і помітив, що їхнє листя в світлий час доби повертається до сонця, а в сутінках закривається. Коли дослідник поставив рослину у суцільну темряву – у поведінці листя нічого не змінилося. Воно так само поверталося туди, де мало би бути сонце вдень, і закривалося вночі. Так вчений прийшов до думки, що рослини мають якийсь загадковий внутрішній годинник, що дозволяє їм «знати» зміну дня і ночі навіть за відсутності світла. Цей механізм назвали циркадним ритмом, що у дослівному перекладі з латини означає «навколо дня».
У 70-х роках ХХ століття Сеймул Бенцер та його студент Рональд Конопка, виявили, що мутації в невідомому гені впливають на циркадні ритми плодової мушки. Уже в 1984 році Джефрі Холл та Майкл Росбаш виділи цей ген, який назвали period gene. Він кодує білок PER, що протягом ночі накопичується в клітині, а протягом дня деградує. Тобто його концентрація в клітині коливається протягом дня синхронно із її циркадним ритмом. Цікавим також виявився той факт, що при збільшенні концентрації білку PER у клітині відбувається блокування гену per за механізмом зворотного зв’язку. Але відкритим залишалося питання як білок PER, що синтезується та функціонує в цитоплазмі клітини, потрапляє до ядра, щоб заблокувати експресію власного гену? Лише через десять років Майкл Янг знайшов відповідь на це питання. Він виявив ген timeless, що кодує білок TIM. Цей протеїн зв’язує PER і разом вони потрапляють до ядра, аби заблокувати ген per. Третім важливим геном, що контролює швидкість біологічного годинника є ген doubletime. Його продукт – білок DBT, здатний гальмувати накопичення протеїну PER, допомагаючи встановити темп біологічного годинника. Також наразі відкрито низку додаткових генів і білків, що задіяні в активації та синхронізації нашого внутрішнього біологічного годинника, а також механізм за допомогою якого світло може синхронізувати наші циркадні ритми.
Такий біологічний годинник є у багатьох живих істот і відповідає за регуляцію поведінки, рівень гормонів у організмі, сон, температуру тіла та обмін речовин. Крім того відомо, що практично кожна клітина нашого організму має циркадний ритм, подібний до того, який є у плодової мушки. Майже кожен ген нашого тіла функціонує за принципом циркадних ритмів, принаймні в одному з типів клітин (їх налічують приблизно 200). У організмі людини також виділяють один головний master clock, у мозку. Він регулює виробництво гормону сну – мелатоніну. Master clock отримує інформацію про кількість світла у кімнаті від органів зору. Якщо світла замало – в мозку починається синтез мелатоніну, аби людина могла швидше заснути. Так само як і у випадку білку PER у плодової мушки, протягом ночі концентрація мелатоніну в організмі людини знижується і вона прокидається бадьорою. Проблеми виникають тоді, коли ми працюємо вночі, або ж перед сном користуємося мобільними пристроями, що перешкоджають накопиченню достатньої кількості мелатоніну в нашому організмі. Подібна ситуація виникає з людьми, що різко змінюють часові пояси під час подорожей. Тоді внутрішній годинник та кількість світла довкола не збігаються і людина відчуває певний дискомфорт, який в англійській мові навіть має окрему назву – jet lag. Однак, за кілька днів відбувається синхронізація циркадного ритму людини із зовнішніми умовами і самопочуття налагоджується. Чого не відбувається, наприклад, з працівниками заводів та фабрик, коли їхні зміни чергуються – то вдень, то вночі. Доведено, що такий стиль життя призводить до складних порушень циркадних ритмів організму, що призводить до розвитку таких захворювань як цукровий діабет, депресія, серцево-судинні хвороби, ожиріння і навіть рак.
Тобто проблеми виникають тоді, коли відбувається розсинхронізація в роботі циркадних ритмів. Візьмемо для прикладу два білки, що відповідають за поділи і розподіл клітин у організмі – cMYC та p53. Вони також контролюються біологічним годинником і розбалансування в їхній роботі у будь-якому з типів клітин призводить до розвитку певного виду раку. У випадку інших типів захворювань спрацьовують подібні механізми, але із залученням інших генів. Саме тому дуже важливо мати правильний розпорядок дня, що відповідає певному часу доби. Не варто використовувати електронні ґаджети за дві години до сну, а позмінну роботу бажано уникати заради власного ж здоров’я.
Джерела рисунків: 1 – http://sonmir.ru/kak-vybrat-budilnik-dlya-utrennego-probuzhdeniya.html; 2 – http://bigthink.com/philip-perry/3-americans-awarded-nobel-prize-in-medicine-for-work-on-circadian-rhythms; 3 – https://cen.acs.org/articles/95/web/2017/09/Circadian-rhythm-pioneers-win-2017-Nobel-Prize-in-Physiology-or-Medicine.html; 4 – https://www.news-medical.net/health/Circadian-rhythm-length-variations-early-birds-and-night-owls.aspx.
fun_biology_blog 