Saat yalnızca monoton bir şekilde işliyor. "Sirkadiyen ritimler" nedir ve bunları yönettikleri için neden Nobel Ödülü'ne layık görüldüler?

Vücudun biyolojik saati nasıl çalışır? 2017 Nobel Tıp Ödülü neden verildi?

Jeffrey Hall, Michael Rozbash ve Michael Young web sitesi

Üç Amerikalı bilim adamı, canlı organizmalardaki iç saatlerin mekanizmasını araştıran en yüksek bilimsel ödülü paylaştı.

Dünyadaki yaşam, gezegenimizin Güneş etrafındaki dönüşüne uyarlanmıştır. Uzun yıllardır insanlar da dahil olmak üzere canlı organizmaların içindeki varlığı biliyoruz. biyolojik saat sirkadiyen ritmi tahmin etmeye ve ona uyum sağlamaya yardımcı olur. Peki bu saat tam olarak nasıl çalışıyor? Amerikalı genetikçiler ve kronobiyologlar bu mekanizmanın içine bakıp gizli işleyişine ışık tutmayı başardılar. Keşifleri bitkilerin, hayvanların ve insanların biyolojik ritimlerini Dünya'nın günlük dönüş döngüsüyle senkronize olacak şekilde nasıl uyarladıklarını açıklıyor.

Meyve sineklerini test organizması olarak kullanan 2017 Nobel Ödülü sahipleri, canlılardaki normal sirkadiyen ritmi kontrol eden bir geni izole etti. Ayrıca bu genin, gece hücrede biriken gündüz parçalanan bir proteini nasıl kodladığını ve hücreyi bu ritmi sürdürmeye zorladığını da gösterdiler. Daha sonra hücre içindeki kendi kendini idame ettiren saat mekanizmasını kontrol eden ek protein bileşenleri belirlediler. Artık biyolojik saatin hem bireysel hücrelerde hem de insanlar gibi çok hücreli organizmalarda aynı prensiple çalıştığını biliyoruz.

Olağanüstü hassasiyet sayesinde iç saatlerimiz fizyolojimizi buna göre ayarlar. farklı aşamalar günler - sabah, öğleden sonra, akşam ve gece. Bu saat davranış, hormon seviyeleri, uyku, vücut ısısı ve metabolizma gibi önemli fonksiyonları düzenler. Desenkronizasyon meydana geldiğinde refahımız zarar görür. dış çevre ve dahili saat. Bir örnek, bir zaman diliminden diğerine geçen ve daha sonra uzun süre gece ve gündüz değişimine uyum sağlayamayan gezginler arasında meydana gelen sözde jet lag'dir. Gündüz uyurlar, karanlıkta uyuyamazlar. Bugün ayrıca yaşam tarzı ile doğal biyoritimler arasındaki kronik uyumsuzluğun çeşitli hastalık riskini artırdığına dair pek çok kanıt var.

İç saatimiz kandırılamaz

Jean-Jacques d'Hortois de Mairan Nobel Komitesi Deneyi

Çoğu canlı organizma günlük değişikliklere açıkça uyum sağlar çevre. Bu adaptasyonun varlığını 18. yüzyılda ilk kanıtlayanlardan biri Fransız gökbilimci Jean-Jacques d'Ortois de Mairan'dı. Bir mimoza çalısını gözlemledi ve yapraklarının gün içinde güneşi takip edecek şekilde döndüğünü ve geceleri kapandığını keşfetti. Gün batımı Bilim adamı, bitki sürekli karanlıkta olsaydı ne olacağını merak etti. Basit bir deney yaptıktan sonra araştırmacı, varlığı ne olursa olsun bunu buldu. güneş ışığı Deneysel mimozanın yaprakları her zamanki günlük hareketlerini yapmaya devam ediyor. Görünen o ki, bitkilerin kendi iç saatleri var.

Daha yeni araştırmalar, yalnızca bitkilerin değil, hayvanların ve insanların da fizyolojimizi günlük değişikliklere uyarlamaya yardımcı olan biyolojik bir saate tabi olduğunu gösterdi. Bu adaptasyona sirkadiyen ritim denir. Terim Latince circa - "about" ve dies - "gün" sözcüklerinden gelir. Ancak bu biyolojik saatin tam olarak nasıl çalıştığı uzun süredir bir sır olarak kaldı.

"Saat geni"nin keşfi

1970'lerde Amerikalı fizikçi, biyolog ve psikogenetikçi Seymour Benzer, öğrencisi Ronald Konopka ile birlikte meyve sineklerinde günlük ritmi kontrol eden genleri izole etmenin mümkün olup olmadığını araştırdı. Bilim insanları, deneysel böceklerde, bilmedikleri bir gendeki mutasyonların bu ritmi bozduğunu göstermeyi başardılar. Buna dönem geni adını verdiler. Peki bu gen sirkadiyen ritmi nasıl etkiledi?

2017 Nobel Ödülü sahipleri meyve sinekleri üzerinde de deneyler yaptı. Amaçları iç saatin mekanizmasını keşfetmekti. 1984 yılında, Boston'daki Brandeis Üniversitesi'nde yakın işbirliği içinde çalışan Jeffrey Hall ve Michael Rozbash ile New York'taki Rockefeller Üniversitesi'nden Michael Young, dönem genini başarıyla izole ettiler. Hall ve Rozbash daha sonra bu genin kodladığı PER proteininin gece boyunca hücrelerde biriktiğini, gündüzleri ise yok edildiğini keşfettiler. Böylece bu proteinin seviyesi, sirkadiyen ritimle senkronize olarak 24 saatlik bir döngü boyunca dalgalanır. Dahili hücresel saatin "sarkaç"ı keşfedildi.

Kendi kendini düzenleyen saat mekanizması

Hücredeki sirkadiyen ritmi düzenleyen proteinlerin çalışmasının basitleştirilmiş bir diyagramı Nobel Komitesi

Bir sonraki temel hedef, bu sirkadiyen salınımların nasıl ortaya çıkabileceğini ve sürdürülebileceğini anlamaktı. Hall ve Rozbash, PER proteininin günlük döngü sırasında period geninin aktivitesini bloke ettiğini öne sürdü. Engelleyici bir geri besleme döngüsü yoluyla PER proteininin kendi sentezini periyodik olarak inhibe edebileceğine ve dolayısıyla sürekli bir döngüsel ritimde seviyelerini düzenleyebileceğine inanıyorlardı.

Bu ilginç modeli oluşturmak için yalnızca birkaç öğe eksikti. Bir period geninin aktivitesini bloke etmek için sitoplazmada üretilen PER proteininin, genetik materyalin bulunduğu hücre çekirdeğine ulaşması gerekir. Hall ve Rozbash'ın deneyleri, bu proteinin aslında geceleri çekirdekte biriktiğini gösterdi. Peki oraya nasıl gidiyor? Bu soru 1994 yılında normal sirkadiyen ritmi sürdürmek için gerekli olan TIM proteinini kodlayan ikinci anahtar "saat genini" keşfeden Michael Young tarafından yanıtlandı. Basit ve zarif bir çalışmayla, TIM'in PER'e bağlandığı zaman iki proteinin hücre çekirdeğine girebildiğini, burada period geninin inhibitör geri besleme döngüsünü kapatmak için çalışmasını engellediklerini gösterdi.

Bu düzenleyici mekanizma, hücresel protein seviyelerindeki bu dalgalanmanın nasıl meydana geldiğini açıklıyordu ancak tüm sorulara cevap vermiyordu. Örneğin günlük dalgalanmaların sıklığını neyin kontrol ettiğini belirlemek gerekiyordu. Bu sorunu çözmek için Michael Young, PER proteininin birikmesini geciktiren DBT proteinini kodlayan başka bir geni izole etti. Böylece bu salınımın 24 saatlik döngüye olabildiğince yakın olacak şekilde nasıl düzenlendiğini anlamak mümkün oldu.

Günümüzün ödül sahiplerinin yaptığı bu keşifler, biyolojik saatin işleyişinin temel ilkelerinin temelini oluşturuyor. Daha sonra bu mekanizmanın diğer moleküler bileşenleri keşfedildi. Çalışmasının stabilitesini ve çalışma prensibini açıklarlar. Örneğin Hall, Rozbash ve Young, periyod genini aktive etmek için gereken ek proteinlerin yanı sıra gün ışığının vücut saatini senkronize etmesini sağlayan bir mekanizma keşfettiler.

Sirkadiyen ritimlerin insan yaşamı üzerindeki etkisi

İnsan sirkadiyen ritmi Nobel Komitesi

Biyolojik saat, karmaşık fizyolojimizin birçok yönüne dahil olur. Artık insanlar dahil tüm çok hücreli organizmaların sirkadiyen ritimleri kontrol etmek için benzer mekanizmalar kullandığını biliyoruz. Genlerimizin çoğu biyolojik saat tarafından düzenlenir, bu nedenle dikkatle ayarlanmış sirkadiyen ritim, fizyolojimizi günün farklı evrelerine uyarlar. Günümüzün üç Nobel Ödülü sahibinin ufuk açıcı çalışmaları sayesinde sirkadiyen biyoloji, sirkadiyen ritimlerin sağlığımız ve refahımız üzerindeki etkisini inceleyen geniş ve dinamik bir araştırma alanı haline geldi. Ve hevesli bir gece kuşu olsanız bile geceleri uyumanın hala daha iyi olduğuna dair bir onay daha aldık. Daha sağlıklı.

Referans

Geoffrey Salonu– 1945'te New York, ABD'de doğdu. Doktorasını 1971 yılında Washington Üniversitesi'nden (Seattle, Washington) aldı. 1973 yılına kadar Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde (Pasadena, Kaliforniya) profesör olarak görev yaptı. 1974'ten beri Brandeis Üniversitesi'nde (Waltham, Massachusetts) çalışmaktadır. 2002 yılında Maine Üniversitesi ile işbirliğine başladı.

Michael Rozbash– 1944'te Kansas City, ABD'de doğdu. Doktorasını Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (Cambridge, Massachusetts) tamamladı. Sonraki üç yıl boyunca İskoçya'daki Edinburgh Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olarak çalıştı. 1974'ten beri Brandeis Üniversitesi'nde (Waltham, Massachusetts) çalışmaktadır.

Michael Genç– 1949'da Miami, ABD'de doğdu. Doktora çalışmalarını 1975 yılında Teksas Üniversitesi'nde (Austin, Teksas) tamamladı. 1977 yılına kadar Stanford Üniversitesi'nde (Palo Alto, Kaliforniya) doktora sonrası çalışmalarını tamamladı. 1978'de New York'taki Rockefeller Üniversitesi'nin öğretim kadrosuna katıldı.

İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi'nden materyallerin çevirisi.

Nobel Komitesi bugün 2017 Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nün kazananlarını açıkladı. Bu yıl ödül, New York'taki Rockefeller Üniversitesi'nden Michael Young, Brandeis Üniversitesi'nden Michael Rosbash ve Maine Üniversitesi'nden Jeffrey Hall'un ödülü paylaşmasıyla yeniden Amerika Birleşik Devletleri'ne gidecek. Nobel Komitesi'nin kararına göre bu araştırmacılar, "sirkadiyen ritimleri kontrol eden moleküler mekanizmaları keşfettikleri için" ödüllendirildi.

Nobel Ödülü'nün 117 yıllık tarihi boyunca uyku-uyanıklık döngüsünü inceleyen veya uykuyla ilgili herhangi bir konuyu inceleyen belki de ilk ödül olduğunu söylemek gerekir. Ünlü somnolog Nathaniel Kleitman ödülü alamadı ve bu alanda en seçkin keşfi yapan, REM uykusunu (REM - hızlı göz hareketi, hızlı göz hareketi aşaması) keşfeden Eugene Azerinsky, genellikle yaptığı çalışmalar nedeniyle sadece doktora derecesi aldı. başarı. Çok sayıda tahminde (makalemizde bunlardan bahsediyoruz) herhangi bir ismin ve herhangi bir araştırma konusunun belirtilmesi, ancak Nobel Komitesi'nin dikkatini çekenlerin belirtilmemesi şaşırtıcı değildir.

Ödül neden verildi?

Peki sirkadiyen ritimler nedir ve Nobel Komitesi sekreterine göre ödül haberini "Dalga mı geçiyorsun?" sözleriyle karşılayan ödül sahipleri tam olarak neyi keşfetti?

Jeffrey Hall, Michael Rosbash, Michael Young

Yaklaşık günlük Latince'den "gün boyu" olarak tercüme edilmiştir. Öyle oluyor ki, gündüzün yerini geceye bıraktığı Dünya gezegeninde yaşıyoruz. Ve uyum sağlama sürecinde farklı koşullar organizmalarda gece ve gündüz, iç biyolojik saatler ortaya çıktı - vücudun biyokimyasal ve fizyolojik aktivitesinin ritimleri. Bu ritimlerin tamamen içsel bir doğaya sahip olduğunu ancak 1980'lerde yörüngeye mantar göndererek göstermek mümkün oldu. Nörospora crassa. Daha sonra sirkadiyen ritimlerin dış ışığa veya diğer jeofizik sinyallere bağlı olmadığı anlaşıldı.

Sirkadiyen ritimlerin genetik mekanizması, 1960'lar ve 1970'lerde, farklı sirkadiyen ritimlere sahip Drosophila'nın mutant soylarını inceleyen Seymour Benzer ve Ronald Konopka tarafından keşfedildi: vahşi tip sineklerde sirkadiyen ritim dalgalanmalarının bazı mutantlarda 24 saatlik bir periyodu vardı. - 19 saat, bazılarında - 29 saat, bazılarında ise hiç ritim yoktu. Ritimlerin gen tarafından düzenlendiği ortaya çıktı BAŞINA - dönem. Sirkadiyen ritimdeki bu tür dalgalanmaların nasıl ortaya çıktığını ve sürdürüldüğünü anlamaya yardımcı olan bir sonraki adım, mevcut ödül sahipleri tarafından atıldı.

Kendi kendini düzenleyen saat mekanizması

Geoffrey Hall ve Michael Rosbash genin kodlandığını öne sürdü dönem PER proteini kendi geninin çalışmasını bloke eder ve bu geri besleme döngüsü, proteinin kendi sentezini engellemesine ve hücrelerdeki seviyesini döngüsel olarak sürekli olarak düzenlemesine olanak tanır.

Resim 24 saatlik bir salınım boyunca olayların sırasını göstermektedir. Gen aktif olduğunda PER mRNA üretilir. Çekirdekten sitoplazmaya geçerek PER proteininin üretimi için bir şablon haline gelir. Period geninin aktivitesi bloke edildiğinde PER proteini hücre çekirdeğinde birikir. Bu geri bildirim döngüsünü kapatır.

Model çok çekiciydi ancak resmi tamamlamak için yapbozun birkaç parçası eksikti. Gen aktivitesini engellemek için proteinin, genetik materyalin depolandığı hücre çekirdeğine girmesi gerekir. Jeffrey Hall ve Michael Rosbash, PER proteininin gece boyunca çekirdekte biriktiğini gösterdiler ancak oraya nasıl ulaştığını anlamadılar. 1994 yılında Michael Young ikinci bir günlük ritim genini keşfetti. zamansız(İngilizce: “zamansız”). İç saatimizin normal işleyişi için gerekli olan TIM proteinini kodlar. Young, zarif deneyinde, TIM ve PER'in yalnızca birbirine bağlanarak çiftleşerek hücre çekirdeğine girebileceğini ve orada geni bloke edebileceğini gösterdi. dönem.

Sirkadiyen ritimlerin moleküler bileşenlerinin basitleştirilmiş çizimi

Bu geri bildirim mekanizması salınımların nedenini açıklıyordu ancak frekanslarını neyin kontrol ettiği belli değildi. Michael Young başka bir gen buldu iki kere. PER proteininin birikimini geciktirebilen DBT proteinini içerir. Salınımların günlük döngüyle örtüşmesi için bu şekilde "hataları ayıklanır". Bu keşifler insanın biyolojik saatinin temel mekanizmalarına dair anlayışımızda devrim yarattı. Sonraki yıllarda bu mekanizmayı etkileyen ve kararlı çalışmasını sağlayan başka proteinler de bulundu.

Örneğin, bu yılın ödül sahipleri, gene neden olan ek proteinleri keşfettiler. dönem iş ve ışığın biyolojik saati senkronize ettiği proteinler (veya zaman dilimlerinde keskin bir değişiklikle jet lag'a neden olur).

Ödül hakkında

Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nün (orijinal başlığında "ve" yerine "veya" edatının geldiğini belirtmekte fayda var) Alfred Nobel'in 1895'teki vasiyetiyle tanımlanan beş ödülden biri olduğunu ve eğer Belgenin lafzına göre, her yıl “fizyoloji veya tıp alanında bir önceki yıl yapılan ve insanlığa maksimum fayda sağlayan bir keşif veya buluş için” verilmesi gerekmektedir. Ancak görünen o ki “geçen yılın prensibi” neredeyse hiç uygulanmadı.

Artık Fizyoloji veya Tıp Ödülü geleneksel olarak Nobel haftasının başında, Ekim ayının ilk Pazartesi günü veriliyor. İlk kez 1901 yılında difteriye yönelik serum tedavisinin geliştirilmesi nedeniyle ödüllendirildi. Toplamda, tarih boyunca ödül dokuz durumda 108 kez verildi: 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 ve 1942'de - ödül verilmedi.

Ödül, 1901'den 2017'ye kadar 10'u kadın 214 bilim adamına verildi. Şu ana kadar birisinin tıp alanında ödülü iki kez aldığı bir vaka olmadı, ancak mevcut bir ödülün aday gösterildiği durumlar (örneğin bizimki) oldu. 2017 ödülünü dikkate almazsanız, o zaman orta yaşÖdül sahibi 58 yaşındaydı. Fizyoloji ve tıp alanında Nobel ödüllü en genç kişi 1923 ödülü sahibi Frederick Banting'di (insülin keşfi ödülü, 32 yaşında), en yaşlısı ise 1966 ödülü sahibi Peyton Rose'du (onkojenik virüslerin keşfi ödülü, 87 yaşında) ).

Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, çalışmaları biyolojik saatin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olan üç araştırmacıya verildi.

Jeffrey Hall, Michael Rosbash ve Michael Young. (Fotoğraf: Hong Kong Çin Üniversitesi Bildiri/EPA)

PER proteinindeki dalgalanmalar sirkadiyen ritimlerin moleküler kaynağıdır: Hücrede biriken protein çekirdeğe nüfuz eder ve kendi geninin aktivitesini bastırır; daha sonra PER yavaş yavaş parçalanır ve genini serbest bırakır; döngü tekrarlanır. (İllüstrasyon: Nobelprize.org.)

Dünyadaki yaşam en başından beri gündüzün düzenli olarak geceyi takip ettiği ve gecenin de gündüzü takip ettiği gerçeğine uyum sağlamak zorundaydı. Hemen hemen tüm canlılar, vücudu gündüz modundan gece moduna ve geri moduna geçiren özel bir saat mekanizmasına sahiptir. Biyolojik saatin nasıl çalıştığının en açık göstergesi uyku ve uyanıklık arasındaki değişimdir. Ancak biyolojik saat sadece uykuyla ilgili değil. Gece ve gündüz farklı vücut sıcaklıklarına sahip olduğumuz, gece ve gündüz kalp ve damarlarımızın farklı çalıştığı, metabolizmamızın günlük (ya da sirkadiyen ya da sirkadiyen) dalgalanmalara maruz kaldığı biliniyor. Aynı şey diğer canlı organizmalar için de söylenebilir - hayvanlar ve bitkiler, tek hücreli ve çok hücreli hakkında.

Canlılar dünyasının bir tür dahili kronometreye uyduğu gerçeği oldukça uzun zaman önce fark edilmişti. 18. yüzyılın ilk yarısında Fransız gökbilimci Jean-Jacques de Meran, çiçek salkımlarını güneşten sonra çeviren ve geceleri yapraklarını indiren heliotrop bitkilerinin, günün her saatinde tam karanlıkta yapraklarını kaldırıp indirmeye devam ettiğini fark etti. Başka bir deyişle, mesele güneşin olup olmaması değil, bir tür iç mekanizmadır. Peki ama bu nasıl bir mekanizma? Sonuçta ne yaprakların hareketi, ne vücut ısısındaki dalgalanmalar, ne de uyku bir mekanizmadır, bunlar sadece işleyişinin sonuçlarıdır.

Geçen yüzyılın 70'li yıllarının başında genetikçiler, Drosophila genomunda sirkadiyen ritimleri kontrol eden bir bölge bulmayı başardılar. Bu genomik bölgede herhangi bir değişiklik meydana geldiğinde, sineklerin günlük ritmi 24 saatlik programın dışına çıkıyordu, böylece bazı sinekler sanki günde daha az saat varmış gibi (örneğin sadece 19 saat) yaşıyorlardı ve diğer sinekler ise 24 saatlik programın dışına çıkıyordu. gün 29 saate çıkarıldı. Açıkçası, her şey burada bulunan bir genle ilgiliydi. İsmini aldı dönem veya başına.

1984 yılında şu anki Nobel ödülü sahipleri Geoffrey Hall'dur ( Jeffrey C.Hall) ve Michael Rosbash ( Michael Rosbash), o zamanlar Brandeis Üniversitesi'nde çalışıyordu ve Michael Young ( Michael W. Young) Rockefeller Üniversitesi'nden - aynı anda iki makalede per geninin Drosophila genomunda nerede bulunduğunu doğru bir şekilde belirleyebildiklerini bildirdiler. Daha sonra Hall ve Rosbash, hücrelerdeki PER proteini seviyesinin günün saatine bağlı olarak dalgalandığını göstermeyi başardılar: geceleri giderek daha fazla hale geliyor, gün içinde ise tam tersi giderek daha az oluyor. Görünüşe göre burada biyolojik saatin seyrini belirleyen harika bir moleküler yay var.

Peki protein neden daha fazla veya daha az oluyor? Bunu açıklamanın en kolay yolu olumsuz geri bildirim olacaktır. Bildiğiniz gibi birçok protein kendi genlerinin çalışmasını bloke eder: eğer çok fazla protein molekülü varsa, kendi genlerinin aktivitesini bastırırlar ve yeni RNA kopyalarının sentezini engellerler (protein sentezi için bir RNA kopyasına ihtiyaç olduğunu unutmayın). ; RNA olmadan protein yapılamaz).

Aynı zamanda hücrede PER proteini de dahil olmak üzere proteinleri parçalayan moleküler makineler çalışır. Gittikçe azalıyor ve sonunda kendi genini serbest bırakıyor, böylece yeniden çalışmaya başlıyor; döngü tekrarlanıyor. PER proteininin kendisi diğer genlerle etkileşime girerek aktivitelerini artırabilir veya azaltabilir ve bunlar da başka bir gen grubuyla çalışabilir - böylece PER dalgalanmaları nedeniyle birçok hücre içi işlemin işleyişi ayarlanabilir. Aynı zamanda, böyle bir modelde gündüz ve gece değişiminin hiç gerekli olmadığını da not ediyoruz - döngüsel moleküler değişiklikler kendi başlarına meydana gelir, ancak elbette gerçekte canlı organizmalarda günün saati, yani Aydınlatma rejimi sirkadiyen moleküllerin çalışmasını etkiler.

PER proteininin kendi konsantrasyonunu kontrol ettiği model, sirkadiyen ritimlerin işleyişini kolay ve zarif bir şekilde açıklıyordu ancak ilk başta bazı kör noktalar vardı. Proteinlerin hücrenin sitoplazmasında sentezlendiğini ve DNA'nın hücre çekirdeğinde bulunduğunu hatırlarsak şu soru ortaya çıkar: PER çekirdeğe nasıl nüfuz eder? Onun nüfuz ettiği gerçeği aynı Hall ve Rosbash tarafından kanıtlandı, ama oraya nüfuz etmesine kim yardım ediyor? Gizem, 1994 yılında Michael Young'ın PER adında bir yardımcı protein bulması ile çözüldü. Bunun gen olduğu ortaya çıktı. zamansız ve biyolojik saatin normal işleyişi için kesinlikle gerekli olduğu ortaya çıkan TIM proteini. PER proteininin çekirdeğe girebilmesi için TIM proteinine ihtiyacı vardır. Daha sonra Michael Young, gen tarafından kodlanan başka bir önemli günlük protein olan DBT'yi buldu. iki kere. DBT proteininin görevi PER'in 24 saatlik bir döngüde oluşmasını ve parçalanmasını sağlamaktır. Yani DBT biyolojik saatin doğruluğunu kontrol ediyor.

Elbette bunların hepsi sirkadiyen ritimlerin bağlı olduğu proteinler değil; özellikle yukarıda da söylediğimiz gibi dışarıda çok fazla ışık olup olmadığını saat mekanizmasına söyleyen özel moleküller vardır (biyolojik saat aparatını günün saatiyle senkronize eden proteinler de Hall, Rosbash ve Young tarafından keşfedilmiştir). Ancak temel şema değişmeden kaldı: Sirkadiyen ritimlerin çalışması için hücrede çok ya da az bulunan PER'e ihtiyacınız var, PER'in çekirdeğe nüfuz etmesine yardımcı olacak TIM'e ihtiyacınız var ve günlük ritmi izleyen DBT'ye ihtiyacınız var. PER sıklığı. Ve daha da önemlisi, bu şemanın evrensel olduğu ortaya çıktı - sadece meyve sineklerinde değil, sirkadiyen saat bu şemaya göre çalışıyor, aynı zamanda genel olarak tüm canlılarda.

Elbette sirkadiyen mekanizma hakkında bilgi sahibi olmanın tıp için ne kadar önemli olduğunu hatırlamakta fayda var. İÇİNDE son zamanlarda Biyolojik saatin bozulması nedeniyle ortaya çıkabilecek sorunları giderek daha fazla duyuyoruz; buna ne kadar bağlı olduğu göz önüne alındığında bu hiç de şaşırtıcı değil. Ve bu sadece uyku bozukluklarıyla ilgili değil; Sirkadiyen ritimlerle ilgili sorunlardan dolayı bu ihtimalin arttığına ve bozulan biyolojik saatin, beraberinde gelen tüm metabolik sorunlarla birlikte birikime katkıda bulunduğuna dair kanıtlar var.

Elbette sirkadiyen ritimlerle ilgili olarak, bunların düzenlenmesi ve ayarlanması, farklı organ ve dokulardaki saatlerin hiyerarşisi ve ilişkileriyle ilgili hâlâ birçok soru var; son olarak sirkadiyen ritimlerin yanı sıra aylık ve mevsimsel ritimler de var ve bunların bir şekilde sirkadiyen "meslektaşları" ile ilişkili olduğu aşikar.

Ancak tüm bunlar, Hall, Rosbash ve Young'ın tüm canlı organizmaların en temel özelliklerinden birinin derin özünü ortaya çıkardıkları ve biyolojik saatler konusunda her geçen gün artan sayıda makalenin ortaya çıktığı açık gerçeğini ortadan kaldırmıyor. , mevcut ödül sahiplerinin modern biyolojide bütün bir yön yaratmayı başardıklarını öne sürüyor.

2017 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, gece ve gündüzün değişmesiyle ilişkili biyolojik süreçlerin döngüsel dalgalanmalarını kontrol eden hücre içi bir mekanizma olan biyolojik saatin işleyişini belirleyen genlerin keşfi nedeniyle verildi. Siyanobakterilerden yüksek hayvanlara kadar tüm canlı organizmalarda günlük veya doğaldır.

Tabii ki, dünya çapında bu kadar tanınan herhangi bir bilimsel sonuç, öncüllerinin başarılarına dayanmaktadır. Biyolojik saat fikri ilk olarak 17. yüzyılda Fransız gökbilimci Jean Jacques de Meran'ın bitki yapraklarının hareketinin günlük ritminin karanlıkta bile kaybolmadığını keşfetmesiyle ortaya çıktı: kesinlikle "programlanmıştır" ve çevrenin eylemiyle belirlenir.

Bu andan itibaren biyolojik saat olgusunun incelenmesi başladı. Neredeyse tüm canlı organizmaların günlük veya günlük bir periyotta döngüsel süreçlerden geçtiği ortaya çıktı. Ve ana dış senkronizasyon faktörünün (gece ve gündüz değişimi) yokluğunda bile, organizmalar günlük bir ritme göre yaşamaya devam ederler, ancak bu ritmin periyodu günün uzunluğundan daha uzun veya daha kısa olabilir. bireysel özellikler.

Biyolojik saatin genetik temeli ilk olarak 1970'li yıllarda meyve sineğinde Per (adet dönemi) geninin keşfedilmesiyle atılmıştır. Bu keşfin yazarları Seymour Benzer ve California Teknoloji Enstitüsü'nden öğrencisi Ronald Konopka, kimyasal mutajenez kullanılarak elde edilen yüzlerce laboratuvar sinek dizisiyle çalışarak büyük ölçekli bir deney gerçekleştirdiler. Bilim adamları, aynı aydınlatma periyoduyla bazı sineklerde sirkadiyen uyku ve uyanıklık ritmi periyodunun ya normal günden önemli ölçüde kısaldığını (19 saat) ya da daha uzun (28 saat) olduğunu fark ettiler; ayrıca tamamen eşzamansız bir döngüye sahip “aritmikler” keşfedildi. Meyve sineklerinde günlük ritmi kontrol eden genleri belirleme girişiminde bulunan bilim insanları, bu ritimdeki bozuklukların bilinmeyen bir gen veya gen grubundaki mutasyonlarla ilişkili olduğunu gösterdi.

Böylece, geleceğin Nobel Ödülü sahipleri Hall, Rosbash ve Young, uyku ve uyanıklık dönemlerinde genetik olarak belirlenmiş değişikliklere sahip sinek soylarını zaten ellerinin altında tutuyorlardı. 1984 yılında bu bilim insanları istenen Per genini izole edip sıraladılar ve kodladığı protein seviyesinin günlük olarak değiştiğini, geceleri zirveye çıktığını ve gündüzleri azaldığını buldular.

Bu keşif, amacı sirkadiyen ritim mekanizmalarının neden bu şekilde çalıştığını ve başka şekilde çalışmadığını, sirkadiyen periyodun neden farklı bireyler arasında değişebildiğini, ancak aynı zamanda dirençli olduğunun ortaya çıktığını anlamak olan araştırmaya yeni bir ivme kazandırdı. eyleme geçmek dış faktörler sıcaklık gibi (Pittendrich, 1960). Bu nedenle, siyanobakteriler (mavi-yeşil algler) üzerinde yapılan çalışmalar, sıcaklıktaki 10 ºС'lik bir artışla, döngüsel metabolik süreçlerinin günlük periyodunun yalnızca% 10-15 oranında değiştiğini, oysa kimyasal kinetik yasalarına göre bu değişimin olduğunu gösterdi. neredeyse sırayla daha büyük olmalı! Tüm biyokimyasal reaksiyonların kimyasal kinetik kurallarına uyması gerektiğinden, bu gerçek gerçek bir zorluk haline geldi.

Bilim adamları artık günlük döngünün birden fazla gen tarafından belirlenmesi nedeniyle döngüsel süreçlerin ritminin oldukça sabit kaldığı konusunda hemfikir. 1994 yılında Young, Drosophila'da PER protein seviyelerinin geri bildirim düzenlemesinde yer alan bir proteini kodlayan Tim genini keşfetti. Sıcaklık arttıkça sirkadiyen döngünün oluşumunda rol oynayan proteinlerin yanı sıra bunu engelleyen diğer proteinlerin de üretimi artar, böylece biyolojik saatin işleyişi bozulmaz.

Sirkadiyen ritimlerin temel mekanizmaları artık yeterince araştırılmış olsa da birçok ayrıntı açıklanamamıştır. Bu nedenle, tek bir organizmada birkaç "saatin" aynı anda nasıl bir arada var olabileceği açık değildir: farklı dönemler? Örneğin insanların kapalı alanda veya mağarada yaşadığı deneylerde, gece ve gündüzün değişimi hakkında bilgi alınmadan, vücut ısısı, steroid hormonlarının salgılanması ve diğer fizyolojik parametreler yaklaşık 25 saatlik bir periyotla döngüleniyor. uyku ve uyanıklık süreleri 15 ile 60 saat arasında değişebilmektedir (Wever, 1975).

Sirkadiyen ritimlerin incelenmesi, vücudun aşırı koşullarda işleyişini anlamak için de önemlidir; örneğin, kutupsal gündüz ve gece koşullarında, sirkadiyen ritimlerin doğal senkronizasyon faktörlerinin çalışmadığı Kuzey Kutbu'nda. Bu tür koşullarda uzun süre kalındığında, kişinin bir dizi işlevin sirkadiyen ritminin önemli ölçüde değiştiğine dair ikna edici kanıtlar vardır (Moshkin, 1984). Artık bu faktörün insan sağlığını önemli ölçüde etkileyebileceğinin farkındayız ve bu konuda bilgi sahibiyiz. moleküler temel Sirkadiyen ritimler, kutup koşullarında çalışırken "faydalı" olacak gen varyantlarının belirlenmesine yardımcı olmalıdır.

Ancak biyoritimler hakkındaki bilgi yalnızca kutup kaşifleri için önemli değildir. Sirkadiyen ritimler metabolizmamızı, bağışıklık sistemimizi ve inflamasyonu, kan basıncımızı, vücut sıcaklığımızı, beyin fonksiyonumuzu ve çok daha fazlasını etkiler. Bazı ilaçların etkinliği ve özellikleri yan etkiler. İç ve dış “saatler” arasında zorunlu bir tutarsızlık varsa (örneğin, uzun mesafeli uçuş veya gece vardiyası nedeniyle), vücutta çeşitli işlev bozuklukları gözlemlenebilir. gastrointestinal sistem ve kardiyovasküler sistemi depresyona sürükleyerek kansere yakalanma riskini de artırıyor.

Edebiyat

PITENDRIGH C.S. Sirkadiyen ritimler ve yaşam sistemlerinin sirkadiyen organizasyonu. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960;25:159-84.

Wever, R. (1975). "İnsanın sirkadiyen çoklu salınım sistemi." Uluslararası J Chronobiol. 3(1): 19–55.

Moshkin M.P. Doğal ışık rejiminin kutup kaşiflerinin biyoritimleri üzerindeki etkisi // İnsan Fizyolojisi. 1984, 10(1): 126-129.

Tatyana Morozova tarafından hazırlanmıştır.