Ход часов лишь однозвучный. «Нобеля» по медицине вручили за открытие механизмов циркадных ритмов

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.

Что такое биологические часы?

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.

Причем здесь мухи?

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».

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.

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.