Что такое "циркадные ритмы" и почему за управление ими дают нобелевскую премию. Час нобеля

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.

Итак, для тех людей, которые занимаются наукой или говорят и пишут о ней, настала самая важная неделя в году. Традиционно в первую неделю октября Нобелевский комитет объявляет лауреатов Нобелевской преми. И традиционно первыми мы узнаем лауреатов премии по физиологии или медицине (да-да, почему-то в русском языке этот союз превратился в «и», но правильно – или одно, или другое).

В 2017 году Каролинский институт, который присуждает эти премии, удивил всех. Не секрет, что многие эксперты и агентства выступают с пророчествами и предсказаниями лауреатов. В этом году впервые с предсказаниями выступило агентсво Clarivate Analytics, которое выделилось из агенство Thomson Reyters. В области премии по медицине они предсказывали победу Льюису Кэнтли за открытие белка, который отвечает за развитие рака и диабета, Карлу Фристону за методы нейровизуализации и супругам Юань Чань и Патрику Муру за открытие вируса герпеса, которое вызывает саркому Капоши.

Однако неожиданно для всех премию получили три американца (что совсем не неожиданно) за открытие молекулярных механизмов циркадных ритмов – внутренних молекулярных часов человека, животных и растений. Да, почитай, почти всех живых существ. Того самого, что называют биоритмы.

Что же открыли Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн?

Для начала скажем, что циркадные ритмы (от латинского circa – кругом и diem – день) они НЕ открыли. Первые намеки на это появились еще в древности (и неудивительно, все мы днем бодрствуем, а ночью – спим). Ген, отвечающий за работу внутренних часов тоже открыт не нашими героями. Эту серию экспериментов провели на мухах-дрозофилах Сеймур Бензер и Рональд Конопка. Они смогли найти мутантных мушек, в которых длительность циркадных ритмов была не 24 часа, как у живущих в природе (или как у людей), а 19 или 29 часов, или вообще никаких циркадных ритмов не наблюдалось. Именно они открыли ген period, который «рулит» ритмами. Но увы, Бензер умер в 2007, Конопка – в 2015 году, так и не дождавшись своей Нобелевской премии. Так часто бывает в науке.

Итак, сам ген period или PER, кодирует белок PER, который и дирижирует оркестром циркадных ритмов. Но как он это делает, и как достигается цикличность всех процессов? Холл и Росбаш предложили гипотезу, согласно которой белок PER попадает в ядро клетки и блокирует работу собственного гена (как мы помним, гены – это лишь инструкция по сборке белка. Один ген – один белок). Но как это происходит? Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре клетки за ночь, а днем расходуется, но не понимали, как ему удается попадать туда. И тут на помощь пришел третий лауреат, Майкл Янг. В 1994 году он открыл еще один ген, timeless («без времени»), который тоже кодирует белок – TIM. Именно Янг показал, что в ядро клетки PER может попасть только соединившись с белком TIM.

Итак, подведем итог первого открытия: Когда ген period активен, в ядре производится так называемая матричная РНК белка PER, по которой, как по образцу, в рибосоме будет производиться белок. Эта матричная РНК выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Дальше петля замыкается: белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Дальше Янг открыл еще один ген, doubletime – «двойное время», который кодирует белок DBT, который может «настроить» накапливание белка PER, смещая его во времени. Именно благодаря этому мы можем подстроиться к изменению часового пояса и продолжительности дня и ночи. Но – если мы очень быстро меняем день на ночь, белок не успевает за реактивным самолетом, и случается джет-лаг.

Нужно отметить, что премия 2017 года – это первая премия за 117 лет, которая хоть как-то относится к циклу сна и бодрствования. Помимо открытия Бензера и Конопки, своих премий не дождались и другие исследователи суточных ритмов и процессов сна, такие, как одна из основательниц хронобиологии Патрисия ДеКорси, первооткрыватель «быстрой» фазы сна Юджин Азеринский, один из отцов сомнологии Натаниэль Клейтман… Так что можно назвать нынешнее решение Нобелевского комитета знаковым для всех, кто работает в этой тематике.

В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины. На этот раз премии удостоились Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг (Jeffrey Hall, Michael Rosbash, Michael Young) за открытие молекулярных механизмов, лежащих в основе циркадных ритмов - суточных колебаний различных параметров организма, характерных практически для всех живых существ. Прямая трансляция объявления победителя велась на сайте Нобелевского комитета. Подробнее о работе лауреатов можно узнать в пресс-релизе Нобелевского комитета.

Исследователи независимо друг от друга открыли на плодовой мушке Drosophila melanogaster ген и белок period , концентрация которого колеблется с периодичностью 24 часа и определяет работу «биологических часов» животного.

Циркадные ритмы (от латинских слов circa и diem , что переводится примерно как «в течение дня»), которые чаще называют биологическими часами, обнаружены у бактерий, грибов, растений и животных и представляют собой биохимический осциллятор, т.е. регулярную колебательную систему. Биологические часы регулируют не только чередование сна и бодрствования, но и пищевое поведение, а у млекопитающих - кровяное давление и концентрацию гормонов (в частности, кортизола и мелатонина). Несмотря на их «внутреннюю» природу, активность часов регулируется внешними факторами, главным из которых является свет.

Впервые мутации, нарушающие циркадные ритмы (clock mutations), были обнаружены Рональдом Конопкой и Сеймуром Бензером - их публикация, описывающая мух с нарушенным режимом вышла в 1971 году (оба исследователя уже умерли, а посмертно премию не вручают). Ученые дали соответствующее название (period) локусу, в котором были сосредоточены мутации.

Более основательное изучение биологических часов на молекулярном уровне началось в 80х годах в лаборатории Янга в университете Рокфеллера и в университете Брандейса, в котором работали Холл и Росбаш. Нынешние лауреаты Нобелевской премии независимо друг от друга определили координаты гена period и его нуклеотидную последовательность.

Холл и Ройбаш смогли идентифицировать продукт гена period - белок PER. Ночью этот белок накапливается, а в течение дня деградирует. Колебания концентрации белка PER соответствовали циркадным ритмам мух. Оказалось, что PER регулирует экспрессию собственного гена, однако для этого ему необходим партнер - белок TIM, кодируемый геном timeless . Майкл Янг в своей работе идентифицировал этот ген и показал, как комплекс белков PER и TIM попадает в ядро и блокирует активность гена period.

Всего за последующие 30 лет с момента идентификации гена period на дрозофиле было открыто десять генов, работа которых полностью определяет циркадные ритмы. Шесть из десяти генов были найдены в лаборатории Янга в университете Рокфеллера. Там же было показано, что почти семь процентов генов в мозге дрозофилы экспрессируются согласно колебаниям циркадного ритма.

Нобелевский комитет выбрал победителей из списка кандидатов, включающего 361 заслуженного ученого. По прогнозам журналистов и агентства Clarivate Analytics , которое предсказывает лауреатов на основании индекса цитируемости их научных работ, премию в этом году могли бы вручить за изучение механизмов развития рака, либо за разработки в области иммуно-онкологии - открытия, позволившие создать препараты для лечения рака на основе антител. Однако предсказатели снова ошиблись. Основанием для подобного прогноза стало предположение, что Нобелевский комитет должен чередовать премии за фундаментальные открытия с премиями за практические разработки.

Дарья Спасская

Нобелевский комитет сегодня определился с лауреатами премии по физиологии и медицине 2017 года. В этом году премия снова отправится в США: награду разделили Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн. Согласно решению Нобелевского комитета, эти исследователи награждены «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы»..

Нужно сказать, что за всю 117-летнюю историю Нобелевской премии это, пожалуй, первая премия за изучение цикла «сон-бодрствование», как и вообще за что-либо связанное с сном. Не получил премию знаменитый сомнолог Натаниэль Клейтман, а совершивший самое выдающееся открытие в этой области Юджин Азеринский, открывший REM-сон (REM - rapid eye movement, фаза быстрого сна), вообще получил за свое достижение лишь степень PhD. Неудивительно, что в многочисленных прогнозах (о них мы в своей заметке) звучали какие угодно фамилии и какие угодно темы исследований, но не те, которые привлекли внимание Нобелевского комитета.

За что дали премию?

Итак, что же такое циркадные ритмы и что конкретно открыли лауреаты, которые, по словам секретаря Нобелевского комитета, встретили известие о награде словами «Are you kidding me?».

Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг

Circa diem с латинского переводится как «вокруг дня». Так уж сложилось, что мы живем на планете Земля, на которой день сменяется ночью. И в ходе приспособления к разным условиям дня и ночи у организмов и появились внутренние биологические часы - ритмы биохимической и физиологической активности организма. Показать, что у этих ритмов исключительно внутренняя природа, удалось только в 1980-х, отправив на орбиту грибы Neurospora crassa . Тогда стало ясно, что циркадные ритмы не зависят от внешних световых или других геофизических сигналов.

Генетический механизм циркадных ритмов обнаружили в 1960–1970-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка, которые изучали мутантные линии дрозофил с отличающимися циркадными ритмами: у мушек дикого типа колебания циркадного ритма имели период 24 часа, у одних мутантов - 19 часов, у других - 29 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. Оказалось, что ритмы регулируются геном PER - period . Следующий шаг, который помог понять, как появляются и поддерживаются такие колебания циркадного ритма, сделали нынешние лауреаты.

Саморегулирующийся часовой механизм

Джеффри Холл и Майкл Росбаш предположили, что кодируемый геном period белок PER блокирует работу собственного гена, и такая петля обратной связи позволяет белку предотвращать собственный синтез и циклически, непрерывно регулировать свой уровень в клетках.

Картинка показывает последовательность событий за 24 часа колебаний. Когда ген активен, производится м-РНК PER. Она выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Это и замыкает петлю обратной связи.

Модель была очень привлекательной, но для полной картины не хватало нескольких деталей паззла. Чтобы заблокировать активность гена, белку нужно пробраться в ядро клетки, где хранится генетический материал. Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре за ночь, но не понимали, как ему удается попадать туда. В 1994 году Майкл Янг открыл второй ген циркадного ритма, timeless (англ. «безвременный»). Он кодирует белок TIM, который нужен для нормальной работы наших внутренних часов. В своем изящном эксперименте Янг продемонстрировал, что, только связавшись друг с другом, TIM и PER в паре могут проникнуть в ядро клетки, где они и блокируют ген period .

Упрощенная иллюстрация молекулярных компонентов циркадных ритмов

Такой механизм обратной связи объяснил причину появления колебаний, но было непонятно, что же контролирует их частоту. Майкл Янг нашел другой ген, doubletime . В нем «записан» белок DBT, который может задержать накапливание белка PER. Так и происходит «отладка» колебаний, чтобы они совпадали с суточным циклом. Эти открытия совершили переворот в нашем понимании ключевых механизмов биологических часов человека. В течение последующих лет были найдены и другие белки, которые влияют на этот механизм и поддерживают его стабильную работу.

Например, лауреаты этого года обнаружили дополнительные белки, которые заставляют ген period работать, и белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы (или при резкой смене часовых поясов вызывает джетлаг).

О премии

Напомним, что Нобелевская премия по физиологии и медицине (стоит заметить, что в оригинальном названии на месте «и» звучит предлог «или») - одна из пяти премий, определенных завещанием Альфреда Нобеля 1895 года и, если следовать букве документа, должна ежегодно вручаться «за открытие или изобретение в области физиологии и медицины», сделанное в предыдущий год и принесшее максимальную пользу человечеству. Впрочем, «принцип прошлого года» не соблюдался, кажется, почти никогда.

Сейчас премия по физиологии и медицине традиционно присуждается в самом начале нобелевской недели, в первый понедельник октября. Впервые ее вручили в 1901 году за создание сывороточной терапии дифтерии. Всего за всю историю премия была вручена 108 раз, в девяти случаях: в 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 и 1942 годах - премия не присуждалась.

За 1901–2017 годы премия присуждена 214 ученым, дюжина из которых - женщины. Пока что не было случая, чтобы кто-то получил премию по медицине дважды, хотя случаи, когда номинировали уже действующего лауреата, были (например, наш ). Если не учитывать премию 2017 года, то средний возраст лауреата составил 58 лет. Самым молодым нобелиатом в области физиологии и медицины стал лауреат 1923 года Фредерик Бантинг (премия за открытие инсулина, возраст - 32 года), самым пожилым - лауреат 1966 года Пейтон Роус (премия за открытие онкогенных вирусов, возраст - 87 лет).

2 октября 2017 года Нобелевский комитет огласил имена лауреатов Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине. 9 млн шведских крон разделят поровну американские биологи Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall), Майкл Розбаш (Michael Rosbash) и Майкл Янг (Michael W. Young) за своё открытие молекулярного механизма работы биологических часов, то есть бесконечно зацикленного циркадного ритма жизнедеятельности организмов, в том числе человека.

За миллионы лет жизнь адаптировалась к вращению планеты. Давным-давно известно, что у нас есть внутренние биологические часы, которые предвосхищают и адаптируются ко времени суток. Вечером хочется заснуть, а утром - проснуться. Гормоны выбрасываются в кровь строго по расписанию, а способности/поведение человека - координация, скорость реакции - тоже зависят от времени дня. Но как работают эти внутренние часы?

Открытие биологических часов приписывают французскому астроному Жан-Жаку де Мерану, который в 18 веке обратил внимание, что листья мимозы раскрываются к Солнцу днём и закрываются ночью. Он задался вопросом, как будет вести себя растение, если поместить его в кромешную темноту. Оказалось, что даже в темноте мимоза следовала плану - у неё как будто были внутренние часы.

Позже такие биоритмы нашли у других растений, животных и человека. Практически все живые организмы на планете реагируют на Солнце: циркадный ритм намертво встроен в земную жизнь, в метаболизм всего живого на планете. Но каким образом работает данный механизм - оставалось загадкой.

Нобелевские лауреаты изолировали ген, который контролирует дневной биологический ритм, у мух-дрозофил (у человека и мухи немало общих генов в силу наличия общих предков). Своё первое открытие они сделали 1984 году. Открытый ген назвали period .

Ген period кодирует протеин PER, который накапливается в клетках ночью и разрушается в течение дня. Концентрация белка PER изменяется по 24-часовому графику в соответствии с циркадным ритмом.

Затем они идентифицировали дополнительные компоненты белка и полностью раскрыли самодостаточный внутриклеточный механизм циркадного ритма - в этой уникальной реакции белок PER блокирует активность гена period , то есть PER блокирует синтез самого себя, но постепенно разрушается в течение дня (см. схему вверху). Это самодостаточный бесконечно зацикленный механизм. Он работает по такому же принципу в других многоклеточных организмах.

После открытия гена, соответствующего протеина и общего механизма работы внутренних часов не хватало ещё нескольких кусочков головоломки. Учёные знали, что белок PER ночью накапливается в ядре клетки. Они знали также, что соответствующая mRNA производится в цитоплазме. Непонятно было, как белок попадает из цитоплазмы в ядро клетки. В 1994 году Майкл Янг открыл ещё один ген timeless , который кодирует белок TIM, тоже необходимый для нормальной работы внутренних часов. Он доказал, что если TIM присоединяется к PER, то пара протеинов способна внедриться в ядро клетки, где они и блокируют активность гена period , таким образом замыкая бесконечный цикл производства белка PER.

Выяснилось, что этот механизм с изысканной точностью адаптирует наши внутренние часы ко времени суток. Он регулирует разные критические функции организма, в том числе поведение человека, уровни гормонов, сон, температуру тела и метаболизм. Человек плохо себя чувствует, если наблюдается временное несоответствие между внешними условиями и его внутренними биологическими часами, например, при путешествии на большие расстояния в разные часовые пояса. Есть также доказательства, что хроническое несоответствие образа жизни и внутренних часов связано с повышенным риском возникновения различных заболеваний, в том числе диабета, ожирения, рака и сердечно-сосудистых заболеваний.

Позже Майкл Янг идентифицировал ещё один ген doubletime , кодирующий белок DBT, который замедляет накопление белка PER в клетке и позволяет организму более точно подстраиваться под 24-часовые сутки.

В последующие годы нынешние нобелевские лауреаты более подробно осветили участие в циркадном ритме других молекулярных компонентов, они нашли дополнительные протеины, которые участвуют в активации гена period , а также выяснили механизмы, как свет помогает синхронизировать биологические часы с внешними условиями среды.

Слева направо: Майкл Розбаш, Майкл Янг, Джеффри Холл

Исследование механизма внутренних часов ещё далеко не закончено. Мы знаем только основные части механизма. Циркадная биология - изучение внутренних часов и циркадного ритма - выделилась в отдельное бурно развивающееся направление исследований. И всё это произошло благодаря трём нынешним лауреатам Нобелевской премии.

Специалисты уже несколько лет обсуждали, что за молекулярный механизм циркадных ритмов дадут Нобелевскую премию - и вот это событие наконец произошло.