Nobel za zegar, z muszką w tle

Nagrodę Nobla z dziedziny fizjologii lub medycyny w 2017 r. otrzymali trzej naukowcy z USA: Jeffrey C. Hall i Michael Rosbash z Brandeis University oraz Michael Young z Rockefeller University.

Foto: pixabay.com

Nagrodą Nobla uhonorowano ich wyniki badań nad molekularnym mechanizmem wewnętrznego zegara organizmów, zwanego okołodobowym zegarem biologicznym lub zegarem cyrkadialnym (ang. circadian clock). Zegar ten generuje rytmy dobowe, które występują prawie we wszystkich procesach biochemicznych i fizjologicznych organizmów, a u zwierząt także w zachowaniu.

Przykładem takiego rytmu jest dobowy rytm snu i czuwania u człowieka.

Samo zjawisko rytmów dobowych w procesach życiowych roślin i zwierząt było znane od XVIII w. Jednym z pierwszych uczonych, który stwierdził, że rytmy dobowe generowane są przez wewnętrzny zegar organizmu, a nie przez dobowy rytm zmian dnia i nocy, był francuski astronom Jean Jacques de Marrain, który zaobserwował, że dobowy rytm ruchów liści mimozy nadal utrzymuje się, kiedy roślina jest umieszczona w całkowitej ciemności.

To był dowód, że dobowy rytm ruchów liści tej rośliny nie powstaje w wyniku dobowych zmian dnia i nocy, ale generowany jest wewnętrznie w organizmie rośliny.

Karol Linneusz wykorzystał zjawisko dobowego rytmu otwierania i zamykania się kwiatów roślin do stworzenia zegara kwiatowego, w którym kolejne godziny doby wyznaczały otwierające się kwiaty różnych gatunków roślin. Dalsze badania wykazały, że rytmy dobowe występują u wszystkich organizmów i generowane są przez wewnętrzny zegar. Ten zegar cyrkadialny generuje rytmy o okresie krótszym lub dłuższym od 24 godzin, czyli okołodobowe, ale w warunkach dobowych zmian światła i ciemności, czyli dnia i nocy, zegar ulega synchronizacji i generuje rytmy dobowe.

Mechanizm molekularny zegara długo nie był znany, a do jego rozszyfrowania przyczyniły się badania na muszce owocowej Drosophila melanogaster.

W 1971 r. Ron Konopka i Seymour Benzer opublikowali pracę, w której opisali gen, nazwany period (per), niezbędny do funkcjonowania zegara. U mutantów muszki tego genu okres rytmu, normalnie równy 24 godzinom w warunkach dnia i nocy, był dłuższy (mutanty o długim okresie rytmu) lub krótszy (mutanty o krótkim okresie rytmu) od 24 godzin. Nobliści, wraz ze współpracownikami, zidentyfikowali inne geny molekularnego mechanizmu zegara, m.in. timeless (tim), clock (clk), cycle, cryptochrome (cry) i odkryli jego mechanizm oparty na kilku pętlach sprzężeń zwrotnych, z których główna pętla polega na cyklicznej ekspresji (transkrypcji) dwóch głównych genów zegara per i tim, a następnie syntezy (translacji) ich białek PER i TIM, które muszą utworzyć pary – dimery zapewniające im stabilność.

Aktywność genów per i tim rozpoczyna się pod koniec dnia i jest kontynuowana w nocy, a synteza ich białek zachodzi 5 godzin później w nocy.

Białka PER i TIM, po nagromadzeniu się w odpowiedniej ilości w cytoplazmie komórek zegara i utworzeniu dimerów, przechodzą do jądra komórkowego, hamując aktywność własnych genów. Po zakończeniu hamowania, co dzieje się na początku dnia, gdyż światło za pośrednictwem kryptochromu CRY degraduje najpierw TIM, a w konsekwencji także PER, transkrypcja per i tim może się znowu rozpocząć i cały cykl się powtarza. Późniejsze badania innych naukowców wykazały, że podobny molekularny mechanizm zegara, oparty na pętlach sprzężeń zwrotnych, w których białka regulują ekspresję własnych genów, występuje również u ssaków, w tym u człowieka. Stwierdzono również, że podobne geny m.in. Per1-3, także odgrywają kluczową rolę w mechanizmie zegara u ssaków. Odkrycie genów i molekularnego mechanizmu zegara ma znaczenie nie tylko poznawcze. Mutacje genów zegara u człowieka są przyczyną zaburzeń snu, np. rodzinnego zespołu przyspieszonej fazy snu.

Ponadto wiadomo już, że zaburzenia rytmiki dobowej procesów życiowych prowadzą do rozwoju poważnych chorób, takich jak nowotwory, otyłość, cukrzyca, choroby sercowo-naczyniowe, astma, depresja i inne choroby psychiczne.

Na razie sterowanie zegarem, aby szybko dostosował się do naszych potrzeb – np. w przypadku pracy zmianowej, podróży międzykontynentalnych na wschód lub zachód, zmian pory snu – nie udaje się, ale w leczeniu niektórych chorób związanych z zaburzeniami zegara są pewne sukcesy. Do takich terapii należy stosowanie silnego światła, ponad 1000 lux, o określonej porze doby, w leczeniu depresji. Wykazano również, że w terapii wielu chorób znaczenie ma chronofarmakologia, czyli podawanie środków farmakologicznych o określonej porze doby, przez co są one bardziej skuteczne i mniej toksyczne.

Elżbieta Pyza