Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
20 октября 2017, пятница, 10:09
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

РЕГИОНЫ

Молекулярный механизм биологических часов

Нейронные связи клеток мозга
Нейронные связи клеток мозга

Нобелевская премия 2017 года по физиологии и медицине была присуждена трем американским ученым: Джефри Холлу (Jeffrey C. Hall), Майклу Росбашу (Michael Rosbash) и Майклу Янгу (Michael W. Young) – за «открытие молекулярных механизмов циркадных ритмов». Четырьмя годами ранее эти ученые получили за свои работы в данной области премию Шао.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш, и Майкл Янг. Nobelprize.org

Циркадные ритмы – это те самые «биологические часы», которые есть почти у всех живых существ, то есть колебания интенсивности процессов в организме с периодом, близким к 24 часам. Древнейшее наблюдение за циркадными ритмами сделал соратник Александра Македонского Андросфен, один из начальников флота, который возвращался в Элладу через Персидский залив и Аравийское море. Его сочинение об этом плавании сохранилось в фрагментах, один из которых цитируется в «Истории растений» Теофраста. Андросфен описывает дерево на одном из островов, листья которого «ночью <…> складываются, с восходом солнца начинают раскрываться и в полдень окончательно развертываются; с наступлением вечера опять постепенно сжимаются и ночью складываются. Местные жители говорят, что дерево засыпает» (пер. М. Е. Сергеенко). Скорее всего, Андросфен имел в виду индийский тамаринд (Tamarindus indica).

В 1729 году французский астроном и физик Жан Жак де Меран заинтересовался способностью мимозы стыдливой (Mimosa pudica) раскрывать свои листочки утром и складывать их на ночь. Он провел эксперимент, в котором растения содержались в круглосуточной темноте, но все равно продолжали раз в сутки раскрывать и складывать листья, то есть изменение в растении не вызывались напрямую солнечным светом, а зависели от какого-то внутреннего механизма, «часов». Правда, де Меран склонялся к другому объяснению, считая, что растения способны «ощущать Солнце, не видя его». Тем не менее, его маленькая статья о мимозе стала первым исследованием в хронобиологии.

Проявление циркадного ритма у растения альбиции шелковой (Albizia julibrissin)

Позже подобные ритмы были обнаружены не только у растений, но и у животных, не исключая и людей. Этим ритмам подвержены температура тела, мозговая активность, выработка гормонов, регенерация клеток и другие процессы организма. Прилагательное «циркадные», предложенное для них в 1950-е годы американским хронобиологом Францем Хальдбергом образовано от латинских слов circa «около» и dies «день», то есть ритмы с периодом около суток. В XX веке ученым удалось узнать много подробностей о работе циркадных ритмов. Например, они открыли, что ритмические процессы не только сохраняются в отсутствии внешних факторов (как в опыте с мимозой в темноте), но и способны корректироваться, сдвигаясь при изменении внешних условий. Мы сталкиваемся с этим явлением, совершая путешествие на самолете через несколько часовых поясов. Сначала человек переживает «джет-лаг», пока его циркадные ритмы идут по-старому, а потом они модифицируются, подстраиваясь под местные дневные и ночные часы. Но молекулярно-генетическая природа циркадных ритмов стала известна лишь в последней трети XX века.

В 1970-е годы Сеймур Бензер и Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института обнаружили мух дрозофил с измененными циркадными ритмами, которые были или длиннее, или короче “стандарта”, а были и такие дрозофилы, у которых время покоя и активности имели случайную продолжительность, то есть циркадный ритм вовсе отсутствовал. Все эти отклонения передавались потомству, а значит, они были заложены генетически, в мутантных вариантах пока еще неизвестного гена.

Идентифицировать этот ген смогли в 1984 году Джеффри Холл и Майкл Росбаш, работавшие в Университете Брандейса в Бостоне и Майкл Янг из Университета Нью-Йорка. Он получил название period (per). Затем Холл и Росбаш определили белок (PER), кодируемый этим геном. Они предположили, что природа ритмов заключается в механизме отрицательной обратной связи: чем выше возрастает концентрация белка в клетке, тем меньше он синтезируется. Белок накапливался в организме ночью и разрушался в течение дня. Уменьшение концентрации вновь запускали механизм его синтеза, и процесс повторялся день за днем.

Ученые рассмотрели также две мутации этого гена, получившие обозначения pers и perl. При первой мутации период изменений в концентрации белка становился короче, при второй длиннее. То есть «биологические часы» дрозофил с этими мутациями начинали спешить или отставать. Соответствующие изменения в концентрации белка PER коррелировали с уровнем двигательной активности у дрозофилы.

 
Дрозофила / pixabay.com

Оставался непонятным важный момент: белок PER, как и положено белку, синтезируется на рибосомах, а чтобы повлиять на активность собственного гена и затормозить его, белку надо было как-то проникнуть в клеточное ядро. В 1994 году Майкл Янг нашел еще один ген дрозофил, котором дал название timeless. Данный ген кодирует белок TIM. Янгу и его коллегам удалось доказать, что белок TIM связывается с белком PER, образуя комплекс, который биохимики называют гетеродимером, и вместе они становятся способны попасть в клеточное ядро, чтобы приостановить активность гена period.

В дальнейшем исследования генетической основы циркадных ритмов были продолжены, и ученым удалось выяснить, как именно происходит торможение работы гена period.  В лаборатории Росбаша и Холла были исследованы еще два гена дрозофил, связанных с циркадными ритмами, названные cycle и clock. Белки, кодируемые этими генами, служат факторами транскрипции для генов period и timeless, то есть влияют на синтез матричной РНК этих генов. Как оказалось, гетеродимер белков PER и TIM, проникая в клеточное ядро, воздействует именно на гены cycle и clock, приостанавливая синтез их матричной РНК, а опосредованно – и собственный синтез. Концентрации белков PER и TIM после этого снижаются, их гетеродимера производится меньше, он уже не выключает гены cycle и clock, их белки снова подстегивают работу генов period и timeless – процесс повторяется по кругу.

Ген cryptochrome, открытый Росбашем и его коллегами, и белок этого гена (CRY) отвечают за своевременное разрушение белков PER и TIM. Концентрация PER и TIM падает на свету и возрастает вечером и ночью. Это связано с тем, что белок CRY чувствителен к световым волнам в голубой части спектра и днем активнее вступает в реакцию с белком TIM, вызывая его распад. Это ускоряет и распад белка PER, так как без белка TIM он куда менее стабилен. Еще один ген, открытый Янгом, doubletime, кодировал белок DBT, который ускорял распад белка PER, присоединяя к его молекуле фосфатную группу. Гены cryptochrome и doubletime и их белки влияют на частоту колебаний ритма, делая ее близкой к 24 часам.

Затем аналогичные гены были открыты и у млекопитающих. В результате всех этих исследований была сформирована модель транскрипционно-трансляционной осцилляции, то есть ритмически изменяющейся экспрессии генов, лежащая в основе «биологических часов».

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi Адыгея Александр Лавров альтернативная энергетика «Ангара» антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика аутизм Байконур бактерии бедность библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса британское кино Византия визуальная антропология викинги вирусы Вольное историческое общество воспитание Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология геофизика глобальное потепление грибы грипп дельфины демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение змеи зоопарк зрение Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура картография католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лексика лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг моллюски Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. одаренные дети онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека Протон-М психоанализ психология психофизиология птицы РадиоАстрон ракета растения РБК РВК РГГУ регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент Россотрудничество русский язык рыбы Сергиев Посад сердце Сингапур сланцевая революция смертность СМИ Солнце сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология финансовый рынок фольклор химия христианство Центр им.Хруничева черные дыры школа школьные олимпиады эволюция эволюция человека экология эмбриональное развитие эпидемии эпидемиология этика этнические конфликты этология Юпитер ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 495 980 1894.
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.