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.
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».
