Нобеловите победители хвърлят светлина върху циркадните ритми

- Ключът четвърти награден тук е ... малката муха - каза Хол. Изображение чрез Lynn Ketchum / Flickr.

От Кари Л. Парч, Калифорнийския университет, Санта Крус

Циркадните ритми контролират, когато сме във върха на физическото и психическото си представяне всеки ден, поддържайки живота ни да тиктака във времето с цикъла на ден / нощ на Земята. Тази година Нобеловата награда за физиология или медицина беше присъдена на трима американски учени - Джефри Хол и Майкъл Росбаш от университета Брандейс и Майкъл Йънг от университета Рокфелер за проливане на светлина върху това как се измерва времето всеки ден в биологичните системи, включително собствените ни тела.

От перчинките на Дарвин на островите Галапагос до съвременните обитатели на града организмите се адаптират към средата си. Редовни 24-часови цикли на ден и нощ на Земята доведоха до еволюцията на биологичните часовници, които се намират в нашите клетки. Тези часовници ни помагат несъзнателно да изберем най-доброто време за почивка, търсене на храна или предвиждане на опасност или хищничество.

Областта на съвременната циркадна биология започва през 70-те години на миналия век, когато генетикът Сиймор Бензер и неговият ученик Рон Конопка предприемат революционно проучване за проследяване на гените, кодиращи биологичното време в плодовите мухи. С този ген в техните гледки, лабораториите на Хол, Росбаш и Йънг въведоха в молекулярната ера на циркадната биология, докато разплитаха молекулярните механизми на биологичното запазване на времето.

Ларвите на дрозофила са лабораторният обект за ранното изследване на циркадния часовник. Изображение чрез IrinaK / Shutterstock.com.

Защо лети?

За да започнат, Бензер и Конопка извършиха прост експеримент: проследявайки кога плодовата муха Drosophila melanogaster ще излезе от кутията си. Този процес на развитие, наречен еклозия, служи като мощен инструмент за изучаване на сложния биологичен процес на циркадните ритми. Тъй като Drosophila pupae се появяват само в определено време на деня, Konopka може да измери времето между кръгове на еклозия за различни щамове на мухите и да идентифицира тези, които имат лош часовник. Изолирайки мухоловните щамове с проблемите във времето, те се надяваха да успеят да се справят със съответните гени, които контролираха този вътрешен часовник.

В крайна сметка Конопка намери три мутантни щама: един, който имаше кратък, 19-часов ден; един с дълъг 28-часов ден; и един мутант, който изглежда нямаше никакъв часовник. Използвайки генетични инструменти, той успя да покаже, че всяка от отговорните мутации лежи забележително близо до една и съща хромозома, което предполага, че всички те са разположени в един единствен ген, който Бензер и Конопка нарекоха период за очевидния си контрол върху времето на часовника.

След това състезанието продължи и през 1984 г. два отбора най-накрая идентифицираха този така наречен часовник генен период при мухи: лабораториите на Джефри Хол и Майкъл Росбаш, работещи в тясно сътрудничество в Brandeis, и лабораторията на Майкъл Йънг в Рокфелер.

С гена в ръка, тези групи след това се стремят да установят как периодът се вписва в биологичен часовник. Първата улика дойде, когато Джефри Хол и Майкъл Росбаш откриха, че протеинът, кодиран от този ген (наречен PER), се увеличава през нощта и намалява през деня, което предполага, че нивата на протеина може по някакъв начин да предават информация за времето на останалата част от клетката.

Биологични бримки и таймери

Ако просто си представите как един биологичен часовник може най-добре да следи времето за един ден, може да преминете към ментална картина на таймер за часовници. Пясъкът постепенно изчезва с времето; когато целият пясък изчезне, това може да сигнализира процеса да започне отново. Дали PER е веществото, което поддържа биологичното време, като постепенно се променя през деня?

Едно ключово разбиране дойде, когато Хол и Росбаш разсъждават, че този PER протеин може действително да блокира активността на гена на периода, като се изключва всеки ден. Тъй като нивата на PER се натрупват през нощта, ще се получават все по-малко нови PER протеини. В крайна сметка нивата на протеините спадат и процесът започва отново. Това се нарича отрицателна обратна връзка. Това е един и същ вид биологичен балансиращ акт, който поддържа всичко от нивата на кръвната ви захар до циркадните ви ритми в една линия по цялото ви тяло.

Този вид отрицателна обратна система е подобна на това как термостатът контролира температурата в помещението. Ако температурата падне под зададената точка, термостатът включва нагревателя. Когато стаята стане прекалено препечена, термостатът изключва пещта. Тук отрицателната обратна връзка натрупване на топлина работи за управление на нагревателя и поддържане на постоянна температура.

Сега си представете, че трябва да повтаряте този процес отново и отново всеки ден с почти точно време. Биологичните часовници използват отрицателна обратна връзка от протеините на часовника като период, за да се включват и изключват отново на всеки 24 часа. Допълнителни проучвания в лабораторията на Йънг идентифицираха други ключови гени, наречени „Временни и двойни времена “, които се вписват в този пъзел, като контролират как PER обикаля клетката, за да се изключва всеки ден.

Парче по парче, започвайки да разбираме биологичните механизми на нашите живи часовници. Изображение чрез Уилям Уорби.

Поставяне на зъбците заедно в молекулни часовници

Работата през последните две десетилетия закръгли много по-задълбочено разбиране на циркадните ритми, за да покаже как повечето организми имат часовници въз основа на връзки за обратна връзка, подобни на Drosophila . Rosbash s лаборатория идентифицира част от протеина PER, известен като PAS домейни, който сега откриваме в много протеини с часовник от гъби и растения до хора. PAS домейните помагат на протеините на часовника като PER да се свържат с партньорите си за контрол на отрицателната обратна връзка.

Сравнявайки различията в структурите на PER PAS домейни на Drosophila и мишки, учените сега започват да научават как протеинът cogs на молекулния часовник се вписват заедно, за да кажат време. Разбирането на циркадните ритми при атомна разделителна способност като това ни позволява да обясним как новооткритите мутации в PER водят до промени в часовете на часовника и да отворят вратата за терапевтици, които биха могли да впрегнат силата на циркадните ритми за подобряване на човешкото здраве.

Да живееш с часовника си и неговите естествени ритми

Сега имаме много по-голяма признателност за централната роля, която циркадните ритми играят при координиране на живота ни с деня на Земята, контролиране на всичко - от вашия метаболизъм до времето на съня. Наскоро лабораторията на Young s установи преобладаваща мутация в гена на човешки часовник, криптохром 1, който удължава клетъчния часовник и затруднява лягането преди полунощ. Този наследствен ген на "нощната сова" се смята за доста често срещан, открит е в почти 1 от 75 от нас.

Разбирането на мощното регулиране на биологията чрез циркадните ритми започва да води до далечни промени в политиката. Например, вместо произволно да принуждаваме нашите графици за сън в рутинни процедури, които изискват ранно сутрешно време на събуждане, някои изследователи показват, че приспособяването на нашите графици да отговарят на нашите естествени ритми може да се изплати на работното място и в училище. Това е особено вярно за подрастващите, които имат естествена склонност към „нощна сова“ - забавянето на началните часове за училище дори само с един час може значително да подобри академичните постижения.

Науката вече е достатъчно далеч в нашето разбиране за циркадните часовници, които изследователите работят, за да оптимизират графика на работа и сън, като имаме предвид нашата биология. И всички тези иновации в политиката са изградени на основата на научните изследвания на Нобеловата награда с тези мънички плодови мухи.

Кари Л. Парч, доцент по физически и биологични науки, Калифорнийския университет, Санта Крус

Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.