Биоритмы у мух-дрозофил: почему это открытие достойно Нобеля

Нобелевскую премию по медицине и физиологии в этом году вручили Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу за работы в области биологических (циркадных) ритмов. Почему Нобелевский комитет выбрал именно их – в материале «Футуриста»

Что такое биологические часы?

Это ключевая особенность жизни на Земле, которая связывает вращение планеты и ткани наших клеток на протяжение миллионов лет эволюции. Биологические часы позволяют организму предвидеть восход и закат солнца, а не просто реагировать на изменения времени суток. Различные типы клеток усеяны молекулярными компонентами часов, которые контролируют большое количество физиологических процессов: от фаз сна и температуры тела до артериального давления, обмена веществ и выработки гормонов.

И у кого они есть?

Молекулярные часы работают у всех многоклеточных, включая людей. А обнаружили их впервые у плодовых мушек (дрозофил).

Нобелевские лауреаты были первыми, кто их обнаружил?

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг

Нет. Ученые в курсе существования биологических часов уже несколько столетий. Трудно найти растение, жука или животное, которые не изменяют своего поведения со сменой времени суток. Французский астроном Жан-Жак-д'Орту де Майран провел один из самых убедительных ранних экспериментов, указывавших на существование циркадных ритмов. В 1729 году он показал, что мимоза раскрывает свои листья днем ​​и закрывает их ночью даже в полной темноте. Это означает, что растения реагируют не на свет, а на наступление дня или ночи.

Через 200 лет после смерти д'Орту де Майрана ученые приблизились к пониманию природы циркадных ритмов. В 1971 году американский нейробиолог Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка заметили, что у группы плодовых мух-мутантов внутренние часы были как будто неисправны. Биологи обнаружили мутацию в одном из генов, которая определяла неправильное восприятие времени. Этот ген позже назвали period.

И в чем заслуга Холла, Росбаша и Янга?

​Они объяснили, как это работает.

Нобелевские лауреаты Джеффри Холл и Майкл Росбаш из Университета Брандейса в Уолтхеме (Массачусетс) подключились к исследованиям циркадных ритмов в 1984 году. Ученые изучили ген period и белок PER, который он кодирует. Выяснилось, что PER накапливается в цитоплазме клеток в течение ночи, а днем разрушается. Но не было понятно, что заставляет уровни PER изменяться с течением 24-часового цикла. Ученые предположили, что дело в механизме саморегуляции: клетки перестают вырабатывать белок, если его слишком много – точно также, как если бы вы съели слишком много пончиков, у вас пропало бы желание продолжать.

Если упростить описанный на схеме процесс, то мы видим, что белки TIM и PER связываются и переносятся в ядро клетки, где их уровень снижается. CRY - это белок, реагирующий на свет. Его активация светом приводит к снижению уровня TIM

В 1994 году Майкл Янг из Университета Рокфеллера показал, что такой цикл обратной связи действительно работает. Он обнаружил еще один ген биологических часов, который используется для создания белка под названием TIM. Когда белки TIM попадают в клетки с в белками PER, они «склеиваются», попадают в ядро и останавливают работу гена period. В конце 1990-х годов другие ученые нашли другие гены, в том числе те, которые помогают клеткам устанавливать время по свету, который получает организм.

Почему это так важно?

Действительно, зачем нам знать, как реагируют на смену дня и ночи мухи-дрозофилы? Сами представители Нобелевского комитета объясняют свое решение так: наши знания о здоровье и болезнях людей часто появляются из неожиданных мест. Прошлогодний лауреат Нобелевки, японец Ёсинори Осуми (чье награждение стало такой же неожиданностью для всех) использовал дрожжевые клетки для изучения аутофагии, но подобная система удаления мусора существует и в человеческом теле. Точно также исследования циркадного ритма у мух пролили свет на гены и белки, которые синхронизируют наши собственные тела с вращением планеты.В эпоху международных путешествий, напряженной работы и гаджетов, которые препятствуют нормальному сну, присуждение Нобелевской премии за исследования циркадных ритмов очень своевременно.

Существуют исследования, которые показывают, что нарушение циркадных ритмов из-за ночной работы может повысить риск развития рака. У людей, которые работают в ночную смену, чаще развиваются инфаркт миокарда, инсульт, ожирение и сахарный диабет. Эта гипотеза оспаривается, однако остается популярной.

Пока неясно, почему работа в неурочное время несет такие риски для здоровья. Одна из гипотез гласит, что воздействие света ночью подавляет уровни мелатонина – гормона, который блокирует частицы, известные как «активные виды кислорода» и вызывающие повреждение клеток. В 2014 году ученые обнаружили, что сменная работа и джетлаг (или синдром смены часового пояса) нарушают ритмы сотен генов, которые обычно используются для поддержания работы клеток, регенерации и защиты тела.

Исследования биологических часов помогают не только предотвращать заболевания, но и лечить их. Многие лекарства помогают лучше всего, когда их принимают в нужное время. Например, лекарственный препарат Ловастатин (англ. Mevacor), изменяющий уровень холестерина, принимается ночью, потому что уровень его целевого фермента является самым высоким именно в это время. То же самое можно сказать и аспирине, в случаях, когда его используют для снижения артериального давления.

Фамилии лауреатов не фигурировали ни в одном из списков основных претендентов, поэтому их награждение стало полной неожиданностью для всех – в том числе и для самих награжденных.

Росбаш не поверил своим ушам: «Вы, должно быть шутите?» В пять утра ему позвонил председатель Нобелевского комитета и сообщил радостную новость.

«Я очень рад, что это плодовая мушка», – ответил ученый. «Когда в такое время звонит стационарный телефон, обычно это происходит потому, что кто-то умер».