Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za rok 2017 otrzymali amerykańscy profesorowie Geoffrey Hall, Michael Rosbash i Michael Young. Zbadali mechanizm regulujący rytm dobowy organizmu, tak zwany zegar komórkowy. Przedstawiając laureatów ekspert Komitetu Noblowskiego podkreślił, że sam ten problem nie jest nowy. W XVIII wieku francuski naukowiec zwrócił uwagę na niektóre kwiaty, które otwierają się rano i zamykają w nocy. Biolog zorganizował eksperyment, umieszczając kwiaty w całkowitej ciemności na kilka dni. I zachowywały się tak, jakby były w naturalnych warunkach. Podobny obraz zaobserwowano w badaniach innych roślin i zwierząt. Wtedy po raz pierwszy wysunięto hipotezę dotyczącą wewnętrznego zegara organizmów żywych. Jaka jest ich istota?
Każdy z nas wie, czym jest zwykły zegar, czas odmierzamy wahadłem. Okazuje się jednak, że prawie wszystkie żywe istoty mają swoje wewnętrzne zegary, a zamiast wahadła „działa” w nas zmiana dnia i nocy, które są wynikiem obrotu Ziemi wokół własnej osi” – mówi prof. w Instytucie Nauki i Technologii im. Skołkowa, profesor Rutgers University, powiedział korespondentowi RG kierownik laboratoriów w Instytucie Genetyki Molekularnej Rosyjskiej Akademii Nauk i Instytucie Biologii Genowej Rosyjskiej Akademii Nauk Konstantin Severinov. - Od samego początku powstania życia wszystkie żywe istoty musiały dostosować się do takiej zmiany. Włącz te małe zegary w każdej komórce dowolnego organizmu. I żyj według nich. Zgodnie z ich „zeznaniem” zmienić swoją fizjologię – biegać, spać, jeść i tak dalej.
Obecni laureaci pod koniec lat 70. postanowili zajrzeć do wnętrza tych zegarków i zrozumieć, jak działają. W tym celu zbadali muszki Drosophila, wybrane owady z mutacjami, w których zmieniono cykle snu i czuwania. Powiedzmy, że niektórzy ludzie spali zupełnie przypadkowo. Dzięki temu udało się zidentyfikować geny odpowiedzialne za prawidłowe i skoordynowane cykle.
A potem naukowcy odkryli molekularne tło tych zegarków, mówi Severinov. - Okazało się, że zidentyfikowane geny kontrolują produkcję niektórych białek w taki sposób, że kumulują się one w nocy, a rozpadają w ciągu dnia. W rzeczywistości taka fluktuacja koncentracji jest rodzajem wahadła w naszym ciele. W zależności od tego w komórce aktywowane są różne geny, które ostatecznie kontrolują wiele procesów.
Następnie naukowcy odkryli, że dokładnie ten sam mechanizm działa nie tylko u much, ale we wszystkich żywych istotach. Został wymyślony przez naturę, aby liczyć czas w ciele. Praktyczne znaczenie tego odkrycia jest oczywiste, na przykład zestaw zaburzenia psychiczne związane z zaburzeniami snu spowodowanymi zaburzeniami cyklu dobowego.
Oceniając przyznanie tej nagrody, wielu ekspertów już deklaruje, że jest to „spokojna nagroda”, nie stanie się ona eksplozją w światowej nauce, choćby dlatego, że powstała kilkadziesiąt lat temu. Co więcej, premiowanie starych prac staje się trendem. W tym samym czasie Komitet Noblowski pominął sensacyjną pracę nad edycją genomu, która w ostatnich latach stała się boomem. „Nie zgadzam się z tą opinią”, mówi Severinov. „Edycja genomu będzie miała czas na zdobycie nagrody, a to nie jest odkrycie, ale raczej technika genetyczna. A zegar komórkowy to prawdziwa, głęboka nauka podstawowa wyjaśnia, jak działa świat.
Należy zauważyć, że prognoza firmy Thomson Reuters, która od 2002 roku przewiduje zwycięzców i częściej odgaduje zwycięzców niż jej konkurenci, tym razem była błędna. Postawili na amerykańskich naukowców, którzy pracują nad problemami z rakiem.
Uroczystość wręczenia nagród tradycyjnie odbędzie się 10 grudnia, w dniu śmierci fundatora Nagrody Nobla, szwedzkiego przedsiębiorcy i wynalazcy Alfreda Nobla (1833-1896). Wielkość Nagrody Nobla w 2017 roku to dziewięć milionów koron szwedzkich (milion dolarów amerykańskich).
Geoffrey Hall urodził się w 1945 w Nowym Jorku, od 1974 pracował na Brandeis University, Michael Rosbash urodził się w Kansas City, pracuje także na Brandeis University, Michael Young urodził się w 1945 w Miami, pracuje na Rockefeller University w Nowym Jorku.
Jak działa zegar biologiczny organizmu. Dlaczego w 2017 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny?
Geoffrey Hall, Michael Rosebash i Michael Young strona internetowa
Trzech amerykańskich naukowców podzieliło najwyższą nagrodę naukową za badania nad mechanizmem wewnętrznego zegara w organizmach żywych
Życie na Ziemi jest przystosowane do rotacji naszej planety wokół Słońca. Od wielu lat wiemy o istnieniu wewnątrz organizmów żywych, w tym człowieka, zegara biologicznego, który pomaga przewidywać rytm dobowy i dostosowywać się do niego. Ale jak dokładnie działa ten zegar? Amerykańscy genetycy i chronobiolodzy byli w stanie zajrzeć do wnętrza tego mechanizmu i rzucić światło na jego ukryte działanie. Ich odkrycia wyjaśniają, w jaki sposób rośliny, zwierzęta i ludzie dostosowują swoje biologiczne rytmy, aby zsynchronizować się z dziennym cyklem obrotu Ziemi.
Wykorzystując muszki owocowe jako obiekty testowe, laureaci Nagrody Nobla 2017 wyizolowali gen, który kontroluje normalny rytm dobowy u żywych organizmów. Wykazali również, w jaki sposób ten gen koduje białko, które gromadzi się w komórce w nocy i rozkłada w ciągu dnia, zmuszając w ten sposób do podążania za tym rytmem. Następnie zidentyfikowali dodatkowe składniki białkowe, które kontrolują mechanizm samopodtrzymujących się „zegarów” wewnątrz komórki. A teraz wiemy, że zegar biologiczny działa na tej samej zasadzie zarówno wewnątrz pojedynczych komórek, jak i wewnątrz organizmów wielokomórkowych, na przykład ludzi.
Dzięki swojej wyjątkowej dokładności nasz wewnętrzny zegar dostosowuje naszą fizjologię do tak różnych faz dnia - rano, po południu, wieczorem i w nocy. Ten zegar reguluje Ważne funkcje jak zachowanie, poziom hormonów, sen, temperatura ciała i metabolizm. Nasze samopoczucie cierpi, gdy środowisko zewnętrzne i wewnętrzne zegary nie są zsynchronizowane. Przykładem jest tak zwany jet lag, który występuje u podróżnych, którzy przemieszczają się z jednej strefy czasowej do drugiej, a następnie przez długi czas nie mogą przystosować się do zmiany dnia i nocy. Śpią w ciągu dnia i nie mogą spać w ciemności. Obecnie istnieje również wiele dowodów na to, że chroniczne niedopasowanie stylu życia do naturalnych biorytmów zwiększa ryzyko różne choroby.
Nie da się oszukać naszego wewnętrznego zegara
Eksperyment Jeana-Jacquesa d „Ortois de Mairan Nobel Committee
Większość żywych organizmów wyraźnie dostosowuje się do zmian dobowych. środowisko. Jednym z pierwszych, który udowodnił istnienie tej adaptacji już w XVIII wieku, był francuski astronom Jean-Jacques d „Ortois de Mairan. Obserwował krzak mimozy i stwierdził, że jego liście obracają się po słońcu w ciągu dnia i zamykają się wraz z zachodem słońca Naukowiec zastanawiał się, co by się stało, gdyby roślina była w ciągłej ciemności?W prostym eksperymencie badacz stwierdził, że niezależnie od światło słoneczne, liście mimozy eksperymentalnej nadal wykonują swoje zwykłe codzienne ruchy. Jak się okazuje, rośliny mają swój wewnętrzny zegar.
Nowsze badania wykazały, że nie tylko rośliny, ale także zwierzęta i ludzie podlegają działaniu zegarów biologicznych, które pomagają dostosować naszą fizjologię do codziennych zmian. Ta adaptacja nazywana jest rytmem dobowym. Termin pochodzi od łacińskie słowa circa - "około" i umiera - "dzień". Ale jak dokładnie działa ten zegar biologiczny, od dawna pozostaje tajemnicą.
Odkrycie „genu zegara”
W latach 70. amerykański fizyk, biolog i psychogenetyk Seymour Benzer wraz ze swoim uczniem Ronaldem Konopką badali, czy możliwe jest wyizolowanie genów kontrolujących rytm dobowy u muszek owocówek. Naukowcom udało się wykazać, że mutacje w nieznanym im genie zakłócają ten rytm u owadów doświadczalnych. Nazwali to genomem okresu. Ale jak ten gen wpłynął na rytm dobowy?
Laureaci Nagrody Nobla z 2017 roku przeprowadzili również eksperymenty na muszkach owocowych. Ich celem było odkrycie mechanizmu wewnętrznego zegara. W 1984 roku Jeffrey Hall i Michael Rozbash, którzy blisko współpracowali ze sobą na Brandeis University w Bostonie, oraz Michael Young z Rockefeller University w Nowym Jorku, z powodzeniem wyizolowali gen okresu. Hall i Rosebash odkryli następnie, że kodowane przez ten gen białko PER gromadzi się w komórkach w nocy i jest niszczone w ciągu dnia. Tak więc poziom tego białka zmienia się w ciągu 24 godzinnego cyklu zgodnie z rytmem dobowym. Odkryto „wahadło” wewnętrznego zegara komórkowego.
Samoregulujący mechanizm zegarowy
Uproszczony schemat pracy w komórce białek regulujących rytm dobowy Komitet Nobla
Kolejnym kluczowym celem było zrozumienie, w jaki sposób można generować i utrzymywać te wahania dobowe. Hall i Rozbash zasugerowali, że białko PER podczas cyklu dobowego blokuje aktywność genu okresu. Uważali, że za pomocą hamującej pętli sprzężenia zwrotnego białko PER może okresowo zapobiegać własnej syntezie, a tym samym regulować jego poziom w ciągłym, cyklicznym rytmie.
Do zbudowania tego ciekawego modelu brakowało tylko kilku elementów. Aby zablokować aktywność genu okresu, wytwarzane w cytoplazmie białko PER musiałoby dotrzeć do jądra komórkowego, w którym znajduje się materiał genetyczny. Eksperymenty Halla i Rozbasha wykazały, że białko to faktycznie gromadzi się w jądrze w nocy. Ale jak się tam dostaje? Na to pytanie odpowiedział w 1994 roku Michael Young, który odkrył drugi kluczowy „gen zegara”, który koduje białko TIM niezbędne do utrzymania prawidłowego rytmu dobowego. W prostej i eleganckiej pracy wykazał, że gdy TIM jest związany z PER, te dwa białka są w stanie dostać się do jądra komórkowego, gdzie faktycznie blokują gen okresu, aby zamknąć hamującą pętlę sprzężenia zwrotnego.
Taki mechanizm regulacyjny wyjaśniał, w jaki sposób powstała ta fluktuacja poziomów. białko komórkowe, ale nie zamknęłam wszystkich pytań. Na przykład konieczne było ustalenie, co kontroluje częstotliwość dziennych wahań. Aby rozwiązać ten problem, Michael Young wyizolował inny gen, który koduje białko DBT, który opóźnia akumulację białka PER. W ten sposób można było zrozumieć, w jaki sposób ta fluktuacja jest regulowana, aby jak najściślej pokrywała się z cyklem 24-godzinnym.
Te odkrycia dokonane przez dzisiejszych laureatów leżą u podstaw kluczowych zasad funkcjonowania zegara biologicznego. Następnie odkryto inne składniki molekularne tego mechanizmu. Wyjaśniają stabilność jego pracy i zasadę działania. Na przykład Hall, Rosebash i Young odkryli dodatkowe białka potrzebne do aktywacji genu okresu, a także mechanizm, dzięki któremu światło dzienne synchronizuje zegar biologiczny.
Wpływ rytmów dobowych na życie człowieka
Komitet Nobla ds. rytmu dobowego człowieka
Zegar biologiczny bierze udział w wielu aspektach naszej złożonej fizjologii. Teraz wiemy, że wszystkie organizmy wielokomórkowe, w tym ludzie, wykorzystują podobne mechanizmy do kontrolowania rytmów dobowych. Wiele naszych genów jest regulowanych przez zegar biologiczny, więc starannie dostrojony rytm dobowy dostosowuje naszą fizjologię do różnych faz dnia. Dzięki przełomowej pracy trzech dzisiejszych laureatów Nagrody Nobla biologia okołodobowa przekształciła się w rozległą i dynamiczną dziedzinę badań, która zajmuje się badaniem wpływu rytmów okołodobowych na nasze zdrowie i samopoczucie. I dostaliśmy jeszcze jedno potwierdzenie, że i tak lepiej spać w nocy, nawet jeśli jesteś zacofaną „sową”. Jest zdrowszy.
odniesienie
Geoffrey Hall urodził się w 1945 roku w Nowym Jorku w USA. Doktoryzował się w 1971 na Uniwersytecie Waszyngtońskim (Seattle, Waszyngton). Do 1973 był profesorem w Kalifornii Instytut Technologii(Pasadena, Kalifornia). Od 1974 pracuje na Brandeis University (Waltham, Massachusetts). W 2002 roku rozpoczął współpracę z University of Maine.
Michał Rozbash urodził się w 1944 roku w Kansas City w USA. Doktoryzował się w Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, Massachusetts). Przez kolejne trzy lata był doktorantem na Uniwersytecie Edynburskim w Szkocji. Od 1974 pracuje na Brandeis University (Waltham, Massachusetts).
Michael Young urodził się w 1949 roku w Miami w USA. Studia doktoranckie ukończył na Uniwersytecie Teksańskim (Austin, Teksas) w 1975 roku. Do 1977 r. przebywał na stażu podoktorskim na Uniwersytecie Stanforda (Palo Alto, Kalifornia). W 1978 dołączył do wydziału Uniwersytetu Rockefellera w Nowym Jorku.
Tłumaczenie materiałów Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Jej właścicielami była grupa naukowców ze Stanów Zjednoczonych. Michael Young, Jeffrey Hall i Michael Rosbash otrzymali nagrodę za odkrycie molekularnych mechanizmów kontrolujących rytm dobowy.
Zgodnie z wolą Alfreda Nobla nagroda jest przyznawana temu, „kto dokona ważnego odkrycia” w tej dziedzinie. Redakcja TASS-DOSIER przygotowała materiał na temat procedury przyznania tej nagrody i jej laureatów.
Przyznawanie i nominowanie kandydatów
Za przyznanie nagrody odpowiada Zgromadzenie Noblowskie Instytutu Karolinska w Sztokholmie. Zgromadzenie składa się z 50 profesorów instytutu. Jej ciałem roboczym jest Komitet Noblowski. Składa się z pięciu osób wybieranych przez zgromadzenie spośród jego członków na trzy lata. Zgromadzenie spotyka się kilka razy w roku, aby omówić kandydatów wybranych przez komisję, aw pierwszy poniedziałek października większością głosów wybiera laureata.
Uczeni mogą nominować różnych krajów, w tym członkowie Zgromadzenia Nobla w Karolinska Institute oraz laureaci Nagród Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny i chemii, którzy otrzymali specjalne zaproszenia od Komitetu Noblowskiego. Kandydatów można zgłaszać od września do 31 stycznia następnego roku. O nagrodę w 2017 roku ubiega się 361 osób.
Laureaci
Nagroda przyznawana jest od 1901 roku. Pierwszym zwycięzcą był niemiecki lekarz, mikrobiolog i immunolog Emil Adolf von Behring, który opracował metodę uodparniania na błonicę. W 1902 nagrodę otrzymał Ronald Ross (Wielka Brytania), który studiował malarię; w 1905 - Robert Koch (Niemcy), który badał czynniki wywołujące gruźlicę; w 1923 Frederick Banting (Kanada) i John McLeod (Wielka Brytania), którzy odkryli insulinę; w 1924 - założyciel elektrokardiografii Willem Einthoven (Holandia); w 2003 roku Paul Lauterbur (USA) i Peter Mansfield (Wielka Brytania) opracowali metodę obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.
Według Komitetu Noblowskiego Instytutu Karolinska, nagroda z 1945 r. przyznana Alexandrowi Flemingowi, Ernestowi Cheyne i Howardowi Flory (Wielka Brytania), którzy odkryli penicylinę, pozostaje najbardziej znana. Niektóre odkrycia z czasem straciły na znaczeniu. Wśród nich zastosowana w leczeniu metoda lobotomii choroba umysłowa. Za jego opracowanie w 1949 roku nagrodę otrzymał Portugalczyk Antonio Egas-Moniz.
W 2016 roku nagrodę przyznano japońskiemu biologowi Yoshinori Ohsumi „za odkrycie mechanizmu autofagii” (procesu przetwarzania przez komórkę niepotrzebnej w niej zawartości).
Jak podaje portal Nobel, dziś na liście laureatów znajduje się 211 osób, w tym 12 kobiet. Wśród laureatów są dwaj nasi rodacy: fizjolog Iwan Pawłow (1904; za pracę w dziedzinie fizjologii trawienia) oraz biolog i patolog Ilja Miecznikow (1908; za badania odporności).
Statystyka
W latach 1901-2016 Nagrodę Fizjologii lub Medycyny przyznano 107 razy (w latach 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942 Zgromadzenie Noblowskie Instytutu Karolinska nie mogło wybrać laureata). Nagroda została podzielona 32 razy między dwóch laureatów i 36 razy między trzema. Średni wiek laureaci 58 lat. Najmłodszym jest Kanadyjczyk Frederick Banting, który otrzymał nagrodę w 1923 roku w wieku 32 lat, najstarszym jest 87-letni Amerykanin Francis Peyton Rose (1966).
2 października 2017 r. Komitet Noblowski ogłosił nazwiska laureatów Nagrody Nobla 2017 w dziedzinie fizjologii lub medycyny. 9 milionów SEK podzielą po równo amerykańscy biolodzy Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young za odkrycie molekularnego mechanizmu zegara biologicznego, czyli nieskończenie zapętlonego dobowego rytmu życia organizmów, w tym m.in. osoba.
Przez miliony lat życie dostosowywało się do rotacji planety. Od dawna wiadomo, że mamy wewnętrzny zegar biologiczny, który przewiduje i dostosowuje się do pory dnia. Wieczorem chcę zasnąć, a rano chcę się obudzić. Hormony uwalniane są do krwi według ściśle ustalonego harmonogramu, a zdolności/zachowanie człowieka – koordynacja, szybkość reakcji – również zależą od pory dnia. Ale jak działa ten wewnętrzny zegar?
Odkrycie zegara biologicznego przypisuje się francuskiemu astronomowi Jean-Jacques de Meran, który w XVIII wieku zauważył, że liście mimozy otwierają się na Słońce w ciągu dnia i zamykają w nocy. Zastanawiał się, jak zachowałaby się roślina umieszczona w całkowitej ciemności. Okazało się, że nawet w ciemności mimoza podążała za planem – jakby miała wewnętrzny zegar.
Później takie biorytmy znaleziono u innych roślin, zwierząt i ludzi. Prawie wszystkie żywe organizmy na planecie reagują na Słońce: rytm dobowy jest ściśle wbudowany w życie ziemskie, w metabolizm całego życia na planecie. Ale jak działa ten mechanizm, pozostaje tajemnicą.
Laureaci Nagrody Nobla wyizolowali gen kontrolujący dzień rytm biologiczny, u muszek owocówek (ludzie i muchy mają wiele wspólnych genów ze względu na obecność wspólnych przodków). Swojego pierwszego odkrycia dokonali w 1984 roku. Otwarty gen został nazwany Kropka.
Gen Kropka koduje białko PER, które w nocy gromadzi się w komórkach i jest niszczone w ciągu dnia. Stężenie białka PER zmienia się w cyklu dobowym zgodnie z rytmem dobowym.
Następnie zidentyfikowali dodatkowe składniki białka i w pełni ujawnili samopodtrzymujący się wewnątrzkomórkowy mechanizm rytmu dobowego – w tej wyjątkowej reakcji białko PER blokuje aktywność genu Kropka PER blokuje syntezę samego siebie, ale jest stopniowo niszczony w ciągu dnia (patrz diagram powyżej). Jest to samowystarczalny mechanizm z nieskończoną pętlą. Działa na tej samej zasadzie w innych organizmach wielokomórkowych.
Po odkryciu genu, odpowiadającego mu białka i ogólnego mechanizmu wewnętrznego zegara, brakowało jeszcze kilku elementów układanki. Naukowcy wiedzieli, że białko PER gromadzi się w jądrze komórkowym w nocy. Wiedzieli również, że odpowiedni mRNA jest wytwarzany w cytoplazmie. Nie było jasne, w jaki sposób białko przedostaje się z cytoplazmy do jądra komórkowego. W 1994 roku Michael Young odkrył kolejny gen ponadczasowy, który koduje białko TIM, wymagane również do normalna operacja zegar wewnętrzny. Udowodnił, że jeśli TIM dołącza do PER, to para białek jest w stanie przeniknąć do jądra komórkowego, gdzie blokują aktywność genu Kropka, kończąc w ten sposób niekończący się cykl produkcji białka PER.
Okazało się, że mechanizm ten z niezwykłą precyzją dostosowuje nasz wewnętrzny zegar do pory dnia. Reguluje różne funkcje krytyczne ciała, w tym ludzkie zachowanie, poziom hormonów, sen, temperaturę ciała i metabolizm. Człowiek czuje się źle, jeśli istnieje chwilowa rozbieżność między warunkami zewnętrznymi a jego wewnętrznym zegarem biologicznym, na przykład podczas podróży na duże odległości w różnych strefach czasowych. Istnieją również dowody na to, że chroniczne niedopasowanie trybu życia do zegara wewnętrznego jest związane z: zwiększone ryzyko występowanie różnych chorób, w tym cukrzycy, otyłości, nowotworów i chorób układu krążenia.
Michael Young później zidentyfikował inny gen podwójny czas, kodujący białko DBT, które spowalnia akumulację białka PER w komórce i pozwala organizmowi na dokładniejsze dostosowanie się do 24-godzinnej doby.
W kolejnych latach obecne Laureaci Nobla omówili bardziej szczegółowo udział innych składników molekularnych w rytmie dobowym, odkryli dodatkowe białka, które biorą udział w aktywacji genów Kropka, a także poznała mechanizmy, w których światło pomaga synchronizować zegar biologiczny z zewnętrznymi warunkami środowiskowymi.
Od lewej do prawej: Michael Rosebash, Michael Young, Geoffrey Hall
Badania nad mechanizmem wewnętrznego zegara jeszcze się nie skończyły. Znamy tylko podstawowe części mechanizmu. Biologia okołodobowa — badanie wewnętrznego zegara i rytmu okołodobowego — wyłoniła się jako osobna odrębna kierunek rozwoju Badania. A to wszystko za sprawą trzech obecnych laureatów Nagrody Nobla.
Eksperci od kilku lat dyskutują o tym, jaki mechanizm molekularny? rytmy dobowe wręczy Nagrodę Nobla - i to wydarzenie w końcu się wydarzyło.
