Сегодня в Стокгольме объявили имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2017 год. Ими стали американские исследователи Джеффри Холл (Jeffrey Hall), Майкл Росбаш (Michael Rosbash) и Майкл Янг (Michael Young). Согласно официальной формулировке, премия присуждена им "за открытие молекулярных механизмов, контролирующих внутренние часы".
Биологические часы (циркадные ритмы) – явление, известное каждому, кому доводилось вставать в неурочный час или менять часовой пояс. Они регулируют желание спать и есть, температуру тела, артериальное давление и другие физиологические показатели. Есть признаки того, что хроническое несоответствие между ритмом жизни и требованиями биологических часов повышает риск различных заболеваний.
Внутренний хронометр есть не только у людей. Ещё в XVIII веке французский учёный Жан-Жак де Меран обратил внимание, что листья мимозы раскрываются навстречу солнцу днём и поникают ночью. Экспериментатор поместил растение в полную темноту и обнаружил, что ничего не изменилось: цветок исправно следовал привычному распорядку. Значит, поведение мимозы – это не реакция на солнечный свет, а результат действия её собственных внутренних часов.
Теперь мы знаем, что такие часы есть даже у цианобактерий. Но каков их механизм? Это долгое время оставалось загадкой.
В 1970-е годы американский биолог Сеймур Бензер продемонстрировал, что некоторые мутации нарушают циркадные ритмы у мушек-дрозофил, излюбленного генетиками объекта исследований. У мух очень быстро происходит смена поколений, так что за последствиями генетических изменений весьма удобно наблюдать. Но конкретные гены, отвечающие за биологические часы, всё ещё оставались неизвестны.
В 1984 году Холл и Росбаш, работавшие в тесном сотрудничестве в Университете Брандейса в Бостоне, и независимо от них Янг в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке сумели выделить ген, ответственный за циркадный ритм. Затем Холл и Росбаш обнаружили, что белок PER, кодируемый этим геном, накапливается в клетке ночью и постепенно разлагается в течение дня. Так и образуется 24-часовой цикл.
Однако это был ещё не весь ответ. Если ген активен, почему белок не синтезируется постоянно, почему его не становится всё больше и больше? Холл и Росбаш предположили, что имеет место явление, известное как отрицательная обратная связь.
Её работу можно наблюдать воочию, если снять крышку бачка унитаза. Когда бачок пуст, поплавок лежит на самом дне, и рычаг, к которому он прикреплён, открывает кран "на всю катушку". Но по мере того, как повышается уровень воды, поплавок всплывает всё выше и выше и постепенно перекрывает кран. Получается, что чем больше воды уже вылилось, тем меньше к ней ещё добавится.
Вот это и называется отрицательной обратной связью: "чем больше уже сделано, тем меньше будет сделано вдобавок". Этот важный механизм часто встречается не только в технике, но и в живой природе.
Исследователи предположили, что он отвечает и за циркадный ритм: белок PER, накапливаясь, блокирует "свой" ген и препятствует дальнейшему синтезу.
Но для того, чтобы влиять на работу гена, белок должен попасть в клеточное ядро, где хранится ДНК. А это не так-то просто. Функция ядра и состоит в том, чтобы изолировать наши гены от бурлящего химического котла цитоплазмы.
Как белок PER преодолевает это препятствие? Ответа на этот вопрос не было, пока в 1994 году Янг не открыл другой ген, кодирующий белок TIM. В своей работе он показал, что, когда белки PER и TIM связаны вместе, они могут проникнуть в клеточное ядро и повлиять на работу ДНК.
Однако всё ещё не было ясности, чем определяется частота колебаний. Янг выделил ещё один ген, кодирующий белок DBT. Он задерживал накопление белка PER и таким путём подстраивал колебания в его синтезе к 24-часовому циклу.
Теперь мы знаем, что этот же механизм работает не только у дрозофил, но и у других многоклеточных, включая людей. Все живые организмы находятся друг с другом в тесном генетическом родстве (кстати, древо этого родства очень хорошо согласуется с мнением палеонтологов о том, кто от кого произошёл, что лишний раз доказывает факт биологической эволюции). Поэтому, обнаружив механизм циркадного ритма у дрозофил, можно смело искать такой же и у людей. А когда знаешь, что именно искать, найти намного проще.
В последующие годы прояснились и другие детали работы нашего внутреннего хронометра. Например, были обнаружены белки, необходимые для активации гена синтеза белка PER. Также были исследованы механизмы влияния на биологические часы солнечного света.
Мы много писали об исследовании циркадных ритмов. Например, согласно недавнему исследованию, именно с ними связан тот факт, что лёгкая пища замедляет старение. Новые исследования, несомненно, принесут ещё немало открытий, сулящих не только фундаментальное научное знание, но и долголетие и здоровье.
