22 апреля 2019, понедельник, 03:06
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Молекулярный механизм биологических часов

Нейронные связи клеток мозга
Нейронные связи клеток мозга

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.

 
Дрозофила / pixabay.com

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».

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Владимир Зеленский Древний Египет Западная Африка Латинская Америка Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.