Феномен "сов" и "жаворонков" получил экспериментальное объяснение

Гены, отвечающие за циркадные ритмы, адаптируют нашу физиологическую активность в зависимости от разных фаз суток. Иллюстрация с сайта www.nobelpriemedicine.org

2 октября «судьи» Каролингского института в Стокгольме объявили, что медицинская премия этого года присуждена трем американским исследователям за «их открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм».

Премии 10 декабря вручат Джефри Холлу, родившемуся в 1945 году в Нью-Йорке, Майклу Рошбашу, который на год старше и родился в Канзас-сити, а также Майклу Янгу, который моложе двух первых, родившись в 1949 году в Майами.

Первый из лауреатов 2017 года удостоился докторской степени в университете штата Вашингтон в Сиэтле, после чего работал в знаменитом Калифорнийском технологическом институте (Калтеке) Пасадены, пригороде Лос-Анджелеса. Там работал Томас Морган, век тому назад выпустивший книгу «Хромосомная теория наследственности», многие положения которой основывались на результатах, полученных в экспериментах на мухе дрозофиле. За этот труд он первым из американцев был удостоен Нобелевской премии по медицине.

Рошбаш постигал основы современной биологии в Массачусетском технологическом институте (MIT), что близ Бостона, где получил докторскую степень. Основы молекулярной генетики он постигал, как и знаменитый первооткрыватель структуры ДНК Джеймс Уотсон, за океаном – в Эдинбургском университете. Кстати, в этом же университете в 1997 году было клонировано первое млекопитающее – овечка Долли. Затем Рошбаш вернулся на родину и обосновался в MIT.

Янг получил степень в Техасском университете г. Остина, прошел двухгодичную стажировку в Стэнфорде и с 1978 года работает в Рокфеллеровском институте, а затем и университете Нью-Йорка.

Зоологи еще в ХIХ веке знали о сезонных ритмах спаривания животных и сортах растений, физиология которых «приурочена» к смене времен года. Известна была и особенность поведения морских червей, поднимающихся на поверхность вод в Южных морях Тихого океана для спаривания в новолуние.

Спелеологические эксперименты показали, что на глубине в условиях полной изоляции и отсутствия света у испытуемых тем не менее сохраняется четкий ритм сна и бодрствования, который, правда, «растягивается» до 27 часов. В силу того что ритм не совсем точно соответствует суточному, он получил название циркадного (от лат. – вокруг да около).

Интенсификация жизни людей в связи со все более широким распространением суточных циклов и связанных с ними сменных работ заставила сначала врачей, а затем и ученых задуматься о механизмах различных ритмов. Во главе углубленного подхода с молекулярным разрешением оказался физик Сеймур Бензер, который увлекся изучением клеточных ритмов вместе с генетиком и хронобиологом Конопкой. Работая с классической дрозофилой, они открыли первый «ритмический» ген, названный «периодом» (period – Per), мутации которого нарушали поведение мух.

Разрешающая способность методов и подходов того времени не позволила пионерам понять, как «период» влияет на клеточное ядро с его геномом. Лишь в середине 80-х Холл и Рошбаш выяснили, что белковый продукт гена накапливается ночью и распадается в течение дня. Уникальность гена и его протеина заключалась в том, что «осцилляции» их активности точно соответствовали суточному ритму в 24 часа!

К успешному дуумвирату подключился Янг, и все вместе они сумели выделить и клонировать ген Per, что стало отправной точкой изучения всего генетического каскада, ответственного за циркадный ритм. Названия генов – Clock («часы»), Timeless («безвременный») и тому подобные – говорят сами за себя. Но набор генов не решал задачу внутриядерного регулирования ритма, поскольку речь в основном шла о белках, локализованных в протоплазме клеток.

В Кембридже, что под Лондоном, было доказано, что так называемые редокс-протеины, отвечающие за изменения окислительно-восстановительного потенциала, регулируют поведение эритроцитов, красных кровяных клеток. Эти клетки теряют ядро в ходе созревания в костном мозге, являющемся органом кроветворения, тем самым как бы сохраняя память о клеточных ритмах.

Общими усилиями лауреаты выявили и другие гены, белки которых, «сочетаясь» попарно в цитоплазме, получают возможность проникнуть в ядро клетки, где влияют на активность двух других пар генов, попарно в режиме обратной связи меняясь ролями активатора и блокатора. Этим и обеспечивается смена ритмов сна и бодрствования, а также объясняются различия между «совами» и «жаворонками». (Классический пример – римский император Гелиогабал: говорили, что он путал день с ночью, занимаясь делами после наступления темноты и отправляясь спать на рассвете.)

Сегодня во многом теоретические и фундаментальные исследования циркадного ритма получили практическое воплощение и применение. Во-первых, молекулярный ритм стал хорошей моделью изучения активности как на уровне отдельных генов, так и генома в целом (пример дрозофилы вот уже больше века доказывает ценность удобных и дешевых объектов и моделей). Во-вторых, хронобиология имеет большое значение для приема лекарств, а нарушения во «временных» генах проявляются в различных расстройствах и заболеваниях. Так что работы лауреатов 2017 года вполне заслуженно удостоились присуждения наиболее престижной в научном мире награды.