علم النوم: لماذا مُنحت جائزة نوبل في الطب. مُنحت جائزة نوبل في الطب لاكتشاف آليات إيقاعات الساعة البيولوجية. جائزة نوبل في علم الأحياء أو الطب
تخضع الحياة على الأرض لإيقاع يحدد دوران الكوكب حول نفسه وحول الشمس. تمتلك معظم الكائنات الحية "ساعات" داخلية - وهي آليات تسمح لها بالعيش وفقًا لهذا الإيقاع. نظر هول وروسباش ويونغ إلى القفص ورأوا كيف تعمل الساعة البيولوجية.
كان ذباب ذبابة الفاكهة بمثابة كائنات حية نموذجية. تمكن علماء الوراثة من تحديد الجين الذي يتحكم في إيقاع حياة الحشرات. وتبين أنه يشفر البروتين الذي يتراكم في الخلايا ليلاً ويستخدم ببطء خلال النهار. وفي وقت لاحق، تم اكتشاف العديد من البروتينات التي تشارك في تنظيم إيقاعات الساعة البيولوجية. لقد أصبح من الواضح الآن لعلماء الأحياء أن آلية تنظيم الروتين اليومي هي نفسها في جميع الكائنات الحية، من النباتات إلى الإنسان. تتحكم هذه الآلية في النشاط ومستويات الهرمونات ودرجة حرارة الجسم والتمثيل الغذائي، والتي تختلف باختلاف الوقت من اليوم. منذ اكتشافات هول وروسباش ويونغ، ظهرت الكثير من البيانات حول مدى خطورة الانحرافات المفاجئة أو المستمرة في نمط الحياة عن تلك التي تحددها "الساعة البيولوجية" على الصحة.
ظهر أول دليل على أن الكائنات الحية لديها "إحساس بالوقت" في القرن الثامن عشر: ثم أظهر عالم الطبيعة الفرنسي جان جاك دورتو دي ميران أن الميموزا تستمر في فتح أزهارها في الصباح وتغلق في المساء، حتى أنها في الظلام على مدار الساعة، وأظهرت الأبحاث الإضافية أن النباتات لا تشعر بالوقت من اليوم فحسب، بل الحيوانات أيضًا، بما في ذلك البشر، وكان التغيير الدوري في المؤشرات الفسيولوجية والسلوك خلال النهار يسمى إيقاعات الساعة البيولوجية - من اللاتينية. حوالي- دائرة و يموت- يوم.
في سبعينيات القرن الماضي، اكتشف سيمور بينزر وتلميذه رونالد كونوبكا الجين الذي يتحكم في إيقاعات الساعة البيولوجية في ذبابة الفاكهة وحدد فترتها. وفي عام 1984، قام جيفري هول ومايكل روسباش، اللذان يعملان في جامعة براندليس في بوسطن، ومايكل يونغ في جامعة روكفلر في نيويورك، بعزل الجين فترةوبعد ذلك اكتشف هول وروسباش ما يفعله البروتين الذي يشفره، PER، وهو يتراكم في الخلية ليلاً ويقضيه طوال اليوم، لذا يمكنك الحكم على الوقت من اليوم من خلال تركيزه.
هذا النظام، كما اقترح هول وروسباش، ينظم نفسه: يحجب بروتين PER نشاط جين الفترة، لذلك يتوقف تخليق البروتين بمجرد وجود كمية كبيرة منه، ويستأنف مع استهلاك البروتين. كل ما تبقى هو الإجابة على سؤال حول كيفية دخول البروتين إلى نواة الخلية - لأنه فقط يمكنه التأثير على نشاط الجين.
في عام 1994، اكتشف يونج الجين الثاني المهم لإيقاعات الساعة البيولوجية، وهو الجين الخالد، الذي يشفر بروتين TIM، الذي يساعد بروتين PER على عبور الغشاء النووي وحجب جين الدورة الشهرية. جين آخر وقت مضاعف، تبين أنه مسؤول عن بروتين DBT، الذي يبطئ تراكم بروتين PER - بحيث تستمر دورة تخليقه والتوقف المؤقت بينهما لمدة 24 ساعة. في السنوات اللاحقة، تم اكتشاف العديد من الجينات والبروتينات الأخرى - أجزاء من الآلية الدقيقة لـ "الساعة البيولوجية"، بما في ذلك تلك التي تسمح لك "بتصفية الأيدي" - البروتينات التي يعتمد نشاطها على الإضاءة.
تنظم إيقاعات الساعة البيولوجية جوانب مختلفة من حياة الجسم، بما في ذلك المستوى الجيني: بعض الجينات تكون أكثر نشاطًا في الليل، وبعضها الآخر خلال النهار. بفضل اكتشافات الحائزين على جائزة عام 2017، تطورت بيولوجيا إيقاعات الساعة البيولوجية لتصبح مجالًا علميًا واسعًا؛ في كل عام، تتم كتابة العشرات من الأوراق العلمية حول كيفية عمل "الساعة البيولوجية" في الأنواع المختلفة، بما في ذلك البشر.
جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب. أصبح أصحابها مجموعة من العلماء من الولايات المتحدة الأمريكية. حصل مايكل يونغ وجيفري هول ومايكل روسباش على الجائزة لاكتشافهم الآليات الجزيئية التي تتحكم في إيقاع الساعة البيولوجية.
ووفقاً لوصية ألفريد نوبل، تُمنح الجائزة "لكل من يقوم باكتشاف مهم" في هذا المجال. قام محررو TASS-DOSSIER بإعداد مادة حول إجراءات منح هذه الجائزة والفائزين بها.
تسليم الجائزة وترشيح المرشحين
وتتولى جمعية نوبل التابعة لمعهد كارولينسكا، ومقرها ستوكهولم، مسؤولية منح الجائزة. وتتكون الجمعية من 50 أستاذاً بالمعهد. هيئة عملها هي لجنة نوبل. وتتكون من خمسة أشخاص ينتخبهم المجلس من بين أعضائه لمدة ثلاث سنوات. وتجتمع الجمعية عدة مرات في السنة لمناقشة المرشحين الذين تختارهم اللجنة، وفي أول يوم اثنين من شهر أكتوبر، تنتخب الفائز بأغلبية الأصوات.
ويحق للعلماء من مختلف البلدان الترشح للجائزة، بما في ذلك أعضاء جمعية نوبل بمعهد كارولينسكا والحائزين على جوائز نوبل في الفسيولوجيا والطب والكيمياء، الذين تلقوا دعوات خاصة من لجنة نوبل. ويمكن اقتراح المرشحين من سبتمبر حتى 31 يناير من العام التالي. ويتنافس 361 شخصًا على الجائزة في عام 2017.
الفائزين
تم منح الجائزة منذ عام 1901. وكان الحائز الأول على الجائزة هو الطبيب الألماني وعالم الأحياء الدقيقة وعالم المناعة إميل أدولف فون بهرينغ، الذي طور طريقة للتحصين ضد الخناق. وفي عام 1902، مُنحت الجائزة لرونالد روس (بريطانيا العظمى)، الذي درس مرض الملاريا؛ في عام 1905 - روبرت كوخ (ألمانيا)، الذي درس العوامل المسببة لمرض السل؛ في عام 1923 - فريدريك بانتنج (كندا) وجون ماكلويد (بريطانيا العظمى) اللذين اكتشفا الأنسولين؛ في عام 1924 - مؤسس تخطيط كهربية القلب ويليم أينتهوفن (هولندا)؛ وفي عام 2003، قام بول لوتربور (الولايات المتحدة الأمريكية) وبيتر مانسفيلد (المملكة المتحدة) بتطوير طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي.
وفقًا للجنة نوبل التابعة لمعهد كارولينسكا، فإن الجائزة الأكثر شهرة لا تزال هي جائزة عام 1945 التي مُنحت لألكسندر فليمنج وإرنست تشين وهوارد فلوري (بريطانيا العظمى)، الذين اكتشفوا البنسلين. فقدت بعض الاكتشافات أهميتها مع مرور الوقت. ومن بينها طريقة بضع الفص المستخدمة في علاج الأمراض العقلية. حصل البرتغالي أنطونيو إيغاس مونيز على جائزة تطويره في عام 1949.
وفي عام 2016، مُنحت الجائزة لعالم الأحياء الياباني يوشينوري أوسومي «لاكتشافه آلية الالتهام الذاتي» (عملية معالجة الخلية لمحتويات غير ضرورية فيها).
ووفقا لموقع نوبل، يوجد اليوم 211 شخصا على قائمة الفائزين بالجوائز، بينهم 12 امرأة. من بين الحائزين على الجائزة اثنان من مواطنينا: عالم الفسيولوجي إيفان بافلوف (1904؛ للعمل في مجال فسيولوجيا الجهاز الهضمي) وعالم الأحياء وعالم الأمراض إيليا ميتشنيكوف (1908؛ للبحث في المناعة).
إحصائيات
في الأعوام 1901-2016، مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب 107 مرات (في الأعوام 1915-1918، 1921، 1925، 1940-1942، لم تتمكن جمعية نوبل في معهد كارولينسكا من اختيار الفائز). تم تقسيم الجائزة 32 مرة بين فائزين اثنين و 36 مرة بين ثلاثة فائزين. ويبلغ متوسط عمر الفائزين 58 عاماً. وأصغرهم هو الكندي فريدريك بانتينغ الذي حصل على الجائزة عام 1923 عن عمر يناهز 32 عاما، وأكبرهم الأمريكي فرانسيس بيتون روز (1966) البالغ من العمر 87 عاما.
بدأ أسبوع نوبل السنوي في ستوكهولم يوم الاثنين بالإعلان عن الفائزين بجائزة الفسيولوجيا أو الطب. وذكر أنه في هذه الفئة ذهبت الجائزة لعام 2017 إلى الباحثين مايكل روسباش ومايكل يونغ عنهما
اكتشاف الآليات الجزيئية التي تتحكم في إيقاعات الساعة البيولوجية - التقلبات الدورية في شدة العمليات البيولوجية المختلفة المرتبطة بتغير النهار والليل.
تتكيف الحياة على الأرض مع دوران الكوكب. لقد ثبت منذ زمن طويل أن جميع الكائنات الحية، من النباتات إلى الإنسان، لديها ساعة بيولوجية تسمح للجسم بالتكيف مع التغيرات التي تحدث خلال النهار في البيئة. تم إجراء الملاحظات الأولى في هذا المجال في بداية عصرنا، وبدأت الأبحاث الأكثر شمولاً في القرن الثامن عشر.
بحلول القرن العشرين، تمت دراسة إيقاعات الساعة البيولوجية للنباتات والحيوانات بشكل كامل، ولكن كيفية عمل "الساعة الداخلية" بالضبط ظلت سرا. تم اكتشاف هذا السر من قبل علماء الوراثة وعلماء الأحياء الزمنيين الأمريكيين هول وروسباش ويونغ.
أصبحت ذباب الفاكهة كائنًا حيًا نموذجيًا للبحث. وتمكن فريق من الباحثين من اكتشاف الجين الموجود فيها والذي يتحكم في الإيقاعات البيولوجية.
وقد وجد العلماء أن هذا الجين يشفر البروتين الذي يتراكم في الخلايا أثناء الليل ويتم تدميره أثناء النهار.
وبعد ذلك، حددوا العناصر الأخرى المسؤولة عن التنظيم الذاتي لـ"الساعة الخلوية"، وأثبتوا أن الساعة البيولوجية تعمل بطريقة مماثلة في الكائنات الأخرى متعددة الخلايا، بما في ذلك البشر.
تعمل ساعاتنا الداخلية على تكييف وظائف أعضاء الجسم مع أوقات مختلفة تمامًا من اليوم. يعتمد سلوكنا ونومنا واستقلابنا ودرجة حرارة الجسم ومستويات الهرمونات عليها. تتفاقم صحتنا عندما يكون هناك تناقض بين عمل الساعة الداخلية والبيئة. وهكذا يتفاعل الجسم مع التغيير المفاجئ في المنطقة الزمنية بالأرق والتعب والصداع. تم إدراج اضطراب الرحلات الجوية الطويلة في التصنيف الدولي للأمراض لعدة عقود. يؤدي التناقض بين نمط الحياة والإيقاعات التي يمليها الجسم إلى زيادة خطر الإصابة بالعديد من الأمراض.
تم إجراء أولى التجارب الموثقة للساعات الداخلية في القرن الثامن عشر على يد عالم الفلك الفرنسي جان جاك دي ميران. اكتشف أن أوراق الميموزا تتدلى عند حلول الظلام وتنتشر مرة أخرى في الصباح. عندما قرر دي ميران اختبار كيفية تصرف النبات دون الوصول إلى الضوء، اتضح أن أوراق الميموزا سقطت وارتفعت بغض النظر عن الإضاءة - ارتبطت هذه الظواهر بالتغيرات في الوقت من اليوم.
بعد ذلك، وجد العلماء أن الكائنات الحية الأخرى لديها أيضًا ظواهر مماثلة تعمل على تكيف الجسم مع التغيرات في الظروف خلال النهار.
كانت تسمى إيقاعات الساعة البيولوجية، من الكلمات حوالي - "حول" ويموت - "يوم". في السبعينيات، تساءل الفيزيائي وعالم الأحياء الجزيئي سيمور بينزر عما إذا كان من الممكن تحديد الجين الذي يتحكم في إيقاعات الساعة البيولوجية. تمكن من القيام بذلك، تم تسمية الجين بفترة، لكن آلية التحكم ظلت غير معروفة.
في عام 1984، تمكن هول ورويباش ويونغ من التعرف عليه.
وقاموا بعزل الجين الضروري ووجدوا أنه المسؤول عن عملية تراكم وتدمير البروتين المرتبط به (PER) في الخلايا، اعتمادًا على الوقت من اليوم.
وكانت المهمة التالية للباحثين هي فهم كيفية ظهور تقلبات الساعة البيولوجية والحفاظ عليها. اقترح هول وروسباش أن تراكم البروتين يمنع الجين من العمل، وبالتالي ينظم محتوى البروتين في الخلايا.
ومع ذلك، من أجل منع عمل الجين، يجب أن يصل البروتين المنتج في السيتوبلازم إلى نواة الخلية، حيث توجد المادة الوراثية. اتضح أن PER يندمج بالفعل في النواة ليلًا، ولكن كيف يصل إلى هناك؟
وفي عام 1994، اكتشف يونج جينًا آخر، وهو جين Timeless، الذي يشفر البروتين TIM، وهو ضروري لإيقاعات الساعة البيولوجية الطبيعية.
ووجد أنه عندما يرتبط TIM بـ PER، يكونون قادرين على دخول نواة الخلية، حيث يحجبون جين الدورة الشهرية من خلال تثبيط التغذية الراجعة.
لكن بعض الأسئلة لا تزال دون إجابة. على سبيل المثال، ما الذي يتحكم في وتيرة التذبذبات اليومية؟ اكتشف يونج بعد ذلك جينًا آخر، وهو الجين المزدوج، المسؤول عن تكوين بروتين DBT، والذي أدى إلى تأخير تراكم بروتين PER. ساعدت كل هذه الاكتشافات على فهم كيفية تكيف التذبذبات مع الدورة اليومية على مدار 24 ساعة.
بعد ذلك، قام هول ورويباش ويونغ بالعديد من الاكتشافات التي استكملت وصقلت الاكتشافات السابقة.
على سبيل المثال، حددوا عددًا من البروتينات الضرورية لتنشيط جين الفترة، وكشفوا أيضًا عن الآلية التي تتم من خلالها مزامنة الساعة الداخلية مع الضوء.
وكان المرشحان الأكثر احتمالاً لجائزة نوبل في هذا المجال هما عالمة الفيروسات يوان تشانغ وزوجها طبيب الأورام، اللذين اكتشفا فيروس الهربس من النوع 8 المرتبط بساركوما كابوسي؛ البروفيسور لويس كانتلي، الذي اكتشف مسارات إشارات إنزيمات فوسفونوسيتيد 3-كيناز ودرس دورها في نمو الورم، والأستاذ الذي قدم مساهمات كبيرة في تحليل البيانات التي تم الحصول عليها بواسطة طرق تصوير الدماغ.
وفي عام 2016، فاز الياباني يوشينوري أوسومي بالجائزة لاكتشافه آلية الالتهام الذاتي - عملية تحلل وإعادة تدوير النفايات داخل الخلايا.
في 2 أكتوبر 2017، أعلنت لجنة نوبل أسماء الفائزين بجائزة نوبل لعام 2017 في علم وظائف الأعضاء أو الطب. سيتم تقسيم 9 ملايين كرونة سويدية بالتساوي بين علماء الأحياء الأمريكيين جيفري سي هول ومايكل روسباش ومايكل دبليو يونغ لاكتشافهم الآلية الجزيئية للساعة البيولوجية، أي الإيقاع اليومي المتجدد لحياة الكائنات الحية، بما في ذلك البشر.
على مدى ملايين السنين، تكيفت الحياة مع دوران الكوكب. من المعروف منذ زمن طويل أن لدينا ساعة بيولوجية داخلية تتوقع الوقت من اليوم وتتكيف معه. في المساء أريد أن أنام، وفي الصباح أريد أن أستيقظ. يتم إطلاق الهرمونات في الدم بشكل صارم وفقًا لجدول زمني، كما تعتمد قدرات/سلوك الشخص - التنسيق وسرعة رد الفعل - أيضًا على الوقت من اليوم. لكن كيف تعمل هذه الساعة الداخلية؟
ويعود اكتشاف الساعة البيولوجية إلى عالم الفلك الفرنسي جان جاك دي ميران، الذي لاحظ في القرن الثامن عشر أن أوراق نبات الميموزا مفتوحة تجاه الشمس أثناء النهار وتغلق ليلاً. وتساءل كيف سيتصرف النبات إذا تم وضعه في ظلام دامس. اتضح أنه حتى في الظلام، اتبعت الميموزا الخطة - كما لو كانت لديها ساعة داخلية.
وفي وقت لاحق، تم العثور على مثل هذه الإيقاعات الحيوية في النباتات والحيوانات والبشر الأخرى. تتفاعل جميع الكائنات الحية على هذا الكوكب تقريبًا مع الشمس: إيقاع الساعة البيولوجية مدمج بإحكام في الحياة الأرضية، في عملية التمثيل الغذائي لجميع أشكال الحياة على الكوكب. لكن كيفية عمل هذه الآلية ظلت لغزا.
قام الحائزون على جائزة نوبل بعزل الجين الذي يتحكم في الإيقاع البيولوجي اليومي في ذباب الفاكهة (يمتلك البشر والذباب العديد من الجينات المشتركة بسبب وجود أسلاف مشتركين). لقد قاموا باكتشافهم الأول في عام 1984. تم تسمية الجين المكتشف فترة.
الجين فترةيقوم بتشفير بروتين PER، الذي يتراكم في الخلايا ليلاً ويتم تدميره أثناء النهار. يختلف تركيز البروتين PER على جدول زمني مدته 24 ساعة وفقًا لإيقاع الساعة البيولوجية.
ثم حددوا مكونات إضافية من البروتين واكتشفوا بالكامل آلية الاستدامة الذاتية داخل الخلايا لإيقاع الساعة البيولوجية - في هذه الاستجابة الفريدة، يمنع بروتين PER نشاط الجين. فترة، أي أن PER يحجب عملية التوليف من تلقاء نفسه، ولكنه ينهار تدريجيًا على مدار اليوم (انظر الرسم البياني أعلاه). هذه آلية تكرار لا نهاية لها مكتفية ذاتيًا. وهو يعمل بنفس المبدأ في الكائنات متعددة الخلايا الأخرى.
بعد اكتشاف الجين، والبروتين المقابل، والآلية الشاملة للساعة الداخلية، كانت هناك بضع قطع أخرى من اللغز مفقودة. عرف العلماء أن بروتين PER يتراكم في نواة الخلية ليلاً. لقد عرفوا أيضًا أن mRNA المقابل يتم إنتاجه في السيتوبلازم. ولم يكن من الواضح كيف ينتقل البروتين من السيتوبلازم إلى نواة الخلية. وفي عام 1994، اكتشف مايكل يونغ جينًا آخر الخالدة، الذي يشفر بروتين TIM، وهو ضروري أيضًا للعمل الطبيعي للساعة الداخلية. لقد أثبت أنه إذا تم ربط TIM بـ PER، فيمكن لزوج من البروتينات اختراق نواة الخلية، حيث يمنع نشاط الجينات فترةوبالتالي إغلاق الدورة التي لا نهاية لها لإنتاج البروتين PER.
وتبين أن هذه الآلية تكيف ساعتنا الداخلية مع الوقت من اليوم بدقة رائعة. ينظم وظائف الجسم الحيوية المختلفة، بما في ذلك سلوك الإنسان ومستويات الهرمونات والنوم ودرجة حرارة الجسم والتمثيل الغذائي. يشعر الشخص بالإعياء إذا كان هناك تناقض مؤقت بين الظروف الخارجية وساعته البيولوجية الداخلية، على سبيل المثال، عند السفر لمسافات طويلة في مناطق زمنية مختلفة. هناك أيضًا أدلة على أن عدم التوافق المزمن بين نمط الحياة وساعة الجسم يرتبط بزيادة خطر الإصابة بأمراض مختلفة، بما في ذلك مرض السكري والسمنة والسرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية.
وفي وقت لاحق، حدد مايكل يونغ جينًا آخر وقت مضاعف، الذي يشفر بروتين DBT، الذي يبطئ تراكم بروتين PER في الخلية ويسمح للجسم بالتكيف بشكل أكثر دقة مع يوم 24 ساعة.
وفي السنوات اللاحقة، سلط الحائزون على جائزة نوبل الحاليون الضوء بمزيد من التفصيل على مشاركة المكونات الجزيئية الأخرى في إيقاع الساعة البيولوجية، وقد وجدوا بروتينات إضافية تشارك في تنشيط الجينات فترةواكتشف أيضًا الآليات التي يساعد بها الضوء في مزامنة الساعة البيولوجية مع الظروف البيئية الخارجية.
من اليسار إلى اليمين: مايكل روزباش، مايكل يونغ، جيفري هول
البحث في آلية الساعة الداخلية بعيد عن الاكتمال. نحن نعرف فقط الأجزاء الرئيسية من الآلية. ظهرت البيولوجيا اليومية - دراسة الساعة الداخلية وإيقاع الساعة البيولوجية - كمجال بحث منفصل سريع التطور. وكل هذا حدث بفضل الفائزين الثلاثة الحاليين بجائزة نوبل.
لقد ناقش الخبراء منذ عدة سنوات أن الآلية الجزيئية لإيقاعات الساعة البيولوجية ستمنح جائزة نوبل - والآن حدث هذا الحدث أخيرًا.
