Nauka o spavanju: zašto je dodijeljena Nobelova nagrada za medicinu. Nobelova nagrada za medicinu dodijeljena je za otkriće mehanizama cirkadijanskih ritmova Nobelova nagrada za biologiju ili medicinu

Život na Zemlji pokorava se ritmu koji postavlja rotaciju planete oko sebe i oko Sunca. Većina živih organizama ima unutrašnje "satove" - ​​mehanizme koji im omogućavaju da žive u skladu sa ovim ritmom. Hall, Rosbash i Young pogledali su u kavez i vidjeli kako biološki sat radi.

Drosophila muhe su služile kao uzorni organizmi. Genetičari su uspjeli identificirati gen koji kontrolira ritam života insekata. Pokazalo se da kodira protein koji se akumulira u ćelijama noću i polako se koristi tokom dana. Kasnije je otkriveno još nekoliko proteina koji su uključeni u regulaciju cirkadijalnih ritmova. Biolozima je sada jasno da je mehanizam koji regulira dnevnu rutinu isti u svim živim organizmima, od biljaka do ljudi. Ovaj mehanizam kontroliše aktivnost, nivoe hormona, tjelesnu temperaturu i metabolizam, koji variraju u zavisnosti od doba dana. Od otkrića Halla, Rosbasha i Younga, pojavilo se mnogo podataka o tome kako iznenadna ili stalna odstupanja u načinu života od onih koje postavlja "biološki sat" mogu biti opasna po zdravlje.

Prvi dokazi da živa bića imaju „osjećaj za vrijeme“ pojavili su se u 18. stoljeću: tada je francuski prirodnjak Jean Jacques d'Hortu de Mairan pokazao da mimoza nastavlja da otvara svoje cvjetove ujutro i zatvara se uveče, čak i kada je u mrak 24 sata.Dalja istraživanja su pokazala da ne samo biljke osjećaju doba dana, već i životinje, uključujući i ljude.Periodične promjene fizioloških pokazatelja i ponašanja tokom dana nazvane su cirkadijalni ritmovi - sa latinskog. circa- krug i umire- dan.

Sedamdesetih godina prošlog veka, Seymour Benzer i njegov učenik Ronald Konopka pronašli su gen koji kontroliše cirkadijalne ritmove kod Drosophile i definisali njen period. Godine 1984, Jeffrey Hall i Michael Rosbash, radeći na Univerzitetu Brandelis u Bostonu, i Michael Young na Rockefeller University of New York, izolovali su gen period, a onda su Hall i Rosbash shvatili šta radi protein kodiran u njemu, PER - a on se akumulira u ćeliji noću i troši se cijeli dan, tako da možete procijeniti doba dana po njegovoj koncentraciji.

Ovaj sistem, kao što su predložili Hall i Rosbash, reguliše sam sebe: PER protein blokira aktivnost gena za period, tako da se sinteza proteina zaustavlja čim ga ima previše, i nastavlja se kako se protein konzumira. Ostalo je samo odgovoriti na pitanje kako protein dospijeva u ćelijsku jezgru - uostalom, samo tamo može utjecati na aktivnost gena.

Godine 1994. Young je otkrio drugi gen važan za cirkadijalne ritmove, bezvremenski, koji kodira TIM protein, koji pomaže PER proteinu da pređe nuklearnu membranu i blokira period gena. Još jedan gen duplo vreme, pokazalo se da je odgovoran za DBT protein, koji usporava nakupljanje PER proteina - tako da ciklus njegove sinteze i pauze između njih traje 24 sata. U narednim godinama otkriveni su mnogi drugi geni i proteini - dijelovi suptilnog mehanizma "biološkog sata", uključujući i one koji vam omogućavaju "navijanje kazaljki" - proteini čija aktivnost ovisi o osvjetljenju.

Cirkadijalni ritmovi regulišu različite aspekte života našeg tela, uključujući i genetski nivo: neki geni su aktivniji noću, neki danju. Zahvaljujući otkrićima laureata za 2017., biologija cirkadijanskih ritmova prerasla je u široku naučnu disciplinu; Svake godine se napišu desetine naučnih radova o tome kako "biološki sat" radi kod različitih vrsta, uključujući i ljude.

Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu. Grupa naučnika iz SAD postala je njen vlasnik. Michael Young, Jeffrey Hall i Michael Rosbash dobili su nagradu za otkriće molekularnih mehanizama koji kontroliraju cirkadijalni ritam.

Prema testamentu Alfreda Nobela, nagrada se dodeljuje "onom ko napravi važno otkriće" u ovoj oblasti. Uredništvo TASS-DOSSIER-a pripremilo je materijal o postupku dodele ove nagrade i njenim dobitnicima.

Dodjela nagrade i predlaganje kandidata

Nobelova skupština Instituta Karolinska, smještena u Stockholmu, odgovorna je za dodjelu nagrade. Skupštinu čini 50 profesora instituta. Njegovo radno tijelo je Nobelov komitet. Sastoji se od pet ljudi koje bira skupština iz reda svojih članova na tri godine. Skupština se sastaje nekoliko puta godišnje kako bi raspravljala o kandidatima koje odabere komisija, a prvog ponedjeljka u oktobru bira laureata većinom glasova.

Pravo nominacije za nagradu imaju naučnici iz različitih zemalja, uključujući članove Nobelove skupštine Instituta Karolinska i dobitnike Nobelovih nagrada za fiziologiju i medicinu i hemiju, koji su dobili posebne pozive Nobelovog komiteta. Kandidati se mogu predlagati od septembra do 31. januara naredne godine. Za nagradu u 2017. godini bori se 361 osoba.

Laureati

Nagrada se dodjeljuje od 1901. godine. Prvi laureat bio je njemački liječnik, mikrobiolog i imunolog Emil Adolf von Behring, koji je razvio metodu imunizacije protiv difterije. Godine 1902. nagradu je dobio Ronald Ross (Velika Britanija), koji je proučavao malariju; 1905. - Robert Koch (Nemačka), koji je proučavao uzročnike tuberkuloze; 1923. - Frederick Banting (Kanada) i John MacLeod (Velika Britanija) koji su otkrili insulin; 1924. - osnivač elektrokardiografije, Willem Einthoven (Holandija); 2003. godine Paul Lauterbur (SAD) i Peter Mansfield (UK) razvili su metodu magnetne rezonancije.

Prema Nobelovom komitetu Karolinska instituta, najpoznatija nagrada je i dalje nagrada iz 1945. godine dodijeljena Alexanderu Flemingu, Ernestu Chainu i Howardu Floreyu (Velika Britanija), koji su otkrili penicilin. Neka otkrića su vremenom izgubila na značaju. Među njima je i metoda lobotomije koja se koristi u liječenju mentalnih bolesti. Portugalac António Egas-Moniz dobio je nagradu za svoj razvoj 1949. godine.

Nagrada je 2016. godine dodijeljena japanskom biologu Yoshinoriju Ohsumiju “za otkriće mehanizma autofagije” (procesa ćelije koja obrađuje nepotrebne sadržaje u njoj).

Prema Nobelovom sajtu, danas se na listi dobitnika nagrade nalazi 211 osoba, uključujući 12 žena. Među laureatima su i dvojica naših sunarodnika: fiziolog Ivan Pavlov (1904; za rad u oblasti digestivne fiziologije) i biolog i patolog Ilja Mečnikov (1908; za istraživanje imuniteta).

Statistika

U periodu 1901-2016, nagrada za fiziologiju ili medicinu dodijeljena je 107 puta (1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942, Nobelova skupština Karolinskog instituta nije mogla izabrati laureata). 32 puta nagrada je podijeljena između dva laureata i 36 puta između tri. Prosječna starost laureata je 58 godina. Najmlađi je Kanađanin Frederick Banting, koji je nagradu dobio 1923. sa 32 godine, najstariji je 87-godišnji Amerikanac Francis Peyton Rose (1966).

Godišnja Nobelova sedmica počela je u ponedjeljak u Stokholmu proglašenjem dobitnika nagrade za fiziologiju ili medicinu. je naveo da su u ovoj kategoriji nagradu za 2017. dobili istraživači Michael Rosbash i Michael Young za

otkriće molekularnih mehanizama koji kontrolišu cirkadijalne ritmove – ciklične fluktuacije u intenzitetu različitih bioloških procesa povezanih sa promjenom dana i noći.

Život na Zemlji prilagođen je rotaciji planete. Odavno je utvrđeno da svi živi organizmi, od biljaka do ljudi, imaju biološki sat koji omogućava tijelu da se prilagodi promjenama koje se dešavaju tokom dana u okolini. Prva zapažanja na ovom području nastala su početkom naše ere, a temeljitija istraživanja su počela u 18. stoljeću.

Do 20. vijeka cirkadijalni ritmovi biljaka i životinja bili su u potpunosti proučavani, ali je tačno kako je „unutrašnji sat“ radio ostao tajna. Ovu tajnu otkrili su američki genetičari i kronobiolozi Hall, Rosbash i Young.

Voćne mušice su postale uzoran organizam za istraživanje. Tim istraživača uspio je u njima otkriti gen koji kontrolira biološke ritmove.

Naučnici su otkrili da ovaj gen kodira protein koji se nakuplja u ćelijama tokom noći, a uništava se tokom dana.

Nakon toga su identificirali druge elemente odgovorne za samoregulaciju "ćelijskog sata" i dokazali da biološki sat radi na sličan način u drugim višećelijskim organizmima, uključujući ljude.

Naši unutrašnji satovi prilagođavaju našu fiziologiju potpuno različitim vremenima dana. Od njih zavisi naše ponašanje, san, metabolizam, telesna temperatura i nivo hormona. Naše blagostanje se pogoršava kada postoji nesklad između funkcionisanja unutrašnjeg sata i okoline. Tako tijelo na iznenadnu promjenu vremenske zone reaguje nesanicom, umorom i glavoboljom. Jet lag je već nekoliko decenija uključen u Međunarodnu klasifikaciju bolesti. Nesklad između načina života i ritmova koje tijelo diktira dovodi do povećanog rizika od razvoja mnogih bolesti.

Prve dokumentovane eksperimente sa unutrašnjim satovima izveo je u 18. veku francuski astronom Jean-Jacques de Meran. Otkrio je da listovi mimoze padaju u noć i da se ponovo rašire ujutro. Kada je de Meran odlučio da testira kako će se biljka ponašati bez pristupa svjetlosti, ispostavilo se da listovi mimoze opadaju i dižu se bez obzira na osvjetljenje - ovi fenomeni povezani su s promjenama doba dana.

Nakon toga, naučnici su otkrili da i drugi živi organizmi imaju slične pojave koje prilagođavaju tijelo promjenama uslova tokom dana.

Zvali su se cirkadijalni ritmovi, od reči circa - "oko" i dies - "dan". Sedamdesetih godina prošlog vijeka, fizičar i molekularni biolog Seymour Benzer pitao se može li se identificirati gen koji kontrolira cirkadijalne ritmove. To mu je pošlo za rukom, gen je dobio naziv period, ali je mehanizam kontrole ostao nepoznat.

1984. Hall, Roybash i Young uspjeli su ga prepoznati.

Izolovali su neophodan gen i otkrili da je odgovoran za proces akumulacije i uništavanja proteina koji je povezan sa njim (PER) u ćelijama, u zavisnosti od doba dana.

Sljedeći zadatak za istraživače bio je razumjeti kako cirkadijalne fluktuacije nastaju i održavaju se. Hall i Rosbash su sugerirali da akumulacija proteina blokira rad gena, čime se regulira sadržaj proteina u stanicama.

Međutim, da bi se blokirao rad gena, protein proizveden u citoplazmi mora doći do ćelijskog jezgra, gdje se nalazi genetski materijal. Ispostavilo se da se PER zaista integriše u jezgro noću, ali kako tamo stiže?

Godine 1994. Young je otkrio još jedan gen, bezvremenski, koji kodira protein TIM, koji je neophodan za normalne cirkadijalne ritmove.

Otkrio je da kada se TIM veže za PER, oni mogu ući u ćelijsko jezgro, gdje blokiraju gen za period putem inhibicije povratne sprege.

Ali neka pitanja su i dalje ostala bez odgovora. Na primjer, šta je kontrolisalo frekvenciju cirkadijanskih oscilacija? Young je kasnije otkrio još jedan gen, dvostruki, odgovoran za formiranje DBT proteina, koji je odložio akumulaciju PER proteina. Sva ova otkrića su pomogla da se shvati kako su oscilacije prilagođene dnevnom ciklusu od 24 sata.

Nakon toga, Hall, Roybash i Young su napravili još nekoliko otkrića koja su dopunila i poboljšala prethodna.

Na primjer, identificirali su niz proteina neophodnih za aktivaciju gena za period, a također su otkrili mehanizam kojim se unutrašnji sat sinhronizuje sa svjetlom.

Najvjerovatniji kandidati za Nobelovu nagradu u ovoj oblasti bili su virologinja Yuan Chang i njen suprug, onkolog, koji su otkrili virus herpesa tipa 8 povezan sa Kaposijevim sarkomom; Profesor Lewis Cantley, koji je otkrio signalne puteve enzima fosfoinozitid 3-kinaze i proučavao njihovu ulogu u rastu tumora i profesor, koji je dao veliki doprinos analizi podataka dobijenih metodama snimanja mozga.

Japanac Yoshinori Ohsumi je 2016. godine dobio nagradu za otkriće mehanizma autofagije - procesa razgradnje i recikliranja unutarćelijskog otpada.

Nobelov komitet je 2. oktobra 2017. objavio imena dobitnika Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicinu za 2017. godinu. 9 miliona švedskih kruna podijelit će podjednako američki biolozi Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young za njihovo otkriće molekularnog mehanizma biološkog sata, odnosno beskrajno zapetljanog cirkadijalnog ritma života organizama, uključujući ljudi.

Tokom miliona godina, život se prilagođavao rotaciji planete. Odavno je poznato da imamo unutrašnji biološki sat koji predviđa i prilagođava se dobu dana. Uveče želim da zaspim, a ujutro želim da se probudim. Hormoni se ispuštaju u krv striktno prema rasporedu, a sposobnosti/ponašanje osobe - koordinacija, brzina reakcije - također zavise od doba dana. Ali kako radi ovaj unutrašnji sat?

Otkriće biološkog sata pripisuje se francuskom astronomu Jean-Jacques de Meranu, koji je u 18. vijeku primijetio da se mimoza danju otvara prema Suncu, a zatvara noću. Pitao se kako će se biljka ponašati ako se stavi u mrkli mrak. Ispostavilo se da je i u mraku mimoza slijedila plan - kao da ima unutrašnji sat.

Kasnije su takvi bioritmovi pronađeni i kod drugih biljaka, životinja i ljudi. Gotovo svi živi organizmi na planeti reagiraju na Sunce: cirkadijalni ritam je čvrsto ugrađen u zemaljski život, u metabolizam cijelog života na planeti. Ali kako ovaj mehanizam funkcioniše, ostala je misterija.

Nobelovci su izolovali gen koji kontroliše dnevni biološki ritam kod voćnih mušica (ljudi i muhe imaju mnogo zajedničkih gena zbog prisustva zajedničkih predaka). Svoje prvo otkriće napravili su 1984. Otkriveni gen je dobio ime period.

Gene period kodira protein PER, koji se akumulira u ćelijama noću, a uništava se tokom dana. Koncentracija PER proteina varira u 24-satnom rasporedu u skladu sa cirkadijanskim ritmom.

Zatim su identificirali dodatne komponente proteina i potpuno otkrili samoodrživi unutarćelijski mehanizam cirkadijalnog ritma - u ovom jedinstvenom odgovoru, PER protein blokira aktivnost gena. period, to jest, PER blokira samu sintezu, ali se postepeno razbija tokom dana (vidi dijagram iznad). Ovo je samodovoljan mehanizam sa beskrajnom petljom. Na istom principu radi i kod drugih višećelijskih organizama.

Nakon otkrića gena, odgovarajućeg proteina i cjelokupnog mehanizma unutrašnjeg sata, nedostajalo je još nekoliko dijelova slagalice. Naučnici su znali da se PER protein akumulira u ćelijskom jezgru noću. Također su znali da se odgovarajuća mRNA proizvodi u citoplazmi. Nije bilo jasno kako protein dolazi iz citoplazme u ćelijsko jezgro. 1994. Michael Young je otkrio još jedan gen bezvremenski, koji kodira TIM protein, takođe neophodan za normalno funkcionisanje unutrašnjeg sata. On je dokazao da ako se TIM veže za PER, tada par proteina može prodrijeti u ćelijsko jezgro, gdje blokira aktivnost gena. period, čime se zatvara beskonačan ciklus proizvodnje PER proteina.

Ispostavilo se da ovaj mehanizam sa izuzetnom preciznošću prilagođava naš unutrašnji sat dobu dana. Reguliše različite kritične funkcije tijela, uključujući ljudsko ponašanje, nivoe hormona, san, tjelesnu temperaturu i metabolizam. Osoba se osjeća loše ako postoji privremena razlika između vanjskih uvjeta i njegovog unutrašnjeg biološkog sata, na primjer, kada putuje na velike udaljenosti u različitim vremenskim zonama. Također postoje dokazi da je kronična neusklađenost između načina života i tjelesnog sata povezana s povećanim rizikom od raznih bolesti, uključujući dijabetes, gojaznost, rak i kardiovaskularne bolesti.

Kasnije je Michael Young identificirao još jedan gen duplo vreme, koji kodira DBT protein, koji usporava nakupljanje PER proteina u ćeliji i omogućava tijelu da se preciznije prilagodi 24-satnom danu.

U narednim godinama, sadašnji nobelovci su detaljnije rasvijetlili uključivanje drugih molekularnih komponenti u cirkadijalni ritam; pronašli su dodatne proteine ​​koji su uključeni u aktivaciju gena. period, a također je otkrio mehanizme kako svjetlost pomaže u sinhronizaciji biološkog sata sa vanjskim uvjetima okoline.

S lijeva na desno: Michael Rozbash, Michael Young, Geoffrey Hall

Istraživanje unutrašnjeg mehanizma sata je daleko od završetka. Znamo samo glavne dijelove mehanizma. Cirkadijalna biologija - proučavanje unutrašnjeg sata i cirkadijanskog ritma - pojavila se kao posebna oblast istraživanja koja se brzo razvija. A sve se to dogodilo zahvaljujući trojici aktuelnih dobitnika Nobelove nagrade.

Stručnjaci su nekoliko godina raspravljali o tome da bi molekularni mehanizam cirkadijanskih ritmova dobio Nobelovu nagradu - a sada se ovaj događaj konačno dogodio.