Știința somnului: de ce a fost acordat Premiul Nobel pentru Medicină. Premiul Nobel pentru Medicină a fost acordat pentru descoperirea mecanismelor ritmurilor circadiene Premiul Nobel pentru Biologie sau Medicină

Viața pe Pământ se supune unui ritm care stabilește rotația planetei în jurul ei și în jurul Soarelui. Majoritatea organismelor vii au „ceasuri” interne - mecanisme care le permit să trăiască în conformitate cu acest ritm. Hall, Rosbash și Young s-au uitat în cușcă și au văzut cum funcționa ceasul biologic.

Muștele Drosophila au servit drept organisme model. Geneticienii au reușit să identifice o genă care controlează ritmul de viață al insectelor. S-a dovedit că codifică o proteină care se acumulează în celule noaptea și este utilizată încet în timpul zilei. Ulterior, au fost descoperite mai multe proteine ​​care sunt implicate în reglarea ritmurilor circadiene. Acum este clar pentru biologi că mecanismul care reglează rutina zilnică este același în toate organismele vii, de la plante la oameni. Acest mecanism controlează activitatea, nivelul hormonilor, temperatura corpului și metabolismul, care variază în funcție de momentul zilei. De la descoperirile lui Hall, Rosbash și Young, au apărut multe date despre modul în care abaterile bruște sau constante ale stilului de viață de la cele stabilite de „ceasul biologic” pot fi periculoase pentru sănătate.

Prima dovadă că ființele vii au „simțul timpului” au apărut în secolul al XVIII-lea: atunci naturalistul francez Jean Jacques d'Hortu de Mairan a arătat că mimoza continuă să-și deschidă florile dimineața și să se închidă seara, chiar fiind în întunericul non-stop.Cercetări ulterioare au arătat că nu numai plantele simt ora zilei, ci și animalele, inclusiv oamenii.Schimbarea periodică a indicatorilor fiziologici și a comportamentului în timpul zilei a fost numită ritmuri circadiene - din latină. circa- cerc și moare- zi.

În anii 70 ai secolului trecut, Seymour Benzer și studentul său Ronald Konopka au găsit o genă care controlează ritmurile circadiene la Drosophila și i-au definit perioada. În 1984, Jeffrey Hall și Michael Rosbash, care lucrează la Universitatea Brandelis din Boston, și Michael Young la Universitatea Rockefeller din New York, au izolat gena perioadă, iar apoi Hall și Rosbash și-au dat seama ce face proteina pe care o codifică, PER - și se acumulează în celulă noaptea și este cheltuită pe tot parcursul zilei, astfel încât să puteți judeca ora din zi după concentrația sa.

Acest sistem, așa cum sugerează Hall și Rosbash, se reglează singur: proteina PER blochează activitatea genei menstruale, astfel încât sinteza proteinelor se oprește de îndată ce există prea mult și se reia pe măsură ce proteina este consumată. Tot ce a rămas a fost să răspundă la întrebarea cum intră proteina în nucleul celulei - la urma urmei, doar acolo poate influența activitatea genei.

În 1994, Young a descoperit o a doua genă importantă pentru ritmurile circadiene, atemporală, care codifică proteina TIM, care ajută proteina PER să traverseze membrana nucleară și să blocheze gena perioadei. O altă genă timp dublu, s-a dovedit a fi responsabil pentru proteina DBT, care încetinește acumularea proteinei PER - astfel încât ciclul de sinteză și pauzele dintre ele să dureze 24 de ore. În anii următori, s-au descoperit multe alte gene și proteine ​​- părți ale mecanismului subtil al „ceasului biologic”, inclusiv cele care vă permit să „strângeți mâinile” - proteine ​​a căror activitate depinde de iluminare.

Ritmurile circadiene reglează diverse aspecte ale vieții corpului nostru, inclusiv la nivel genetic: unele gene sunt mai active noaptea, altele în timpul zilei. Datorită descoperirilor laureaților din 2017, biologia ritmurilor circadiene a devenit o disciplină științifică largă; În fiecare an, sunt scrise zeci de lucrări științifice despre cum funcționează „ceasul biologic” la diferite specii, inclusiv la oameni.

Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină. Un grup de oameni de știință din SUA i-au devenit proprietari. Michael Young, Geoffrey Hall și Michael Rosbash au primit premiul pentru descoperirea mecanismelor moleculare care controlează ritmul circadian.

Potrivit testamentului lui Alfred Nobel, premiul se acordă „oricine face o descoperire importantă” în acest domeniu. Redactorii TASS-DOSSIER au pregătit material despre procedura de acordare a acestui premiu și a laureaților acestuia.

Acordarea premiului și nominalizarea candidaților

Adunarea Nobel a Institutului Karolinska, situat la Stockholm, este responsabilă de acordarea premiului. Adunarea este formată din 50 de profesori ai institutului. Organismul său de lucru este Comitetul Nobel. Este format din cinci persoane alese de adunare dintre membrii săi pentru trei ani. Adunarea se întrunește de mai multe ori pe an pentru a discuta candidații selectați de comisie, iar în prima zi de luni din octombrie, alege laureatul cu majoritate de voturi.

Oamenii de știință din diferite țări au dreptul de a nominaliza pentru premiu, inclusiv membri ai Adunării Nobel a Institutului Karolinska și deținători ai Premiilor Nobel pentru Fiziologie și Medicină și Chimie, care au primit invitații speciale din partea Comitetului Nobel. Candidații pot fi propuși din septembrie până la 31 ianuarie a anului următor. Există 361 de persoane care luptă pentru premiu în 2017.

Laureații

Premiul este acordat din 1901. Primul laureat a fost medicul, microbiologul și imunologul german Emil Adolf von Behring, care a dezvoltat o metodă de imunizare împotriva difteriei. În 1902, premiul a fost acordat lui Ronald Ross (Marea Britanie), care a studiat malaria; în 1905 - Robert Koch (Germania), care a studiat agenții cauzali ai tuberculozei; în 1923 - Frederick Banting (Canada) și John MacLeod (Marea Britanie) care au descoperit insulina; în 1924 - fondatorul electrocardiografiei, Willem Einthoven (Olanda); în 2003, Paul Lauterbur (SUA) și Peter Mansfield (Marea Britanie) au dezvoltat metoda imagistică prin rezonanță magnetică.

Potrivit Comitetului Nobel al Institutului Karolinska, cel mai faimos premiu este încă premiul din 1945 acordat lui Alexander Fleming, Ernest Chain și Howard Florey (Marea Britanie), care au descoperit penicilina. Unele descoperiri și-au pierdut semnificația în timp. Printre acestea se numără metoda lobotomiei, utilizată în tratamentul bolilor mintale. Portughezul António Egas-Moniz a primit premiul pentru dezvoltarea sa în 1949.

În 2016, premiul a fost acordat biologului japonez Yoshinori Ohsumi „pentru descoperirea mecanismului autofagiei” (procesul de procesare a unei celule de conținut inutil în ea).

Potrivit site-ului Nobel, astăzi sunt 211 persoane pe lista câștigătorilor de premii, inclusiv 12 femei. Printre laureați se numără doi dintre compatrioții noștri: fiziologul Ivan Pavlov (1904; pentru lucrări în domeniul fiziologiei digestive) și biologul și patologul Ilya Mechnikov (1908; pentru cercetarea imunității).

Statistici

În 1901-2016, Premiul pentru Fiziologie sau Medicină a fost acordat de 107 ori (în 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942, Adunarea Nobel a Institutului Karolinska nu a putut alege un laureat). De 32 de ori premiul a fost împărțit între doi laureați și de 36 de ori între trei. Vârsta medie a laureaților este de 58 de ani. Cel mai tânăr este canadianul Frederick Banting, care a primit premiul în 1923 la vârsta de 32 de ani, cel mai în vârstă este americanul Francis Peyton Rose (1966), în vârstă de 87 de ani.

Săptămâna Nobel anuală a început luni la Stockholm cu anunțarea câștigătorilor Premiului pentru Fiziologie sau Medicină. a declarat că la această categorie premiul pentru 2017 a fost acordat cercetătorilor Michael Rosbash și Michael Young pentru

descoperirea mecanismelor moleculare care controlează ritmurile circadiene – fluctuații ciclice ale intensității diferitelor procese biologice asociate cu schimbarea zilei și a nopții.

Viața de pe Pământ este adaptată la rotația planetei. De mult s-a stabilit că toate organismele vii, de la plante la oameni, au un ceas biologic care permite organismului să se adapteze la schimbările care apar în timpul zilei în mediu. Primele observații în acest domeniu au fost făcute la începutul erei noastre, iar cercetări mai aprofundate au început în secolul al XVIII-lea.

Până în secolul al XX-lea, ritmurile circadiene ale plantelor și animalelor au fost studiate destul de pe deplin, dar exact modul în care funcționa „ceasul intern” a rămas un secret. Acest secret a fost descoperit de geneticienii și cronobiologii americani Hall, Rosbash și Young.

Muștele de fructe au devenit un organism model pentru cercetare. O echipă de cercetători a reușit să descopere în ei o genă care controlează ritmurile biologice.

Oamenii de știință au descoperit că această genă codifică o proteină care se acumulează în celule în timpul nopții și este distrusă în timpul zilei.

Ulterior, au identificat alte elemente responsabile de autoreglarea „ceasului celular” și au demonstrat că ceasul biologic funcționează în mod similar în alte organisme multicelulare, inclusiv în oameni.

Ceasurile noastre interne ne adaptează fiziologia la momente complet diferite ale zilei. Comportamentul nostru, somnul, metabolismul, temperatura corpului și nivelurile hormonale depind de ele. Bunăstarea noastră se înrăutățește atunci când există o discrepanță între funcționarea ceasului intern și mediul înconjurător. Astfel, organismul reacționează la o schimbare bruscă a fusului orar cu insomnie, oboseală și dureri de cap. Jet lag a fost inclus în Clasificarea Internațională a Bolilor de câteva decenii. Discrepanța dintre stilul de viață și ritmurile dictate de organism duce la un risc crescut de a dezvolta multe boli.

Primele experimente documentate cu ceasuri interne au fost efectuate în secolul al XVIII-lea de astronomul francez Jean-Jacques de Meran. El a descoperit că frunzele de mimoză cad la căderea nopții și se răspândesc din nou dimineața. Când de Meran a decis să testeze modul în care planta se va comporta fără acces la lumină, s-a dovedit că frunzele mimozei au căzut și s-au ridicat indiferent de iluminare - aceste fenomene au fost asociate cu schimbări în timpul zilei.

Ulterior, oamenii de știință au descoperit că și alte organisme vii au fenomene similare care adaptează organismul la schimbările condițiilor din timpul zilei.

Au fost numite ritmuri circadiene, de la cuvintele circa - „în jur” și moare – „ziua”. În anii 1970, fizicianul și biologul molecular Seymour Benzer s-a întrebat dacă ar putea fi identificată o genă care controlează ritmurile circadiene. A reușit să facă acest lucru, gena a fost numită perioadă, dar mecanismul de control a rămas necunoscut.

În 1984, Hall, Roybash și Young au reușit să-l recunoască.

Ei au izolat gena necesară și au constatat că aceasta este responsabilă de procesul de acumulare și distrugere a proteinei asociate acesteia (PER) în celule, în funcție de momentul zilei.

Următoarea sarcină pentru cercetători a fost să înțeleagă cum apar și cum sunt menținute fluctuațiile circadiene. Hall și Rosbash au sugerat că acumularea de proteine ​​blochează gena să funcționeze, reglând astfel conținutul de proteine ​​din celule.

Totuși, pentru a bloca funcționarea unei gene, proteina produsă în citoplasmă trebuie să ajungă la nucleul celulei, unde se află materialul genetic. Se pare că PER se integrează într-adevăr în nucleu noaptea, dar cum ajunge acolo?

În 1994, Young a descoperit o altă genă, atemporală, care codifică proteina TIM, care este esențială pentru ritmurile circadiene normale.

El a descoperit că atunci când TIM se leagă de PER, ei sunt capabili să intre în nucleul celulei, unde blochează gena perioadei prin inhibarea feedback-ului.

Dar unele întrebări au rămas încă fără răspuns. De exemplu, ce a controlat frecvența oscilațiilor circadiene? Young a descoperit ulterior o altă genă, dublu timp, responsabilă de formarea proteinei DBT, care a întârziat acumularea proteinei PER. Toate aceste descoperiri au ajutat la înțelegerea modului în care oscilațiile sunt adaptate la ciclul zilnic de 24 de ore.

Ulterior, Hall, Roybash și Young au mai făcut câteva descoperiri care le-au completat și rafinat pe cele precedente.

De exemplu, au identificat o serie de proteine ​​necesare pentru activarea genei perioadei și au dezvăluit, de asemenea, mecanismul prin care ceasul intern este sincronizat cu lumina.

Cei mai probabili candidați la Premiul Nobel în acest domeniu au fost virologul Yuan Chang și soțul ei, medic oncolog, care au descoperit virusul herpes tip 8 asociat cu sarcomul Kaposi; Profesorul Lewis Cantley, care a descoperit căile de semnalizare ale enzimelor fosfoinozitide 3-kinaze și a studiat rolul acestora în creșterea tumorii și profesor, care a adus contribuții majore la analiza datelor obținute prin metode de imagistică cerebrală.

În 2016, japonezul Yoshinori Ohsumi a câștigat premiul pentru descoperirea mecanismului autofagiei - procesul de degradare și reciclare a deșeurilor intracelulare.

Pe 2 octombrie 2017, Comitetul Nobel a anunțat numele laureaților Premiului Nobel 2017 pentru fiziologie sau medicină. 9 milioane de coroane suedeze vor fi împărțite în mod egal de către biologii americani Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash și Michael W. Young pentru descoperirea mecanismului molecular al ceasului biologic, adică a ritmului circadian al vieții organismelor, în buclă nesfârșită, inclusiv oameni.

De-a lungul a milioane de ani, viața s-a adaptat la rotația planetei. Se știe de mult că avem un ceas biologic intern care anticipează și se adaptează la momentul zilei. Seara vreau să adorm, iar dimineața vreau să mă trezesc. Hormonii sunt eliberați în sânge strict conform unui program, iar abilitățile/comportamentul unei persoane - coordonare, viteza de reacție - depind, de asemenea, de momentul zilei. Dar cum funcționează acest ceas intern?

Descoperirea ceasului biologic este atribuită astronomului francez Jean-Jacques de Meran, care în secolul al XVIII-lea a observat că frunzele de mimoză se deschid spre Soare ziua și se închid noaptea. Se întrebă cum s-ar comporta planta dacă ar fi pusă în întuneric. S-a dovedit că și în întuneric, mimoza a urmat planul - parcă ar avea un ceas intern.

Mai târziu, astfel de bioritmuri au fost găsite la alte plante, animale și oameni. Aproape toate organismele vii de pe planetă reacționează la Soare: ritmul circadian este strâns construit în viața pământească, în metabolismul întregii vieți de pe planetă. Dar cum funcționează acest mecanism a rămas un mister.

Laureații Nobel au izolat o genă care controlează ritmul biologic zilnic la muștele fructelor (oamenii și muștele au multe gene comune datorită prezenței strămoșilor comuni). Ei au făcut prima descoperire în 1984. Gena descoperită a fost numită perioadă.

Gene perioadă codifică proteina PER, care se acumulează în celule noaptea și este distrusă în timpul zilei. Concentrația proteinei PER variază pe un program de 24 de ore, în conformitate cu ritmul circadian.

Apoi au identificat componente suplimentare ale proteinei și au descoperit pe deplin mecanismul intracelular auto-susținut al ritmului circadian - în acest răspuns unic, proteina PER blochează activitatea genei. perioadă, adică PER blochează sinteza în sine, dar se descompune treptat pe parcursul zilei (vezi diagrama de mai sus). Acesta este un mecanism auto-suficient cu bucle la nesfârșit. Funcționează pe același principiu și în alte organisme multicelulare.

După descoperirea genei, a proteinei corespunzătoare și a mecanismului general al ceasului intern, mai lipseau câteva piese din puzzle. Oamenii de știință știau că proteina PER se acumulează în nucleul celulei noaptea. Ei știau, de asemenea, că ARNm-ul corespunzător este produs în citoplasmă. Nu era clar cum ajunge proteina din citoplasmă în nucleul celulei. În 1994, Michael Young a descoperit o altă genă atemporal, care codifică proteina TIM, necesară și pentru funcționarea normală a ceasului intern. El a demonstrat că dacă TIM se atașează de PER, atunci o pereche de proteine ​​poate pătrunde în nucleul celulei, unde blochează activitatea genelor. perioadă, închizând astfel ciclul nesfârșit al producției de proteine ​​PER.

Se pare că acest mecanism adaptează ceasul nostru intern la ora din zi cu o precizie deosebită. Reglează diferite funcții critice ale corpului, inclusiv comportamentul uman, nivelul hormonilor, somnul, temperatura corpului și metabolismul. O persoană se simte rău dacă există o discrepanță temporară între condițiile externe și ceasul biologic intern, de exemplu, atunci când călătorește pe distanțe lungi în diferite fusuri orare. Există, de asemenea, dovezi că nepotrivirea cronică între stilul de viață și ceasul corporal este asociată cu un risc crescut de apariție a diferitelor boli, inclusiv diabet, obezitate, cancer și boli cardiovasculare.

Mai târziu, Michael Young a identificat o altă genă timp dublu, care codifică proteina DBT, care încetinește acumularea proteinei PER în celulă și permite corpului să se adapteze mai precis la ziua de 24 de ore.

În anii următori, actualii laureați ai Premiului Nobel au luminat mai detaliat implicarea altor componente moleculare în ritmul circadian; au găsit proteine ​​suplimentare care sunt implicate în activarea genelor. perioadă, și, de asemenea, a descoperit mecanismele prin care lumina ajută la sincronizarea ceasului biologic cu condițiile de mediu externe.

De la stânga la dreapta: Michael Rozbash, Michael Young, Geoffrey Hall

Cercetarea mecanismului intern al ceasului este departe de a fi finalizată. Cunoaștem doar părțile principale ale mecanismului. Biologia circadiană - studiul ceasului intern și al ritmului circadian - a apărut ca un domeniu separat de cercetare în curs de dezvoltare. Și toate acestea s-au întâmplat datorită celor trei actuali laureați ai Premiului Nobel.

Experții discută de câțiva ani că mecanismul molecular al ritmurilor circadiene va primi Premiul Nobel – iar acum acest eveniment s-a întâmplat în sfârșit.