Medyczny Nobel za badania nad zegarem biologicznym

Marta Markiewicz
opublikowano: 18-10-2017, 09:12

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii otrzymało trzech naukowców: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young, którzy odkryli molekularne mechanizmy regulujące rytm dobowy organizmów zamieszkujących Ziemię.

Ten artykuł czytasz w ramach płatnej subskrypcji. Twoja prenumerata jest aktywna

Laureatami prestiżowej nagrody przyznawanej przez Komitet Noblowski złożony z 50 profesorów medycyny z Instytutu Karolinska zostali w tym roku naukowcy amerykańscy: Jeffrey C. Hall z Uniwersytetu w Maine, Michael Rosbash z Uniwersytetu Brandeis i Howard Hughes Medical Institute oraz Michael W. Young z Uniwersytetu Rockefellera w Nowym Jorku. 

Zaczęło się od modeli zwierzęcych

Pierwsze obserwacje i badania związane z wpływem genów na 24-godzinny cykl dnia i nocy organizmów żywych przeprowadzono w 1971 roku. Naukowcy Seymour Benzer i Ronald Konopka odkryli wówczas zmutowane muszki owocówki (Drosophila), które wykazywały istotne zmiany aktywności w stosunku do obserwowanego w 24-godzinnym cyklu dnia. W 1984 roku trzem tegorocznym laureatom Nagrody Nobla udało się wyizolować pierwszy gen „zegarowy”, nazwany period, odpowiedzialny za rytmiczne „odmierzanie” czasu w komórkach żywych organizmów.

Opracowany na tej podstawie model okazał się jednak niekompletny, naukowcy nie mogli bowiem zrozumieć, w jaki sposób na poziomie molekularnym syntetyzowane na postawie genu zegarowego białko ograniczało ekspresję genu zegarowego znajdującego się w jądrze komórki. Aby wyjaśnić tę zależność, przeprowadzono serię kolejnych badań, które naprowadziły Michaela Younga na trop drugiego genu zegarowego, w skrócie określanego mianem TIM. To odkrycie pozwoliło na ostateczne domknięcie pętli i rozszyfrowanie molekularnego mechanizmu wzajemnie sprzężonej transkrypcji genów (Transcription-Translation Feedback Loo, TTFL). Polega ona na ograniczaniu w rytmie dobowym ekspresji genów zegarowych przez syntetyzowane na ich podstawie białka PER i CRY, które dimeryzują i wnikają do jądra komórkowego, oddziałując na własną transkrypcję.

Synchronizacja zegara zależna od światła

Ocena zebranych paradygmatów pozwoliła nie tylko na ustalenie kluczowych mechanizmów zegara biologicznego, ale przede wszystkim otworzyła pole do dalszych analiz. W efekcie w następnych latach znaleziono kolejne elementy molekularne zaangażowane w mechanizm, chodzi m.in. o proces synchronizowania zegara biologicznego w zależności od światła, a także o zjawisko szeroko znane jako jet-lag.

Komitet Noblowski podkreślił, że synchronizacja ludzkiego zegara biologicznego ma ogromny wpływ na naszą fizjologię, a w obszarze medycyny stanowi bardzo dynamicznie rozwijający się kierunek badań. To właśnie zegar biologiczny jest kluczowy w procesie regulacji snu, uwalniania hormonów bądź zmian takich parametrów, jak ciśnienie tętnicze krwi czy temperatura ciała.

Grupa świetnie współpracujących naukowców

Tuż po ogłoszeniu werdyktu Komitetu Noblowskiego Jeffrey C. Hall skomentował w wywiadzie, że ten sukces to efekt doskonałej współpracy naukowców i relacji, jakie nawiązały się między nimi. „Początkowo łączyły nas wspólne zainteresowania naukowe, koncentrujące się na genetyce. Po około sześciu czy ośmiu latach doszliśmy do wniosku, że zarówno nasze pochodzenie, jak i nasze umiejętności są komplementarne. Główną przyczyną naszych dobrych relacji było to, że pracowaliśmy blisko siebie. Mieliśmy też wspólne zainteresowania związane z kulturą, słuchaliśmy tej samej muzyki, oglądaliśmy te same zmagania sportowe. W ten sposób spędzaliśmy ze sobą dużo czasu…” — przyznawał Jeffrey C. Hall.

Do Michaela Rosbash’a wiadomość o nagrodzie dotarła w środku nocy. „Byłem w ciężkim szoku, dosłownie odebrało mi oddech. W końcu moja żona powiedziała „zacznij oddychać” — wspomina Michael Rosbash. Przyznał również, że razem z Jeffreyem C. Hallem oraz Michaelem W. Youngiem są od lat dobrymi przyjaciółmi.

Również Michael W. Young doceniał pracę w zespole, w którym każdy próbował rozwiązać inny problem, ale ostateczne wnioski wymagały poskładania poszczególnych elementów w całość. „Razem z Jeffem i Michaelem wzajemnie się popychaliśmy. Większość odkryć została dokonana niezależnie, ale dopiero współpraca, jaką podjęliśmy, doprowadziła nas do rozwiązania kluczowych problemów i złożenia kawałków tej układanki. To było ogromnie satysfakcjonujące” — podkreślił Michael W. Young.

Nagrodę w wysokości 9 milionów koron (tj. ok. 940 tys. euro) naukowcy odbiorą z rąk króla Szwecji 10 grudnia.

 

Komentarz

Niezakłócony rytm biologiczny jest kluczowy dla zdrowia organizmu

Dr hab. Ewa Bałkowiec-Iskra, Katedra i Zakład Farmakologii Doświadczalnej i Klinicznej, Warszawski Uniwersytet Medyczny, Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych; Dr Grzegorz Cessak, prezes Urzędu Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych:

Fizjologiczne zmiany zachodzące w organizmie w ciągu doby podlegają regulacji tzw. centralnego zegara biologicznego, który zlokalizowany jest w jądrach nadskrzyżowaniowych, położonych w przedniej części podwzgórza. Nagrodzone tegoroczną Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii badania wykazały m.in., iż mechanizmy regulacji rytmu biologicznego są uniwersalne, tzn. podobne dla różnych gatunków organizmów, co umożliwia odnoszenie danych uzyskanych np. na modelu Drosophila melanogaster do ludzi. Zmienność okołodobową wykazują m.in. rytm pracy serca, temperatura ciała, tempo metabolizmu, produkcja hormonów (np. hormonu wzrostu, prolaktyny, insuliny, testosteronu, kortyzolu, melatoniny). 

Najbardziej odczuwanym elementem rytmu okołodobowego jest rytm snu i czuwania. Regularność zasypiania i budzenia się jest jednym z warunków dobrego samopoczucia i zdrowia, ponieważ część procesów fizjologicznych jest funkcjonalnie ściśle związana ze snem (np. hormon wzrostu wydzielany jest w czasie snu głębokiego NREM). Warto podkreślić, iż rytm biologiczny jest modyfikowany m.in. przez aktywność fizyczną, pory posiłków oraz sen. Zachowanie ich stałych pór umożliwia regularne i prawidłowe funkcjonowanie zegara biologicznego. 

Do głównych zaburzeń okołodobowych rytmów snu i czuwania zalicza się: zaburzenie z opóźnioną fazą (senność występuje ok. 1-2 w nocy), zaburzenie z przyspieszoną fazą (senność pojawia się ok. godz. 21), zaburzenie związane z pracą zmianową oraz zaburzenie związane z szybką zmianą stref czasowych. Wykazano, iż długoletnia praca zmianowa powoduje zakłócenia rytmów biologicznych, skutkujące wzrostem ryzyka zachorowania m.in. na cukrzycę typu 2, nadciśnienie tętnicze, nowotwory (głównie jelita grubego, piersi oraz chłoniaki nieziarnicze), jak również przyczynia się do rozwoju bezsenności. Zagadnieniem, które ciągle pozostaje mało zbadane, jest okołodobowa zmienność farmakokinetyki i farmakodynamiki leków. 

 

Kilka faktów 

Medycyna i fizjologia uhonorowane

W latach 1901-2017 Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii przyznano 108 naukowcom: 

39 nagród trafiło do pojedynczych laureatów, 

58 lat wynosił średni wiek nagrodzonych,

32 lata miał najmłodszy laureat tej nagrody — Frederick G. Banting, współwynalazca insuliny.

 

Źródło: Puls Medycyny

Podpis: Marta Markiewicz

Najważniejsze dzisiaj
× Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.