Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini - 2017. • Elena Naimark • Znanstvena vijest o "elementima" • Nobelove nagrade, genetika, cirkadijanski ritmovi

Nobelova nagrada u fiziologiji i medicini – 2017

Dobitnici Nobelove nagrade u fiziologiji i medicini 2017. S lijeva na desno: Jeffrey Hall, Michael Rosbash i Michael Young. Fotografije iz washington.edu, brandeis.edu i rockefeller.edu

Nobelovu nagradu 2017. dodijeljeno je za otkriće i proučavanje molekularnih mehanizama koji kontroliraju ciradijske ritmove – unutarnje satove koji rade u živim organizmima, podešavajući vitalnu aktivnost na izmjenu dana i noći. Velika većina fizioloških procesa povezana je s cirkadijarnim ritmovima. Tri američka znanstvenika, Jeffrey Hall, Michael Rosbash i Michael Young postali su pobjednici. U djelima njihovih znanstvenih skupina, koje se odvijaju više od desetljeća od 1970-ih, praktički je stvorena nova znanost od nule koja je postala pouzdana osnova za daljnja istraživanja.

Godine 2017. Nobelovu nagradu u fiziologiji i medicini dodijeljeno je troje američkih znanstvenika, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young, koji su oblikovali naše suvremeni pogled na cirkadijanske ritmove koji su otkrili njihovu prirodu i malo – mehanizme njihovog rada. Cirkadijski ritmovi su unutarnji satovi koji rade za bilo koji življeni organizam, prilagođavajući svoj život za izmjenu dana i noći. Jednom sam morao biti uvjeren u njihovu učinkovitost.Tako se i dogodilo da sam, nakon što sam otišao u ljeto na dvotjednom pješačenju na sjeveru Rusije, i moj kolega i ja zaboravili na sat. Bile su bijele noći, pa je bilo nemoguće odrediti vrijeme na poznati način, sunce je cijelo vrijeme sjajilo. Ostao je nadati se svojim unutarnjim satovima, koji su, u pravilu, postavljeni za dnevni ciklus. Doista, za dva tjedna "zaostaju" za samo dva ili tri sata, tako da smo bili na vrijeme za odlazak vlakom. U svakom slučaju, u svim živim organizmima, unutarnji sat regulira fiziološke cikluse odmora i budnosti, temperature, aktivnosti mišića kod životinja, pažnje itd.

Hall, Rosbash i Young započeli su svoj rad epohiranja početkom 70-ih godina, a da bi shvatili značenje njihovih otkrića, morate se vratiti do kraja 60-ih i vidjeti što su stručnjaci za dnevne ritmove zainteresirani za tekuće istraživanje. Nobelovci. Francuzski astronom Jean-Jacques de Meran promatrao je 1729. godine dnevne promjene mimoze: ostavio je u mraku, pokrivao je i razvijao lišće, bez obzira na svjetlost, u skladu s njihovim unutarnjim postavkama za 24-satni ritam. Od toga je započela znanost o cirkadijanskim ili cirkadijarnim ritmovima (lat. otprilike – krug umire – dan). Dvije i pol stoljeća kasnije, na Simpoziju hladnog proljeća 1960. godine s riječju "Dnevni ritmovi", sažeti su postignuća na ovom području i aktualna glavna pitanja (vidi Jürgen Aschoff, 1960. Eksogene i endogene komponente u cirkadijarnim ritmovima): "I dalje ne znamo ništa o vrstama dnevnih sati, ostaje otvoreno pitanje hoće li se ti sati neprestano odvijati ili se zaustaviti nakon 24-satnog ciklusa, a zatim ih treba ponovno započeti. ne pretpostavljamo da se brojčanik treba sastojati od 24 odjeljaka, a sat treba mjeriti vrijeme, a različiti organizmi mjere vremensko razdoblje prikladno za svoje potrebe. ne morate ići n može se tek završiti u određenom trenutku u životu, a danas cirkadijani ritmovi proučavaju se mjerenjem različitih funkcija organizama, ali se s povjerenjem ne može reći kako su promatrane promjene povezane s unutarnjim satom i, prema tome, koja od funkcija najbolje predstavlja ove sati. Bilo bi iznimno korisno ako bismo mogli pokazati da sve funkcije koje imamo – eozinofile, lokomotivnost ili nešto drugo – rezultati cirkadijskih eksperimenata uvijek će biti slični … "

Kao što se može vidjeti, priroda cirkadijanskih ritmova u 1970-ima doista nije bila poznata, a nije ni bilo jasno s koje strane pristupiti tom pitanju. Početkom sedamdesetih godina Seymour Benzer i Ronald J. Konopka pokrenuli su studije o voćnim mušicama, identificirajući jedan gen – nazvali su ga razdoblje (po) – povezana s cirkadijarnim ritmovima. Bio je na X kromosomu: bio je u stanju mapirati, ograničavajući ga s obje strane na poznate mutacije.

Mapiranje gena poograničeno na mutacije gena bijela, zeste i štit, Mutacije na ovom području Drosophila X kromosoma (distalni dio lijevog ramena) dovele su do pojave muha s neaktivnim satovima (aperiodne mutacije po0), s skraćenim (poa) i s produženim (pol) dnevni ritam. Slika iz članka R. J. Konopka, S. Benzer, 1971. Clock Mutants of Drosophila melanogaster

gen po bio je prvi identificirani nositelj materijala unutarnjih cirkadijanskih ritmova: nešto što je svojstveno isključivo tijelu, a ne okolišu, povezano je s cikličkom prirodom fizioloških manifestacija.Mutacije u ovom genu povrijeđeno dnevnim ritmom i ličinke i odrasle, tako da je gen koji kontrolira dnevni fiziologiju u svim fazama razvoja – opći rad gena, visoka razina kontrole. Stoga, oko lokusa po aktivni se posao razvijao u kojem su se pridružili Jeffrey Hall i Michael Rosbash.

Koristeći tada naprednu tehnologiju kloniranja segmenata DNA u bakterijama, uspjeli su izravno dokazati vezu razdoblje s cirkadijarnim ritmovima. Uz Ronald Konopka i kolege na Massachusetts i New York University, najprije su proučavali s većom preciznošću strukturom lokusa identificirana funkcionalna dijela, je kloniran u bakterijama, a zatim pomoću plazmida vektora je uvedena u obrocima od normalnih muha mutirani gen po (W.A. Zehring i sur., 1984. P-element transformacija sa razdoblje lokus DNA vraća ritamnost u mutant, aritmički Drosophila melanogaster). Danas se čini da je takav posao mukotrpan, ali prilično rutinski, au ranim 80-ima bio je najnapredniji rub znanosti. Kao rezultat toga, u mutantnim mušicama s aperiodskom motornom aktivnošću i drugim poremećajima cikličnosti (osobito u muškom pjesmom udvaranja) obnovljeni su cirkadijski ritmovi. Tada su identificirali nekoliko transkripata iz ovog mjesta i pronašli su jedno s zanimljivim svojstvima.Prvo, bilo je bilo odsutno ili zanemarivo u mutantima, drugo, u normalnim mušicama njegov broj se dramatično promijenio tijekom dana: tijekom dana je bilo obilato i noću je bilo mala (P. Reddy i sur., 1984. Molekularni analiza razdoblje lokus u Drosophila melanogaster biološki ritmovi). Očito je da je proteinski proizvod, preuzet iz ove zanimljive mRNA, izravno uključen u regulaciju dnevnog ritma. Drugim riječima, to je kandidat za ulogu glavnog pacemakera fiziološkog sata. Oni stalno idu i ne zahtijevaju dnevnu biljku.

Paralelno, isti rad s istim rezultatom na Sveučilištu Rockefeller u New Yorku učinio je tim Michaela Younga, objavivši rezultate točno u istom trenutku, 1984. godine (T. A. Bargiello i sur., 1984. godine. Restauriranje cirkadijskih ritmova ponašanja transferom gena u Drosophila). Jasno je da je ovaj rad prethodio jednako pažljivom proučavanju strukture lokusa. po i njegove transkripte koje je proveo Young i njegovi kolege.

Shema rada 1984., koju je predstavio M. Young s kolegama u Zagrebu priroda i D. Hall i M. Rosbash u ćelija: definicija brisanja, kloniranje nestalnog mjesta u bakterijskom vektoru, umetanje nestalnog mjesta u genom mutantnih mušica. Slika T. A. Bargiello i dr., 1984. Restauriranje cirkadijskih ritmova ponašanja prijenosom gena u Drosophila

Jedan tim je to pokazao po izraženo u gotovo svim tkivima tijela (J.C. Hall, M.Rosbash, 1987. Genetska i molekularna analiza bioloških ritmova), osobito u očima i mozgu, i drugi tim (M.K. Baylies i sur., 1987. Drosophila sat) utvrdio je da trajanje ciklusa ovisi o broju proizvoda po. I jedno i drugo donijeli su istraživače bliže pitanju mehanizma reguliranja dnevnih ritmova.

Komunikacijski uzorak svakodnevnih ritmova i aktivnosti gena po, Uz gen po mRNA je prepisana, s kojom je preveden periodni protein. Nadalje, biokemijski rezultat X inhibira ekspresiju po izravno (1) ili preko međuproizvoda Y (2) ili dovodi do ponašanja Z, koji sam regulira izraz po. Inhibicija i regulacija mogu utjecati i na sam gen. poi mRNA. Pitanja znače nepoznate molekulske mehanizme. Slika iz P. E. Hardin i dr., 1990. Povratne informacije od Drosophila Razine ILLA RNA

Doista, uskoro Hall i Rosbash (P.E. Hardin et al., 1990. Povratne informacije od Drosophila Predložen je osnovni model za regulaciju cirkadijalnih ritmova. Temelji se na ideji povratne sprege između PER proteina i intenziteta ekspresije odgovarajućeg gena: akumulacija proteina inhibira sintezu, a uz smanjenje količine proteina sinteza se aktivira. U ovom modelu, uz koncept,Pitanja su postavljena (doslovno): na račun molekularnih mehanizama koji rade ovaj petlji? Koji su proteinski i genetički alati za provedbu ove sheme? Kako ponašanje utječe na dnevne ritmove? gdje dolazi molekulska regulacija – u jezgri (izraz po) ili citoplazme (aktivnost mRNA)? Drugim riječima, izrađen je program budućih istraživanja.

Nakon što su sudjelovali u imunocitokemijskim eksperimentima, Rosbash i Hall su 1992. godine odredili gdje se PER protein koncentrira unutar stanice (X. Liu i sur., 1992.). razdoblje nuklearna kodira pretežno nuklearni protein u odrasloj dobi Drosophila). Ispalo je to unutar jezgre. Znanstvenici su zaključili da PER djeluje kao faktor transkripcije koji regulira vlastiti gen po, Kako ovaj protein ulazi u jezgru, jer je sintetiziran u citoplazmi?

Young je mogao odgovoriti na ovo pitanje, koji je do sada odlučio tražiti druge gene koji utječu na dnevne ritmove Drosophila aktivnosti. U tom smislu, on i njegovi kolege analizirali su oko 7.000 mutacija, identificirajući onaj koji je ispunio zahtjeve periodičnosti (A. Sehgal et al., 1994. Gubitak cirkadijskih ritmova ponašanja i Drosophila mutant bezvremenski). Ova mutacija je imenovana vanvremenski (s TIM proteinom). U mutantima za ovaj gen, cirkadijani ritmovi su prekršeni. U nizu eksperimenata, mladi tim je to mogao pokazati razdoblje i vanvremenski rade zajedno, a to je novootkriveni TIM protein koji donosi PER u jezgru. Tamo blokiraju faktore transkripcije koji aktiviraju vlastitu sintezu. u mutanata pol s produljenim ritmom, modificirani PER protein se veže za TIM, te je vjerojatno da se isporuka i nakupljanje PER / TIM inhibirajućeg ligamenta u jezgru odgađa zbog toga. Kasnije je također dokazano da se broj TIM u stanici mijenja s intenzitetom svjetlosti. Dakle, vitalni ritam tijela prilagođava se promjeni dana i noći.

Gene čitanje razdoblje i vanvremenski u jezgri, odakle se odgovarajuće mRNA prevozi u citoplazmu, svaka sa svojom dnevnom fazom. Njihovi proteinski proizvodi, kada se kombiniraju, mogu ući u jezgru i u tom obliku usporiti vlastitu sintezu. Da biste to učinili, blokiraju vlastite čimbenike transkripcije CLOCK i CYC (BMAL1). Slika od onoga što-kako-how.com

Nakon nekog vremena, Young je otkrio i istražio drugi gen uključen u regulaciju cirkadijanskih ritmova. Da bi to učinili, trebalo je pročitati 15.000 kromosoma (izabrani su drugi i treći kromosomi) od mušica koje su bile izložene kemijskom mutagenu. Kao rezultat, izolirane su dvije linije s novom mutacijom u genu doubletime (DBT) s odgovarajućim proteinom.Jedan od njih – prvi otkrio – oštro je skratio razdoblje ritma: umjesto 24-satnog ciklusa dobiven je 18-satni ciklus aktivnosti. A drugi, naprotiv, povećao razdoblje ciklusa na 26-27 sati.

Sa neispravnim DBT besplatno se akumulira u citoplazmi, a dnevni ritam je uznemiren. Slika iz članka J. L. Price i dr., 1998. honorar Je li roman? Drosophila Clock Gene koji regulira PERIOD akumulaciju proteina

Uloga ovog gena (točnije, njegov protein), kako se ispostavilo, je uništiti višak PER (zbog fosforilacije) koji se akumulira u citoplazmi. Kada TIM ulazi u citoplazmu, vežu se na PER i prosljeđuju se jezgri, PER ostatak se mora ukloniti iz citoplazme kako bi započeo sljedeći ciklus. To je ono što DBT radi. A ako je uz stalno osvjetljenje ili nedostatak, poremećena ciklička priroda primanja TIM-a u citoplazmi, tada DBT može samostalno održavati ciklus bez ikakve promjene u osvjetljenju. Zato su mutanti DBT poremećaji dnevnih ciklusa zabilježeni su samo u pokusima u mraku, a tijekom normalne promjene svjetlosne i tamne faze njihov dnevni ritam nije uznemiren – aktivira se regulacija TIM-a. Tako DBT osigurava stabilnost dnevnih ritmova tijekom neuspjeha mračnih i svjetlosnih faza.

Dakle,započeo 70-ih godina u istraživanju discipline, koji se sastojao od nekih pitanja, početkom novog stoljeća, ova tri znanstvenika, koja su ove godine postala dobitnici Nobelove nagrade, zapravo su ponovno stvorili znanost o cirkadijanskim ritmovima. Oni su izgradili materijalnu bazu za vrlo korisna i akademska i primijenjena istraživanja. Uostalom, većina fizioloških procesa u živim organizmima povezana je s cirkadijarnim ritmovima, a svaki je proces povezan s njima na svoj biokemijski način (vidi, na primjer, vijesti Matične stanice kože i mišiće različito mijenjaju bioritme tijekom starenja, Elementi, 07.09.2017).

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: