Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили троим исследователям, чьи работы помогли нам понять, как работают биологические часы.

Жизнь на Земле с самого начала должна была приспосабливаться к тому, что день регулярно сменяет ночь, а ночь сменяет день. Почти все живые существа обзавелись специальным часовым механизмом, который переключает организм из дневного режима в ночной и обратно. Самая наглядная демонстрация того, как работают биологические часы, – чередование сна и бодрствования. Но биологические часы – это не только сон. Известно, что днем и ночью у нас разная температура тела, что днем и ночью у нас по-разному работают сердце и сосуды, что обмен веществ подчиняется суточным (или циркадным, или циркадианным) колебаниям. И то же самое можно сказать про другие живые организмы – про животных и про растения, про одноклеточных и многоклеточных.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. (Фото: Chinese University Of Hong Kong Handout / EPA.)

Колебания белка PER – молекулярная пружина суточных ритмов: накапливаясь в клетке, белок проникает в ядро и подавляет активность собственного гена; затем PER постепенно разрушается и освобождает свой ген – цикл повторяется. (Иллюстрация: Nobelprize.org.)

То, что живой мир подчиняется какому-то внутреннему хронометру, заметили довольно давно. Еще в первой половине XVIII века французский астроном Жан-Жак де Меран обратил внимание на то, что растения гелиотропов, которые поворачивают соцветия вслед за солнцем и опускают свои листья на ночь, продолжают поднимать и опускать листья в полной круглосуточной темноте. Иными словами, дело вовсе не в том, есть солнце или нет, а в каком-то внутреннем механизме. Но что это за механизм? Ведь ни движение листьев, ни колебания температуры тела, ни сон – это не механизм, это лишь следствия его функционирования.

В начале 70-х годов прошлого века генетикам удалось найти зону в геноме дрозофил, которая управляла суточными ритмами. Если в эту геномную зону попадали какие-то изменения, суточный ритм мух выходил из 24-часового расписания, так что одни мухи жили так, как если бы в сутках было меньше часов – например, всего 19, а для других мух сутки увеличивались до 29 часов. Очевидно, все дело было в каком-то гене, который здесь находился. Он получил название period или per.

В 1984 году нынешние нобелевские лауреаты – Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall) и Майкл Росбаш (Michael Rosbash), которые тогда работали в Брандейском университете, и Майкл Янг (Michael W. Young) из Рокфеллеровского университета – сообщили сразу в двух статьях, что им удалось точно определить, где в геноме дрозофил сидит ген per. Впоследствии Холл и Росбаш сумели показать, что уровень белка PER в клетках колеблется в зависимости от времени суток: ночью его становится все больше, а днем, наоборот, все меньше и меньше. Вот, казалось бы, прекрасная молекулярная пружина, определяющая ход биологических часов.

Но почему белка становится то больше, то меньше? Проще всего было бы объяснить это отрицательной обратной связью. Как известно, многие белки блокируют работу собственных генов: если белковых молекул становится слишком много, они подавляют активность собственного гена, и не дают синтезировать новые копии РНК (напомним, что РНК-копия нужна для синтеза белка, без РНК никакого белка не получится).

Одновременно в клетке работают молекулярные машины, расщепляющие белки, и белок PER в том числе. Его становится все меньше, и в конце концов он освобождает собственный ген, так что тот начинает снова работать – цикл повторяется. Сам белок PER может взаимодействовать и с другими генами, повышая или понижая их активность, а те, в свою очередь, могут работать еще с каким-то набором генов – таким образом, за счет колебаний PER можно настроить работу множества внутриклеточных процессов. Заодно заметим, что в такой модели смена дня и ночи вообще не требуется – циклические молекулярные изменения происходят сами по себе, хотя, конечно, в действительности в живых организмах время суток, то бишь режим освещенности влияет на работу циркадных молекул.

Модель, в которой белок PER управляет собственной концентрацией, легко и изящно объясняла функционирование суточных ритмов, но поначалу в ней были некоторые белые пятна. Если вспомнить, что белки синтезируются в цитоплазме клетки, а ДНК сидит в клеточном ядре, то возникает вопрос: как PER проникает в ядро? То, что он проникает, доказали те же Холл и Росбаш, но кто ему помогает туда проникнуть? Загадка разрешилась в 1994 году, когда Майкл Янг нашел белку PER помощника – им оказался ген timeless и его белок TIM, который, как оказалось, абсолютно необходим для нормального хода биологических часов. Чтобы проникнуть в ядро, белку PER нужен белок TIM. Впоследствии Майкл Янг нашел еще один важный суточный белок – DBT, кодируемый геном doubletime. Задача белка DBT – делать так, чтобы PER накапливался и разрушался в соответствии с 24-часовым циклом. Иными словами, DBT контролирует точность хода биологических часов.

Конечно, это не все белки, от которых зависят суточные ритмы; в частности, как мы говорили выше, есть специальные молекулы, которые сообщают часовому механизму, много ли снаружи света (белки, которые синхронизируют аппарат биологических часов со временем суток, тоже открыли Холл, Росбаш и Янг). Тем не менее, принципиальная схема осталась неизменной: чтобы суточные ритмы работали, нужен PER, которого в клетке то много, то мало, нужен TIM, которые поможет PER проникнуть в ядро, и нужен DBT, который следит за частотой PER. И, что важно, схема эта оказалась универсальной – не только у дрозофил суточные часы работают по такой схеме, но вообще у всех живых существ.

Конечно, тут стоит напомнить, сколь много знание циркадного механизма значит для медицины. В последнее время мы все чаще слышим о том, какие проблемы могут возникнуть из-за сломанных биологических часов – что неудивительно, если учесть, сколько всего от них зависит. И речь не только о нарушениях сна; есть данные, что из-за проблем с суточными ритмами повышается вероятность онкологических заболеваний, и что расстроенные биологические часы способствуют накоплению лишнего жира – со всеми вытекающими метаболическими проблемами.

Конечно, относительно суточных ритмов есть еще масса вопросов, связанных с их регуляцией и настройкой, с иерархией и взаимоотношениями часов из разных органов и тканей; наконец, есть кроме суточных ритмов, есть и месячные, и сезонные, и очевидно, что они как-то общаются с суточными «коллегами».

Однако все это не отменяет того очевидного факта, что Холл, Росбаш и Янг раскрыли глубинную суть одного из самых фундаментальных свойств всех живых организмов, а растущее день ото дня количество статей на тему биологических часов говорит о том, что нынешним лауреатам удалось создать целое направление в современной биологии.

По материалам Нобелевского комитета.