Муха в периоде. За что присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине

На первой неделе октября специальный комитет объявил, что Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2017 году получат трое американских учёных "за открытие молекулярных механизмов контроля циркадных ритмов". Двое из них, Джеффри Холл и Майкл Росбаш, работали над генетикой циркадных ритмов совместно, а Майкл Янг сделал открытие независимо от них. Каждому достанется по трети от миллиона с небольшим долларов. Вручение награды, как обычно, состоится в Стокгольме 10 декабря. Осталось разобраться, что такое циркадные ритмы, какие у них молекулярные механизмы и почему их изучение оказалось достойно Нобелевской премии.

Звонит будильник. Вы просыпаетесь, открываете глаза (а не дверцу холодильника, как можно было бы подумать), встаёте, идёте в туалет, умываетесь и бреетесь. После, как обычно, завтрак, а дальше надо собрать детей в школу и поехать на работу самому. Работа, дорога обратно, вечер с семьёй и снова сон. Вот и день прошёл. Завтра всё повторится, хотя, конечно, возможны небольшие вариации.

Это — пример циркадного ритма. "Циркадный" примерно означает "совершающийся с периодичностью примерно раз в день". Circa — "около", dias — "день". Под "днём" имеются в виду сутки. За сутки у организма предсказуемо меняются физиология и поведение. Выработка гормонов то падает, то растёт. Кровяное давление резко повышается после пробуждения. Спится лучше всего ночью. Всё это — проявления циркадных ритмов.

Бывают циклы и подольше — например, длиной в несколько недель. С одним из них хорошо знаком каждый, кто тесно общался с женщинами, и уж сами женщины — тем более. Кто не хотел спрятаться или убежать во время очередного ПМС у подруги? И ведь дама не виновата, что уровни половых гормонов у неё меняются в рамках менструального цикла от первой недели к четвёртой по мере созревания яйцеклеток, а вместе с ними скачет и настроение. У растений есть и более длинные циклы: вспомните луковичные, стебли которых весной вылезают из-под земли, а к осени увядают. Да что там говорить! Смена времён года и сама циклична, хотя это и не биоритм, в отличие от предыдущих примеров.

Казалось бы, скучно жить, когда всё расписано по часам. Рутина затягивает, и грустно, если каждый день происходит одно и то же и примерно ясно, что ждёт впереди. Однако на самом деле биоритмы, особенно суточные, — это очень хорошо. Незапланированные перемены мобилизуют ресурсы организма и делают жизнь интереснее, но, если происходящее долгое время вообще невозможно предсказать, организм теряет способность контролировать процессы в самом себе. В лучшем случае это означает невроз, в худшем — смерть.

А теперь более научно о заслугах нынешних лауреатов. Генетику плодовых мушек активно изучают уже более ста лет. Законы Менделя — те самые, которые изучают ещё на уроках биологии в девятом классе — переоткрыли именно в результате опытов на дрозофилах. Труды самого основателя генетики несколько десятилетий оставались в безвестности, да и вообще, эксперименты он проводил с растениями. Закономерности, открытые у мышиного горошка, оказались в целом верными и для насекомых. Как выяснилось во второй половине XX века, они актуальны и для млекопитающих, в том числе людей.

В 1971 году Рональд Конопка (Ronald J. Konopka) и Сеймур Бензер (Seymour Benzer) из Калифорнийского института вывели дрозофил с необычными мутациями. Некоторые полученные ими мухи летали и ходили в случайное время, а не ближе к закату и рассвету, как их нормальные собратья. У других, судя по их активности, сутки длились не 24 часа, а 19. У третьих, напротив, цикл активности был длиннее обычного — 28 часов. Выяснилось, что у насекомых всех трёх групп было изменено строение одного и того же гена на Х-хромосоме. Поскольку его активность влияла на периодичность движений, ген назвали period.

Авторов той работы сейчас уже нет в живых, поэтому присудить Нобелевскую премию им не могли. Зато у Конопки и Безнера были ученики — Джеффри Холл и Майкл Росбаш. В 1984 году они вместе с Робертом Конопкой опубликовали статью, в которой подвели итог своих молекулярно-биологических исследований period. Тогда уже стало возможным клонирование ДНК, так что учёные получили множество копий гена period и установили последовательность нуклеотидов в нём, а также показали, чем регулируется его активность. Тогда же независимо от них в Рокфеллеровском институте Майкл Янг получил аналогичные результаты.

Исследования Холла, Янга и Росбаша показали, что активность period зависит от времени суток. Это проявляется в количестве матричной РНК (мРНК), произведённой клеткой на основе соответствующего гена. мРНК служит шаблоном, по которому рибосомы собирают из аминокислот белки, и чем больше шаблонов, тем больше определённого белка в данный момент может синтезировать клетка. В случае гена period это белок PER. По колебаниям числа мРНК от period можно было определить, насколько активна будет муха в тот или иной час.

Выяснилось также, что активность гена timeless, кодирующего белок TIM, колеблется аналогичным образом. Более того, PER и TIM работают сообща и на каком-то этапе соединяются в одну молекулу. Когда под вечер таких молекул становится много, они тормозят работу собственных генов. Говоря простым языком, объединённые PER и TIM подают сигнал "горшочек, не вари". А если использовать научные термины, то они участвуют в петле отрицательной обратной связи.

Колебания активности генов period, timeless и ряда других проявляются даже в полной темноте или при постоянно включенном свете. Это показали исследования на хомячках и других грызунах: у них есть аналоги этих генов. Большинство лабораторных грызунов активны в тёмное время суток и любят бегать в колесе. Поэтому чаще всего они бегают в колесе ночью, что видно из записей с датчиков движения колёс. Если содержать их в полной темноте, периодичность бега в колесе не пропадает, но грызун каждый день начинает бегать немного раньше, чем в предыдущий. Это связано с тем, что сутки по его внутренним часам чуть-чуть короче, чем настоящие, солнечные. То есть циркадные ритмы проявляются и без света, хотя смена дня и ночи, безусловно, их корректирует и делает период точно равным 24 часам.

Ну а если животные (и звери, и насекомые) содержатся в условиях, когда свет включают и выключают каждые 12 часов, их внутренние часы довольно быстро учатся "предсказывать", когда освещённость поменяется. Например, дрозофилы в природе больше всего двигаются на восходе и закате. И если свет в лаборатории включают и выключают каждый день в одно и то же время, то интенсивность их двигательной активности возрастает за час-два до смены освещённости. То же происходит и с экспрессией циркадных генов. Они как будто знают, когда им пора запускаться.

Альфред Нобель завещал, чтобы премию присуждали тем, чьи открытия послужили человечеству на практике. Циркадные ритмы — это, конечно, интересно, но как информация об их молекулярных механизмах поможет людям быть здоровыми?

Дело в том, что предписания соблюдать режим дня из советских учебников не пустой звук. Мухи с мутантными вариантами гена period не просто активно летают когда попало. Их здоровье слабее, чем у нормальных насекомых, а зачастую и продолжительность жизни у них меньше.

Связей между нарушением режима сна и бодрствования и различными болезнями найдено немало, притом не только в опытах на лабораторных животных, но и в исследованиях с участием людей. Регулярный сон менее шести часов в разы повышает риск развития диабета второго типа, а также его "предшественников" — метаболического синдрома и резистентности к инсулину. Да и сами по себе нарушения сна, вызванные "поломкой" циркадных ритмов (например, перелётом из одного часового пояса в другой или переходом с зимнего на летнее время), не способствуют бодрости и высокой производительности. Кроме того, их проявление несколько недель подряд нередко служит признаком депрессии.

Зная, какие молекулярные механизмы лежат в основе циркадных ритмов и что конкретно в них нарушается при расстройствах сна и подобных состояниях, можно эффективнее восстанавливать нормальный распорядок дня. Сейчас новые лекарства всё чаще делают на основе данных о тонких особенностях биохимических и молекулярно-биологических процессов. Так что полученная Янгом, Холлом, Росбашем и их младшими коллегами информация в будущем ещё не раз поможет медицине.

Кстати, известие о том, что они стали лауреатами, нарушило их биологические ритмы: ведь когда в Швеции полдень, в США ещё ночь, и телефонный звонок разбудил как минимум Росбаша.