На прошлой неделе представители Шведской королевской академии наук и Каролинского института объявили лауреатов самых престижных научных наград в мире – Нобелевских премий в области физики, химии, физиологии и медицины. Впервые за долгие годы одну из премий вручат за «вау-открытие». Два других отмеченных Нобелевским комитетом научных результата имеют важное значение для развития медицины. Научный журналист Даниил Кузнецов объясняет простым языком, за что ученым выдали в этом году миллион долларов и как их открытия отразятся на жизни обычных людей.

«Под мухой»: за что дали Нобелевскую премию по физиологии и медицине

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг награждены за исследования молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы.

Всё очень просто. Если у вас есть собственный сад на даче или парк рядом, вы могли заметить, что большинство цветов распускается с утра, а вечером их бутоны вновь закрываются. Есть и обратные примеры, так называемые «ночные цветы». Некоторые виды лилий, гладиолусов и табака раскрываются и начинают благоухать с наступлением сумерек.

Иными словами, у цветов есть определённый распорядок дня, в котором циклически повторяются одни и те же действия. Этот распорядок нередко называют «биологическими часами», а научное его название – циркадный ритм (от латинских слов circa – «около» и diem – «день»). Подавляющее большинство всех циркадных ритмов укладывается в сутки. Хотя есть и более продолжительные регулярно повторяющиеся циклы, например, циркатригинтан у женщин. Его нередко ошибочно называют менструальным, однако он характерен и для неполовозрелых девочек, и для пожилых женщин после менопаузы. Его длительность — от 25 до 35 дней.

Циркадные ритмы есть у всего живого – от простейших бактерий до человека. У всех нас в течение суток изменяются такие физиологические показатели, как кровяное давление, температура тела, концентрация различных гормонов. Так, максимальное количество тестостерона (мужского полового гормона) в крови наблюдается в утренние часы, а помогающего уснуть мелатонина – в вечерние и ночные.

Как управлять «биологическими часами»

Очевидно, что «биологические часы» как-то управляются, но как именно – с помощью внешних факторов, таких как солнечный свет, или за счёт внутренних регуляторов? Долгое время это оставалось загадкой.

Например, мимоза стыдливая (Mimosa pudica) раскрывает свои листья к солнцу каждое утро. С наступлением сумерек они опускаются. Ещё в XVIII веке французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран поместил мимозу на долгий срок в абсолютно тёмную камеру и с удивлением обнаружил, что даже в отсутствие света мимоза продолжает строго периодически раскрывать и опускать листья.

Современные исследования на грызунах подтвердили, что свет не более чем тонкий регулятор циркадных ритмов, но не основной их «водитель». Хомяки – ночные животные – бегают в колесе в своей клетке только в тёмное время суток. Если же тьма окружает их все 24 часа, то они всё равно продолжают быть физически активны исключительно в ночные промежутки. Однако начало «беговых нагрузок» немного смещается. Таким образом, свет лишь помогает точно «уложить» циркадный ритм в прокрустово ложе солнечных суток.

Все эти факты говорят об одном: контролируются циркадные ритмы каким-то внутренним механизмом, но каким именно? Ответ на этот вопрос учёным дали обычные плодовые мушки (Drosophila). В начале 70-х годов прошлого века генетикам удалось вывести три линии «сумасшедших» мух-мутантов. Обычно дрозофилы отличаются очень упорядоченным поведением: питаются и спариваются только в дневные часы, «отдыхают» ночью. И всё это жёстко запрограммировано на генетическом уровне. Но у мутантов строгий порядок был нарушен – мухам из первой линии «казалось», что в сутках 28 часов, второй – всего 19, а третьи вообще вели себя как современные городские жители – ели ночью и спаривались в любое время. Оказалось, что за все эти сбои в «биологических часах» мух отвечает один и тот же ген. Ученые назвали его period.

На основе информации, содержащейся в генах, наши клетки производят различные белки. Джеффри Холлу и Майклу Росбашу удалось установить последовательность нуклеотидов (элементарных букв генетического «алфавита») в гене period, а затем и синтезируемый благодаря ему белок PER. Независимо те же результаты получил и Майкл Янг.

За ответ на вопрос, как этот ген и белок регулировали суточное поведение мух, учёные и получили свои премии. Им удалось выяснить, что количество белка PER в клетках дрозофил колеблется. Он интенсивно вырабатывается и накапливается в вечерние часы, а утром распадается. Максимум концентрации белка приходился на ночь, а днём в клетках его почти не было. На основании этих данных биологи предположили, что PER сам регулирует свою выработку.

В вечерние часы ген period «включается», и начинается производство белка PER. Постепенно его накапливается всё больше и больше. Спустя время он проникает в ядро клетки, где находятся хромосомы с ДНК. Там PER «выключает» ген period, приостанавливая дальнейший синтез. Затем весь накопившийся белок PER распадается, его концентрация в клетке падает, и ген period вновь самопроизвольно «включается». И так каждый день. Всё это по-научному называется «петля обратной связи». Именно за счёт неё цикл устойчиво повторяется вновь и вновь. Много белка – муха спит, мало белка – занимается своими делами. Дополнительно Майкл Янг установил, что белок PER не может проникнуть в ядро клетки сам, а только соединившись с другим белком TIM, закодированным геном timeless.

Какая польза от этого открытия

Мухи-мутанты не только отличались странным поведением, но и жили меньше своих сородичей. А что мухе смерть, то и русскому плохо. Как показывают многочисленные социологические исследования, большинство россиян страдает от недосыпа. В мегаполисах трудяги спят меньше 6 часов в сутки. Многие люди работают посменно – сутки через двое — или по ночам. А как показали в 2015 году американские специалисты по ожирению, одна бессонная ночь равняется полугоду злоупотребления фастфудом и повышает риск возникновения диабета.

При этом важно, что в больших городах уже никогда не будет условий, способствующих нормальному ритму сна и бодрствования. Всё это ведёт к печальным последствиям. По сообщению президента общества сомнологов Романа Бузунова, около 60% граждан России страдают хроническими расстройствами сна. И решить эту проблему можно только за счёт создания новых лекарственных препаратов здесь., влияющих на молекулярные механизмы регуляции циркадных ритмов и помогающих отремонтировать поломанные «биологические часы». А для этого необходимо в мелочах понимать, как они работают. Благодаря открытию нобелевских лауреатов этого года человечество приблизилось к этому сокровенному знанию.

Полная версия статьи.