Nobelprisen i fysiologi og medisin - 2017 • Elena Naimark • Vitenskapsnyheter om "Elementer" • Nobelpriser, genetikk, sirkadiske rytmer

Nobelprisen i fysiologi og medisin – 2017

Vinnerne av Nobelprisen i fysiologi og medisin 2017. Fra venstre til høyre: Jeffrey Hall, Michael Rosbash og Michael Young. Bilder fra washington.edu, brandeis.edu og rockefeller.edu

2017 Nobelprisen ble tildelt for å finne og studere molekylære mekanismer som styrer sirkadiske rytmer – interne klokker som virker i levende organismer, tilpasser vital aktivitet til veksling av dag og natt. Det overveldende flertallet av fysiologiske prosesser er forbundet med sirkadiske rytmer. Tre amerikanske forskere, Jeffrey Hall, Michael Rosbash og Michael Young ble vinnere. I verkene fra deres vitenskapelige grupper, som har pågått i mer enn ett tiår siden 1970-tallet, ble det opprettet en ny vitenskap praktisk fra grunnen, som ble et pålitelig grunnlag for videre forskning.

I 2017 ble Nobelprisen i fysiologi og medisin tildelt tre amerikanske forskere, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash og Michael W. Young, som dannet vårt moderne syn på sirkadiske rytmer som avslørte deres natur og litt – mekanismene i sitt arbeid. Sirkadrytmer er interne klokker som virker for enhver levende organisme, og tilpasser sitt levebrød til veksling av dag og natt. Når jeg selv måtte være overbevist om deres effektivitet.Det skjedde så at, etter å ha gått om sommeren på en to-ukers tur gjennom Nord-Russland, mistet både min kollega og jeg klokken. Det var hvite netter, så det var umulig å bestemme tid på en kjent måte, solen skinnet hele tiden. Det var fortsatt å håpe på sine interne klokker, som som regel settes for en daglig syklus. Faktisk, i to uker "falt de bak" med bare to eller tre timer, slik at vi var på tide for avgang av toget. Uansett, i alle levende organismer regulerer den interne klokken de fysiologiske syklusene av hvile og våkenhet, temperatur, muskelaktivitet hos dyr, oppmerksomhet etc.

Hall, Rosbash og Young begynte sitt epokopparbeid i begynnelsen av 70-tallet, og for å forstå betydningen av deres funn, må du gå tilbake til slutten av 60-tallet, og se hva de daglige rytmene var eksperter interessert i da dagens forskning begynte. Nobelpristagere. I 1729 observert den franske astronomen Jean-Jacques de Meran daglige endringer i mimosa: venstre i mørket, de dekket og utfoldet bladene, uansett lys, i samsvar med deres interne innstillinger for en 24-timers rytme. Fra dette begynte vitenskapen om sirkadiske eller sirkadiske rytmer (fra lat. circa – sirkel dør – dag). To og et halvt århundre senere, på et Cold Spring Harbour Symposium i 1960 med ordene "Daily Rhythms" oppsummerte prestasjonene i dette området og de viktigste aktuelle problemene (se Jürgen Aschoff, 1960. Eksogene og endogene komponenter i sirkadiske rytmer): "Vi vet fortsatt ikke hva slags daglige timer det er. Det er et åpent spørsmål om disse timene går konstant eller begynner å gå og stoppe etter at de har gått gjennom en 24-timers syklus, og da må de startes igjen. Ved bruk av begrepet timer, Vi antar ikke at tallerkenen skal bestå av 24 divisjoner. Klokken må måle tiden, og forskjellige organismer måler tidsperioden som passer for deres formål. Du kan forvente flere timer å jobbe med helt forskjellige tallerkener i en organisme eller en annen. trenger ikke å gå n kan bare ende opp i et bestemt øyeblikk i livet. I dag studeres sirkadiske rytmer ved å måle forskjellige funn av organismer, men ingen kan med sikkerhet si hvordan de observerte endringene er relatert til den interne klokken og følgelig hvilken funksjon som best representerer disse timene. Det ville være svært nyttig hvis vi kunne vise at hvilken funksjon vi tar – eosinofiler, lokomotiv eller noe annet – resultatene av sirkadiske eksperimenter vil alltid være like … "

Som det kan sees, var naturen av sirkadianrytmer på 1970-tallet virkelig ingenting kjent, og det var ikke engang helt klart fra hvilken side å nærme seg dette spørsmålet. På begynnelsen av 1970-tallet lanserte Seymour Benzer og Ronald J. Konopka studier på fruktfluer og identifiserte et gen – de kalte det periode (per) – forbundet med sirkadiske rytmer. Han var på X-kromosomet: han var i stand til å kartlegge, begrense det på begge sider av kjente mutasjoner.

Gene kartlegging perbegrenset til mutasjoner i gener hvit, Zeste og scute. Mutasjoner i denne regionen av Drosophila X-kromosomet (distal del av venstre skulder) førte til utseendet av fluer med inaktive klokker (aperiodiske mutasjoner per0), med en forkortet (pers) og med utvidet (perl) daglig rytme. Figur fra artikkel R.J. Konopka, S. Benzer, 1971. Urmutanter av Drosophila melanogaster

gen per var den første identifiserte materielle bæreren av interne sirkadiske rytmer: noe som er bundet utelukkende i kroppen, ikke miljøet, er forbundet med den sykliske karakteren av fysiologiske manifestasjoner.Mutasjoner i dette genet forstyrret sirkadisk rytme i både larver og hos voksne, så det var genet som kontrollerte daglig fysiologi i alle stadier av utvikling, generasjonsgenet, høynivåregulatoren. Derfor rundt loka per Aktivt arbeid utviklet seg, der Jeffrey Hall og Michael Rosbash ble med.

Ved å bruke den avanserte teknologien for kloning av DNA-segmenter i bakterier, kunne de direkte bevise forbindelsen periode med sirkadianrytmer. Sammen med Ronald Konopka og kollegaer fra University of Massachusetts og New York studerte de først selve strukturen av locuset, isolerte sin funksjonelle del, klonte den i bakterier, og deretter brukte plasmidvektorer innførte normale regioner til fluer mutant i genet per (W. A. ​​Zehring et al., 1984. P-element transformasjon med periode locus DNA gjenoppretter rytmicitet til mutant, arytmisk Drosophila melanogaster). I dag synes dette arbeidet å være omhyggelig, men ganske rutinemessig, og i begynnelsen av 80-årene var det den mest avanserte kanten av vitenskapen. Som et resultat, ble mutadiske rytmer gjenopprettet i mutante fluer med aperiodisk motoraktivitet og andre sykdomsforstyrrelser (spesielt i den mannlige hofte sangen). Deretter identifiserte de flere transkripsjoner fra dette stedet og fant en med interessante egenskaper.For det første var det enten fraværende eller ubetydelig i mutanter, for det andre, i normale fluer endret seg dramatisk i løpet av dagen: i løpet av dagen var det rikelig og om natten var det lite (P. Reddy et al., 1984. Molecular analyse av periode locus i Drosophila melanogaster biologiske rytmer). Det er åpenbart at proteinproduktet, tatt fra dette interessante mRNA, er direkte involvert i reguleringen av den daglige rytmen. Det er med andre ord en kandidat for rollen som hovedpacemakeren til det fysiologiske klokken. De går konstant og krever ikke en daglig plante.

Parallelt ble det samme arbeidet med det samme resultatet ved Rockefeller University i New York gjort av teamet Michael Young, som publiserte resultatene nøyaktig samtidig, i 1984 (T. A. Bargiello et al., 1984. Restaurering av sirkadiske atferdsrytmer ved genoverføring i Drosophila). Det er klart at dette arbeidet ble foretatt av en like nøye undersøkelse av lokas struktur. per og hans transkripsjoner utført av Young og hans kolleger.

Arbeidsplan i 1984, presentert av M. Young med kolleger i natur og D. Hall og M. Rosbash på Cell: Definisjon av deletion, kloning av et savnet sted i en bakteriell vektor, innsetting av et savnet sted i genomet av mutant fluer. Bilde fra T. A. Bargiello et al., 1984. Restaurering av sirkadiske atferdsrytmer ved genoverføring i Drosophila

Ett lag har vist det per uttrykt i nesten alle vev av kroppen (J.C. Hall, M.Rosbash, 1987. Genetisk og molekylær analyse av biologiske rytmer), spesielt i øynene og i hjernen, og et annet lag (M. K. Baylies et al., 1987. Drosophila klokke) viste at varigheten av syklusen avhenger av antall produkter per. Både den ene og den andre brakte forskerne nærmere spørsmålet om mekanismen for regulering av daglige rytmer.

Kommunikasjonsmønster av daglige rytmer og genaktivitet per. Med gen per mRNA transkriberes, med hvilket Periodeproteinet er translatert. Videre hemmer det biokjemiske resultatet X uttrykket per direkte (1) eller gjennom mellomliggende trinn Y ​​(2) eller fører til oppførselen til Z, som selv regulerer uttrykket per. Inhibering og regulering kan påvirke både selve genet. perog mRNA. Spørsmål betyr ukjente molekylære mekanismer. Figur fra P. E. Hardin et al., 1990. Tilbakemelding fra Drosophila ILLA RNA nivåer

Faktisk ville Hall og Rosbash snart (P. E. Hardin et al., 1990. Tilbakemelding fra Drosophila En grunnleggende modell for regulering av sirkadianrytmer er blitt foreslått. Det var basert på ideen om tilbakemelding mellom PER-proteinet og intensiteten av uttrykket for det tilsvarende genet: opphopningen av proteinet hemmer syntesen, og med en reduksjon i mengden protein blir syntesen aktivert. I denne modellen, i tillegg til konseptet,Spørsmål ble spurt (bokstavelig talt): På bekostning av hvilke molekylære mekanismer virker denne sløyfen? Hva er protein og genetiske verktøy for gjennomføringen av denne ordningen? Hvordan påvirker oppførselen daglig rytmer? hvor molekylær regulering oppstår – i kjernen (ekspresjon per) eller cytoplasma (mRNA aktivitet)? Med andre ord ble det utarbeidet et program for fremtidig forskning.

Tar opp immunocytokjemiske eksperimenter, og Rosbash Hall i 1992 godu bestemmes, karakterisert ved at proteinet er konsentrert i PER celler (X. Liu et al., 1992. periode Nuklear koder for et overveiende nukleært protein hos voksne Drosophila). Det viste seg som inne i kjernen. Forskere har konkludert med at PER fungerer som en transkripsjonsfaktor som regulerer sitt eget gen per. Hvordan kommer dette proteinet inn i kjernen, fordi det syntetiseres i cytoplasma?

Dette spørsmålet kunne svare Young, som denne gangen bestemte seg for å se etter andre gener som påvirker den daglige rytmer av Drosophila aktivitet. For dette han og hans kolleger undersøkte 7000 mutasjoner som identifiserer en som tilfredsstiller kravene til periodisitet (A. Sehgal et al., 1994. Tap av cirkadianske rytmer og atferdsmessige per RNA oscillasjoner i Drosophila mutant tidløs). Denne mutasjonen har blitt kalt tidløs (med TIM protein). I mutanter for dette genet ble sirkadiske rytmer brutt. I en serie eksperimenter var det unge laget i stand til å vise det periode og tidløs jobbe sammen, og det er det nylig oppdagede TIM-proteinet som leverer PER til kjernen. Der blokkerer de transkripsjonsfaktorer som utløser sin egen syntese. i mutanter perl Med en utvidet rytme binder det modifiserte PER-proteinet verre for TIM, og det er sannsynlig at leveransen og akkumuleringen av PER / TIM-hemmelig ledd i kjernen forsinkes på grunn av dette. Senere ble det også bevist at antall TIM i en celle varierer med lysintensiteten. Dermed tilpasser kroppens vitale rytme seg til bytte av dag og natt.

Gene lesing periode og tidløs i kjernen, hvor de tilsvarende mRNAene transporteres inn i cytoplasma, hver med sin egen daglige fase. Deres proteinprodukter, når de kombineres, kan komme inn i kjernen og i dette formet bremse sin egen syntese. For å gjøre dette blokkerer de sine egne transkripsjonsfaktorer CLOCK and CYC (BMAL1). Bilde fra what-when-how.com

Etter en tid oppdaget Young og undersøkte et annet gen involvert i reguleringen av sirkadianrytmer. For å gjøre dette tok det 15.000 kromosomer som skulle leses (den andre og tredje kromosomer ble valgt) fra fluene utsatt for et kjemisk mutagen. Som resultat ble to linjer isolert med en ny mutasjon i genet double (DBT) med riktig protein.En av dem – den første oppdaget – forkortet perioden for rytmer: i stedet for 24-timers syklusen ble 18-timers aktivitetssyklus oppnådd. Og den andre, tvert imot, økte syklusperioden til 26-27 timer.

Med defekt DBT fri PER akkumuleres i cytoplasma, og den daglige rytmen forstyrres. Figur fra artikkelen av J. L. Price et al., 1998. double-time Er en roman Drosophila Klokkegen som regulerer PERIOD Proteinakkumulering

Rollen til dette genet (mer presist, dets protein), som det viste seg, er å ødelegge overflødig PER (på grunn av fosforylering) som akkumuleres i cytoplasma. Når TIM kommer inn i cytoplasma, binder de til PER og blir videresendt til kjernen, PER-resten må fjernes fra cytoplasma for å starte neste syklus. Dette er hva DBT gjør. Og hvis det med konstant belysning eller mangel på det, er den sykliske karakteren av kvitteringen av TIM i cytoplasma forstyrret, så er DBT i stand til å opprettholde syklusen selv uten noen lysendring. Det er derfor mutantene DBT Forstyrrelser av daglige sykluser registreres kun i forsøk i mørket, og under normal forandring av lys og mørk fase blir deres daglige rytme ikke forstyrret – TIM-reguleringen utløses. Så DBT sikrer stabiliteten til daglige rytmer under feilene i mørke og lysfaser.

dermedEtter å ha begynt på 70-tallet for å forsket i disiplinen, som besto av noen spørsmål, ved begynnelsen av det nye århundre, re-skapte disse tre forskerne, som ble Nobelprisvinnere i år, faktisk vitenskapen om sirkadiske rytmer. De bygget en substantiv base for svært nyttig og akademisk, og anvendt forskning. Tross alt er de fleste fysiologiske prosesser i levende organismer knyttet til sirkadiske rytmer, og hver prosess er knyttet til dem på egen biokjemisk måte (se for eksempel nyhetene Stamceller i huden og musklene forandrer biorhythmene annerledes under aldring, Elements, 07.09.2017).

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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