Объявлением лауреатов премии по физиологии и медицине началась в понедельник в Стокгольме ежегодная Нобелевская неделя. Нобелевский комитет заявил, что в этой номинации премии за 2017 год удостоены исследователи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг за

открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы — циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи.

Жизнь на Земле адаптирована к вращению планеты. Уже давно было установлено, что все живые организмы, от растений до людей, обладают биологическими часами, которые позволяют организму приспосабливаться к изменениям, происходящим в течение суток в окружающей среде. Первые наблюдения в этой области были сделаны еще в начале нашей эры, с XVIII века начались более тщательные исследования.

К XX веку циркадные ритмы растений и животных были изучены достаточно полно, но оставалось секретом, как именно работают «внутренние часы». Этот секрет удалось раскрыть американским генетикам и хронобиологам Холлу, Росбашу и Янгу.

Модельным организмом для исследований стали плодовые мушки. Команде исследователей удалось обнаружить у них ген, контролирующий биологические ритмы.

Ученые выяснили, что этот ген кодирует белок, который накапливается в клетках на протяжении ночи и разрушается в течение дня.

Впоследствии они выделили и другие элементы, отвечающие за саморегуляцию «клеточных часов» и доказали, что биологические часы аналогичным образом работают и у других многоклеточных организмов, включая людей.

Внутренние часы адаптируют нашу физиологию к совершенно разному времени суток. От них зависит наше поведение, сон, метаболизм, температура тела, уровни гормонов. Наше самочувствие ухудшается, когда появляется несоответствие между работой внутренних часов и окружающей средой. Так, на резкую смену часового пояса организм реагирует бессонницей, усталостью, головной болью. Синдром смены часового пояса, джетлаг, уже несколько десятков лет входит в Международную классификацию болезней. Несовпадение образа жизни с ритмами, диктуемыми организмом, приводит к повышению риска развития множества заболеваний.

Первые задокументированные эксперименты с внутренними часами провел в XVIII веке французский астроном Жан-Жак де Меран. Он обнаружил, что листья мимозы опускаются с приходом темноты и вновь расправляются утром. Когда де Меран решил проверить, как растение будет вести себя без доступа света, оказалось, что листья мимозы опускались и поднимались независимо от освещения - эти явления были связаны с изменением времени суток.

В дальнейшем ученые выяснили, что подобные явления, подстраивающие организм под изменения условий в течение суток, есть и у других живых организмов.

Они были названы циркадными ритмами, от слов circa - «вокруг» и dies - «день». В 1970-х годах физик и молекулярный биолог Сеймур Бензер задался вопросом, можно ли идентифицировать ген, контролирующий циркадные ритмы. Ему удалось это сделать, ген получил название period, но механизм контроля оставался неизвестен.

В 1984 году узнать его удалось Холлу, Ройбашу и Янгу.

Они изолировали необходимый ген и выяснили, что он отвечает за процесс накопления и разрушения в клетках ассоциированного с ним белка (PER) в зависимости от времени суток.

Следующей задачей исследователей стало разобраться, как возникают и поддерживаются циркадные колебания. Холл и Росбаш предположили, что накопление белка блокирует работу гена, тем самым регулируя содержание белка в клетках.

Однако, чтобы заблокировать работу гена, белок, образующийся в цитоплазме, должен добраться до ядра клетки, где находится генетический материал. Оказалось, что PER действительно ночью встраивается в ядро, но как он туда попадает?

В 1994 году Янг открыл еще один ген, timeless, кодирующий белок TIM, необходимый для нормальных циркадных ритмов.

Он выяснил, что когда TIM связывается с PER, они оказываются способны проникнуть в ядро клетки, где и блокируют работу гена period благодаря ингибированию по принципу обратной связи.

Но некоторые вопросы все еще оставались без ответа. Например, что контролировало частоту циркадных колебаний? Янг в дальнейшем обнаружил еще один ген, doubletime, отвечающий за образование белка DBT, который задерживал накопление белка PER. Все эти открытия помогли понять, как колебания приспособлены к 24-часовому суточному циклу.

Впоследствии Холл, Ройбаш и Янг сделали еще несколько открытий, дополняющих и уточняющих предыдущие.

Например, они выявили ряд белков, необходимых для активации гена period, а также раскрыли механизм, с помощью которого внутренние часы синхронизируются со светом.

Наиболее вероятными претендентами на Нобелевскую премию в этой области были названы вирусолог Юань Чанг и ее муж, онколог Патрик Мур, открывшие ассоциированный с саркомой Капоши вирус герпеса восьмого типа; профессор Льюис Кантли, обнаруживший сигнальные пути ферментов фосфоинозитид-3-киназ и изучивший их роль в росте опухолей и профессор Карл Фристон, внесший серьезный вклад в анализ данных, полученных методами визуализации мозга.

В 2016 году лауреатом премии японец Есинори Осуми за открытие механизма аутофагии — процесса деградации и переработки внутриклеточного мусора.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2017 год присуждена американским профессорам Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу. Они изучали механизм, регулирующий циркадные ритмы организма, так называемые клеточные часы. Представляя лауреатов, эксперт Нобелевского комитета особо подчеркнул, что сама эта проблема далеко не нова. Еще в XVIII веке один французский ученый обратил внимание на некоторые цветы, которые раскрываются утром и закрываются на ночь. Биолог поставил эксперимент, поместив цветы в полную тьму на несколько дней. И они вели себя так, словно находились в естественных условиях. Аналогичная картина наблюдалась при изучении других растений и животных. Тогда впервые была выдвинута гипотеза о внутренних часах живых организмов. В чем их суть?

Каждый из нас знает, что такое обычные часы, мы измеряем время с помощью маятника. Но оказывается, почти все живое имеет свои внутренние часы, а вместо маятника в нас "работает" смена дня и ночи, которые являются следствием поворота Земли вокруг своей оси, - сказал корреспонденту "РГ" профессор Сколковского института науки и технологий, профессор Ратгерского университета, заведующий лабораториями в Институте молекулярной генетики РАН и Институте биологии гена РАН Константин Северинов. - С самого начала появления жизни все живое должно было адаптироваться к такой смене. Включить эти маленькие часы в каждой клетке любого организма. И жить по ним. В соответствии с их "показаниями" менять свою физиологию - бегать, спать, питаться и так далее.

Нынешние лауреаты в конце 70-х решили заглянуть внутрь этих часов и понять, как они работают. Для этого они изучали мух дрозофил, отбирали насекомых с мутациями, у которых циклы сна и бодрствования изменены. Скажем, некоторые вообще спали совершено беспорядочно. Так удалось выявить гены, которые отвечают, чтобы циклы были правильные и скоординированные.

А потом ученые разобрались в молекулярной подоплеке этих часов, - говорит Северинов. - Оказалось, выявленные гены так управляют наработкой определенных белков, что ночью они накапливаются, а днем разваливаются. По сути, такое колебание концентрации и является своеобразным маятником в нашем организме. И в зависимости от этого в клетке происходит активация различных генов, что в итоге и управляет многими процессами.

Затем ученые выяснили, что точно такой же механизм работает не только у мух, но и у всего живого. Его придумала природа, чтобы в организме считать время. Практическое значение этого открытия очевидно, скажем, множество психических расстройств связано с нарушением сна из-за сбоев в системе циркадных циклов.

Оценивая присуждение этой премии, ряд специалистов уже заявляют, что это "спокойная премия", она не станет взрывом в мировой науке хотя бы потому, что сделана несколько десятков лет назад. Более того, награждение старых работ становится тенденцией. В то же время Нобелевский комитет прошел мимо сенсационной работы по редактированию генома, что стало бумом последних лет. "Не согласен с таким с мнением, - говорит Северинов. - Редактирование генома свою премию получить успеет, причем это не совсем открытие, а скорее генетическая техника. А клеточные часы - это настоящая, глубокая фундаментальная наука, она объясняет, как устроен мир.

Надо отметить, что прогноз компании Thomson Reuters, которая занимается предсказанием лауреатов с 2002 года и наиболее часто по сравнению с конкурентами угадывает лауреатов, на этот раз ошиблась. Они ставили на американских ученых, которые занимаются проблемами рака.

Церемония награждения лауреатов пройдет по традиции 10 декабря в день кончины основателя Нобелевских премий - шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896). Размер Нобелевской премии в 2017 году составляет девять миллионов шведских крон (миллион долларов США).

Джеффри Холл родился в 1945 году в Нью-Йорке, с 1974 г. работал в Брандейском университете, Майкл Росбаш родился в Канзас-сити, также работает в Брандейском университете, Майкл Янг родился в 1945 году в Майами, работает в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке.

2 октября 2017 в 17:08

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2017 года: молекулярный механизм биологических часов

• Научно-популярное ,
• Биотехнологии ,
• Здоровье гика

2 октября 2017 года Нобелевский комитет огласил имена лауреатов Нобелевской премии 2017 года по физиологии и медицине. 9 млн шведских крон разделят поровну американские биологи Джеффри Холл (Jeffrey C. Hall), Майкл Розбаш (Michael Rosbash) и Майкл Янг (Michael W. Young) за своё открытие молекулярного механизма работы биологических часов, то есть бесконечно зацикленного циркадного ритма жизнедеятельности организмов, в том числе человека.

За миллионы лет жизнь адаптировалась к вращению планеты. Давным-давно известно, что у нас есть внутренние биологические часы, которые предвосхищают и адаптируются ко времени суток. Вечером хочется заснуть, а утром - проснуться. Гормоны выбрасываются в кровь строго по расписанию, а способности/поведение человека - координация, скорость реакции - тоже зависят от времени дня. Но как работают эти внутренние часы?

Открытие биологических часов приписывают французскому астроному Жан-Жаку де Мерану, который в 18 веке обратил внимание, что листья мимозы раскрываются к Солнцу днём и закрываются ночью. Он задался вопросом, как будет вести себя растение, если поместить его в кромешную темноту. Оказалось, что даже в темноте мимоза следовала плану - у неё как будто были внутренние часы.

Позже такие биоритмы нашли у других растений, животных и человека. Практически все живые организмы на планете реагируют на Солнце: циркадный ритм намертво встроен в земную жизнь, в метаболизм всего живого на планете. Но каким образом работает данный механизм - оставалось загадкой.

Нобелевские лауреаты изолировали ген, который контролирует дневной биологический ритм, у мух-дрозофил (у человека и мухи немало общих генов в силу наличия общих предков). Своё первое открытие они сделали 1984 году. Открытый ген назвали period .

Ген period кодирует протеин PER, который накапливается в клетках ночью и разрушается в течение дня. Концентрация белка PER изменяется по 24-часовому графику в соответствии с циркадным ритмом.

Затем они идентифицировали дополнительные компоненты белка и полностью раскрыли самодостаточный внутриклеточный механизм циркадного ритма - в этой уникальной реакции белок PER блокирует активность гена period , то есть PER блокирует синтез самого себя, но постепенно разрушается в течение дня (см. схему вверху). Это самодостаточный бесконечно зацикленный механизм. Он работает по такому же принципу в других многоклеточных организмах.

После открытия гена, соответствующего протеина и общего механизма работы внутренних часов не хватало ещё нескольких кусочков головоломки. Учёные знали, что белок PER ночью накапливается в ядре клетки. Они знали также, что соответствующая mRNA производится в цитоплазме. Непонятно было, как белок попадает из цитоплазмы в ядро клетки. В 1994 году Майкл Янг открыл ещё один ген timeless , который кодирует белок TIM, тоже необходимый для нормальной работы внутренних часов. Он доказал, что если TIM присоединяется к PER, то пара протеинов способна внедриться в ядро клетки, где они и блокируют активность гена period , таким образом замыкая бесконечный цикл производства белка PER.

Выяснилось, что этот механизм с изысканной точностью адаптирует наши внутренние часы ко времени суток. Он регулирует разные критические функции организма, в том числе поведение человека, уровни гормонов, сон, температуру тела и метаболизм. Человек плохо себя чувствует, если наблюдается временное несоответствие между внешними условиями и его внутренними биологическими часами, например, при путешествии на большие расстояния в разные часовые пояса. Есть также доказательства, что хроническое несоответствие образа жизни и внутренних часов связано с повышенным риском возникновения различных заболеваний, в том числе диабета, ожирения, рака и сердечно-сосудистых заболеваний.

Позже Майкл Янг идентифицировал ещё один ген doubletime , кодирующий белок DBT, который замедляет накопление белка PER в клетке и позволяет организму более точно подстраиваться под 24-часовые сутки.

В последующие годы нынешние нобелевские лауреаты более подробно осветили участие в циркадном ритме других молекулярных компонентов, они нашли дополнительные протеины, которые участвуют в активации гена period , а также выяснили механизмы, как свет помогает синхронизировать биологические часы с внешними условиями среды.

Слева направо: Майкл Розбаш, Майкл Янг, Джеффри Холл

Исследование механизма внутренних часов ещё далеко не закончено. Мы знаем только основные части механизма. Циркадная биология - изучение внутренних часов и циркадного ритма - выделилась в отдельное бурно развивающееся направление исследований. И всё это произошло благодаря трём нынешним лауреатам Нобелевской премии.

Специалисты уже несколько лет обсуждали, что за молекулярный механизм циркадных ритмов дадут Нобелевскую премию - и вот это событие наконец произошло.

В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины. На этот раз премии удостоились Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг (Jeffrey Hall, Michael Rosbash, Michael Young) за открытие молекулярных механизмов, лежащих в основе циркадных ритмов - суточных колебаний различных параметров организма, характерных практически для всех живых существ. Прямая трансляция объявления победителя велась на сайте Нобелевского комитета. Подробнее о работе лауреатов можно узнать в пресс-релизе Нобелевского комитета.

Исследователи независимо друг от друга открыли на плодовой мушке Drosophila melanogaster ген и белок period , концентрация которого колеблется с периодичностью 24 часа и определяет работу «биологических часов» животного.

Циркадные ритмы (от латинских слов circa и diem , что переводится примерно как «в течение дня»), которые чаще называют биологическими часами, обнаружены у бактерий, грибов, растений и животных и представляют собой биохимический осциллятор, т.е. регулярную колебательную систему. Биологические часы регулируют не только чередование сна и бодрствования, но и пищевое поведение, а у млекопитающих - кровяное давление и концентрацию гормонов (в частности, кортизола и мелатонина). Несмотря на их «внутреннюю» природу, активность часов регулируется внешними факторами, главным из которых является свет.

Впервые мутации, нарушающие циркадные ритмы (clock mutations), были обнаружены Рональдом Конопкой и Сеймуром Бензером - их публикация, описывающая мух с нарушенным режимом вышла в 1971 году (оба исследователя уже умерли, а посмертно премию не вручают). Ученые дали соответствующее название (period) локусу, в котором были сосредоточены мутации.

Более основательное изучение биологических часов на молекулярном уровне началось в 80х годах в лаборатории Янга в университете Рокфеллера и в университете Брандейса, в котором работали Холл и Росбаш. Нынешние лауреаты Нобелевской премии независимо друг от друга определили координаты гена period и его нуклеотидную последовательность.

Холл и Ройбаш смогли идентифицировать продукт гена period - белок PER. Ночью этот белок накапливается, а в течение дня деградирует. Колебания концентрации белка PER соответствовали циркадным ритмам мух. Оказалось, что PER регулирует экспрессию собственного гена, однако для этого ему необходим партнер - белок TIM, кодируемый геном timeless . Майкл Янг в своей работе идентифицировал этот ген и показал, как комплекс белков PER и TIM попадает в ядро и блокирует активность гена period.

Всего за последующие 30 лет с момента идентификации гена period на дрозофиле было открыто десять генов, работа которых полностью определяет циркадные ритмы. Шесть из десяти генов были найдены в лаборатории Янга в университете Рокфеллера. Там же было показано, что почти семь процентов генов в мозге дрозофилы экспрессируются согласно колебаниям циркадного ритма.

Нобелевский комитет выбрал победителей из списка кандидатов, включающего 361 заслуженного ученого. По прогнозам журналистов и агентства Clarivate Analytics , которое предсказывает лауреатов на основании индекса цитируемости их научных работ, премию в этом году могли бы вручить за изучение механизмов развития рака, либо за разработки в области иммуно-онкологии - открытия, позволившие создать препараты для лечения рака на основе антител. Однако предсказатели снова ошиблись. Основанием для подобного прогноза стало предположение, что Нобелевский комитет должен чередовать премии за фундаментальные открытия с премиями за практические разработки.

Дарья Спасская

Нобелевский комитет сегодня определился с лауреатами премии по физиологии и медицине 2017 года. В этом году премия снова отправится в США: награду разделили Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн. Согласно решению Нобелевского комитета, эти исследователи награждены «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы»..

Нужно сказать, что за всю 117-летнюю историю Нобелевской премии это, пожалуй, первая премия за изучение цикла «сон-бодрствование», как и вообще за что-либо связанное с сном. Не получил премию знаменитый сомнолог Натаниэль Клейтман, а совершивший самое выдающееся открытие в этой области Юджин Азеринский, открывший REM-сон (REM - rapid eye movement, фаза быстрого сна), вообще получил за свое достижение лишь степень PhD. Неудивительно, что в многочисленных прогнозах (о них мы в своей заметке) звучали какие угодно фамилии и какие угодно темы исследований, но не те, которые привлекли внимание Нобелевского комитета.

За что дали премию?

Итак, что же такое циркадные ритмы и что конкретно открыли лауреаты, которые, по словам секретаря Нобелевского комитета, встретили известие о награде словами «Are you kidding me?».

Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг

Circa diem с латинского переводится как «вокруг дня». Так уж сложилось, что мы живем на планете Земля, на которой день сменяется ночью. И в ходе приспособления к разным условиям дня и ночи у организмов и появились внутренние биологические часы - ритмы биохимической и физиологической активности организма. Показать, что у этих ритмов исключительно внутренняя природа, удалось только в 1980-х, отправив на орбиту грибы Neurospora crassa . Тогда стало ясно, что циркадные ритмы не зависят от внешних световых или других геофизических сигналов.

Генетический механизм циркадных ритмов обнаружили в 1960–1970-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка, которые изучали мутантные линии дрозофил с отличающимися циркадными ритмами: у мушек дикого типа колебания циркадного ритма имели период 24 часа, у одних мутантов - 19 часов, у других - 29 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. Оказалось, что ритмы регулируются геном PER - period . Следующий шаг, который помог понять, как появляются и поддерживаются такие колебания циркадного ритма, сделали нынешние лауреаты.

Саморегулирующийся часовой механизм

Джеффри Холл и Майкл Росбаш предположили, что кодируемый геном period белок PER блокирует работу собственного гена, и такая петля обратной связи позволяет белку предотвращать собственный синтез и циклически, непрерывно регулировать свой уровень в клетках.

Картинка показывает последовательность событий за 24 часа колебаний. Когда ген активен, производится м-РНК PER. Она выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Это и замыкает петлю обратной связи.

Модель была очень привлекательной, но для полной картины не хватало нескольких деталей паззла. Чтобы заблокировать активность гена, белку нужно пробраться в ядро клетки, где хранится генетический материал. Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре за ночь, но не понимали, как ему удается попадать туда. В 1994 году Майкл Янг открыл второй ген циркадного ритма, timeless (англ. «безвременный»). Он кодирует белок TIM, который нужен для нормальной работы наших внутренних часов. В своем изящном эксперименте Янг продемонстрировал, что, только связавшись друг с другом, TIM и PER в паре могут проникнуть в ядро клетки, где они и блокируют ген period .

Упрощенная иллюстрация молекулярных компонентов циркадных ритмов

Такой механизм обратной связи объяснил причину появления колебаний, но было непонятно, что же контролирует их частоту. Майкл Янг нашел другой ген, doubletime . В нем «записан» белок DBT, который может задержать накапливание белка PER. Так и происходит «отладка» колебаний, чтобы они совпадали с суточным циклом. Эти открытия совершили переворот в нашем понимании ключевых механизмов биологических часов человека. В течение последующих лет были найдены и другие белки, которые влияют на этот механизм и поддерживают его стабильную работу.

Например, лауреаты этого года обнаружили дополнительные белки, которые заставляют ген period работать, и белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы (или при резкой смене часовых поясов вызывает джетлаг).

О премии

Напомним, что Нобелевская премия по физиологии и медицине (стоит заметить, что в оригинальном названии на месте «и» звучит предлог «или») - одна из пяти премий, определенных завещанием Альфреда Нобеля 1895 года и, если следовать букве документа, должна ежегодно вручаться «за открытие или изобретение в области физиологии и медицины», сделанное в предыдущий год и принесшее максимальную пользу человечеству. Впрочем, «принцип прошлого года» не соблюдался, кажется, почти никогда.

Сейчас премия по физиологии и медицине традиционно присуждается в самом начале нобелевской недели, в первый понедельник октября. Впервые ее вручили в 1901 году за создание сывороточной терапии дифтерии. Всего за всю историю премия была вручена 108 раз, в девяти случаях: в 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 и 1942 годах - премия не присуждалась.

За 1901–2017 годы премия присуждена 214 ученым, дюжина из которых - женщины. Пока что не было случая, чтобы кто-то получил премию по медицине дважды, хотя случаи, когда номинировали уже действующего лауреата, были (например, наш ). Если не учитывать премию 2017 года, то средний возраст лауреата составил 58 лет. Самым молодым нобелиатом в области физиологии и медицины стал лауреат 1923 года Фредерик Бантинг (премия за открытие инсулина, возраст - 32 года), самым пожилым - лауреат 1966 года Пейтон Роус (премия за открытие онкогенных вирусов, возраст - 87 лет).