W końcu chronobiologia została doceniona w ten najbardziej prestiżowy sposób – nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Trzej odkrywcy (Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young) przez wiele lat swojej wytężonej pracy starali się ustalić, które czynniki są odpowiedzialne za regulację najbardziej fundamentalnego cyklu – dobowego.

Rytm dobowy jest to szereg różnych zmian tzw. oscylacji, m.in. behawioralnych, fizjologicznych i co najważniejsze genetycznych. Rytmy dobowe są konsekwencją działania wewnętrznego mechanizmu, czyli tzw. zegara biologicznego. Tylko jak i na podstawie czego nasz wewnętrzy zegar biologiczny odmierza czas? Poprzez interakcje ze środowiskiem, w którym się znajdujemy, czyli oświetleniem lub jego brakiem, dostępnością pokarmu, temperaturą czy ciśnieniem. Światło jest dla naszego mózgu jednym z najważniejszych „dawców czasu”, czyli takich czynników, który pozwala na generowanie rytmów. Każdy rytm ma swoją charakterystykę i jest odpowiednio interpretowany przez narządy wykonawcze.

Jednym z takich oscylatorów rytmów biologicznych ssaków są neurony podwzgórza w jądrach nadskrzyżowaniowych (http://neuropsychologia.org/chronobiologiczne-zaburzenia-snu). Odbierając sygnały ze środowiska zewnętrznego dzięki naszym oczom, a dokładniej drogą siatkówkowo-podwzgórzową, przekazują informację do różnych ośrodków naszego mózgu, po to, aby uruchomić dalsze procesy, np. zachamowania wydzielania melatoniny (hormonu snu) podczas nocnego przeglądania internetu. Wszystkie urządzenia posiadające wyświetlacze LED lub LCD generują większe spektrum światła niebieskiego, które z reguły występuje w naszym środowisku w godzinach porannych. Dajemy naszemu oscylatorowi znać, że trzeba już być aktywnym, a nie iść spać, więc zamiast melatoniny serwujemy sobie dawkę pobudzającej adrenaliny lub kortyzolu (warto pobrać aplikację zmieniającą kolor wyświetlacza na bardziej żółty). Częściowo możemy manipulować naszym zegarem biologicznym i całe szczęście, że przystosowuje się on do zmieniających warunków środowiskowych. Dzięki temu możemy podróżować w różne strefy czasowe, a dyskomfort ze zmianą czasu (ang. jet lag) po kilku dniach mija.

Jednak, „jądrowo-nadskrzyżowaniowy” zegar nie jest naszym jedynym i kto wie, czy nie mniej ważnym niż najmniejsze "genetyczne zegareczki". Nie są one scentralizowane, ale obecne w wielu tkankach naszego organizmu, a rolę oscylatorów pełnią białka. Istnienie zegarów peryferycznych zaobserwowano również u orgaznizmów prokariotycznych, choć największą rolę odegrały tutaj badania na muszce owocówce (Wywilżna karłowata, łac. Dorsophilia melanogaster). Jeśli chodzi o sam organizm modelowy, to jest on nie tylko „powszechnie dostępny” - możliwe, że właśnie lata po Twojej kuchni - jego całe DNA zostało zsekwencjonowane, szybko się rozmnaża i osiąga dojrzałość reprodukcyjną oraz ma 100 000 neuronów.

Znalezienie molekularnego wyjaśnienia dla funkcjonowania rytmu dobowego nawet tych prostych organizmów, stanowiło ogromne wyzwanie. Badania rozpoczęły się w 1971 roku od zaburzenia funkcji genu period (okres) wykazującego rytmiczność - dopiero 1984 roku został on zidentyfikowany i nazwany przez tegorocznych noblistów. Seymour Benzer i Ronald Konopka odkryli, że mutacja pojedynczego genu (per) wpływa na zmianę rytmów aktywności lokomotorycznej poczwarek oraz przepoczwarzania się do formy dojrzałej D. Melanogaster. To odkrycie przyczyniło się do wielu dalszych badań i poszukiwania głównego zegara biologicznego oraz mechanizmów molekularnych - finalnie docenionych przez komitet noblowski. Główny oscylator u Wywilżenej karłowatej znajduje się w mózgu i składa się z około 100-150 neuronów - u ludzi to ok. 20 000.

Gdy nadchodzi noc, budzą się… białka

Na poziomie molekularnym zauważono, że u muszki owocówki zachodzą dobowe oscylacje właśnie w ekspresji genu per kilku grup neuronów. Produktem tejże ekspresji jest białko (PER), które gromadzi się w nocy, a za dnia ulega degradacji. Dzieje się tak na skutek dwóch innych białek CLOCK (CLK) i CYCLE (CYC), które inicjują proces transkrypcji genu per. Jednak nie jest to jedyne białko odpowiedzialne za działanie całego mechanizmu. Tak jak białko PER jest kodowane przez gen per, tak analogicznie białko TIM jest kodowane przez gen tim (timeless). Białko PER i TIM gromadzi się na początku nocy i po osiągnięciu właściwego poziomu agregacji może wniknąć do jądra komórkowego. Odkrycie wiązania się białka PER z białkiem TIM zawdzięczamy Michaelowi Youngowi. Następnie, sparowane białka PER-TIM w jądrze komórkowym blokują transkrypcję genu per i tim. Aby cały cykl trwał 24 godziny, białko DBT (Doubletime) destabilizuje CLK, czyli dodatkowo opóźnia inicjację powstawania białek PER i TIM oraz dodatkowo hamuje gromadzenie się białka PER. Nad ranem dochodzi do degradacji TIM pod wpływem światła, a dokładnie pod wpływem białka CRY. Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego zamyka się i stanowi jeden z trzech przykładów samoregulującego się mechanizmu w molekularnym zegarze biologicznym. Wygląda to trochę jak mgła (m.in. białko PER i TIM), która ścieli się (agreguje) na łące wieczorem i w nocy jest jej najwięcej, a rano kiedy wstaje słońce, powoli zaczyna znikać (pod wpływem DBT i CRY).

Oczywiście jest to tylko schematyczne zarysowanie jednego z kilku podstawowych mechanizmów składających się na zazębiające procesy towarzyszące rytmom okołodobowym. W zależności od organizmu wygląda to trochę inaczej. Niemniej schemat funkcjonowania wygląda bardzo podobnie - jak w zegarku.

Jeśli choć raz widziałeś mechanizm składający się z zębatek np. w zegarku, to częściowo możesz sobie wyobrazić mechanizm działania zegara biologicznego. Opiera się on na zachodzących na siebie - jak zębatki w zegarku - pętlach sprzężeń zwrotnych, procesów transkrypcyjno-translacyjnych oraz już potranslacyjnej modyfikacji białek. Mechanizm nie jest zbyt prosty, ale nie bez powodu jego odkrywcy dostali nagrodę Nobla.

Tegoroczni laureaci w dziedzinie medycyny i fizjologii to tacy trzej molekularni zegarmistrzowie, którzy przez wiele lat zgłębiali to, z jakich cząsteczek, składają się zębatki naszego zegara biologicznego oraz jak współpracują ze sobą i wzajemnie się regulują. Każda zębatka, czyli białko, ma trochę inną konstrukcję i inną funkcję. Dopiero po „wyjęciu” (wyekstrahowaniu) każdego genu i zidentyfikowaniu jego funkcji, czyli wpływu na tworzenie się białek, można było zobaczyć jak na wielu poziomach organizacji funkcjonują nasze molekularne zegary biologiczne.

Te odkrycia mogą przyczynić się do poprawy higieny snu, większej świadomości o funkcjonowaniu otaczających nas organizmów, tkanek złożonych z komórek posiadających molekularne zegary oraz mózgu, który „wybija rytm”. Prawdopodobnie nie tylko lepiej poznamy siebie, ale może uda się stworzyć leki działające w odpowiednim rytmie naszego organizmu czy mieć cierpliwość dla osób wcześniej wstających niż my. 

Bibliografia:

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/advanced-medicineprize2017.pdf

Allada R., Chung B. Y., 2010. Circadian organization of behavior and physiology in Drosophila. Annu. Rev. Physiol. 72, 605-24.

Hege D. M., Stanewsky R., Hall J. C., Giebultowicz J. M., 1997. rhythmic expression of a per-reporter in the Malpighian tubules of decapitated Drosophila: evidence for a brain-independent circadian clock. J. Biol. Rhythms 12, 300-308.

Liu X., Lorenz L., Yu Q., Hall J. C., Rosbash M., 1988. spatial and temporal expression of the period gene in Drosophila melanogaster. Genes Dev. 2, 228-238.

Rosbash M., Bradley S., Kadener S., Li Y., Luo W., Menet J. S., Nagoshi E., Palm K., Schoer R., Shang Y., Tang C. H., 2007. transcriptional feedback and definition of the circadian pacemaker in Drosophila and animals. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 72, 75-83.