Βραβείο Νόμπελ για τις ανακαλύψεις βιολογικών ρολογιών

Ενενήντα λεπτά πριν τα ξημερώματα στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες, η επιτροπή Νόμπελ ανακοίνωσε ότι απονέμει το φετινό Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής σε τρεις Αμερικανούς βιολόγους για την έρευνά τους στον έλεγχο των κιρκάδιων ρυθμών. Ο Jeffrey C. Hall στο Πανεπιστήμιο του Maine, ο Michael Rosbash στο Brandeis University και ο Michael W. Young στο Πανεπιστήμιο Rockefeller μοιράζονται το βραβείο για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με τους γενετικούς και βιομοριακούς μηχανισμούς που βοηθούν τα κύτταρα των φυτών και των ζώων (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων) να σηματοδοτήσουν το 24ωρος κύκλος ημέρας και νύχτας. Αυτή η έρευνα έγινε ακρογωνιαίος λίθος της επιστήμης της χρονοβιολογίας, της μελέτης του τρόπου με τον οποίο οι οργανισμοί παρακολουθούν τον χρόνο και προσαρμόζονται στους κύκλους του.

«Είναι ένα πραγματικά όμορφο παράδειγμα βασικής έρευνας που οδήγησε σε απίστευτες ανακαλύψεις», σχολίασε ο Paul Hardin, ο οποίος σπουδάζει χρονοβιολογία στο Texas A&M University. «Σχεδόν κάθε πτυχή της φυσιολογίας και του μεταβολισμού θα ελέγχεται από το κιρκάδιο ρολόι». Για παράδειγμα, στην περίπτωση των θηλαστικών, είπε, το 20-30 τοις εκατό των γονιδίων σε κάθε δεδομένο ιστό μπορεί να είναι υπό τον έλεγχο ενός εσωτερικού ρολογιού. "Αλλά αν πάρετε όλους τους ιστούς του σώματος, η συντριπτική πλειονότητα των γονιδίων είναι υπό έλεγχο ρολογιού στον έναν ή τον άλλον ιστό."

Η Josephine Arendt, ομότιμη καθηγήτρια ενδοκρινολογίας στο Πανεπιστήμιο του Surrey που μελετά τους κιρκαδικούς ρυθμούς, συμφώνησε σχετικά με τη σημασία της εργασίας που κέρδισε το φετινό βραβείο. Η υγεία και η φυσική κατάσταση μπορεί να επηρεαστούν βαθιά από διαταραχές που απορρίπτουν αυτόν τον 24ωρο μηχανισμό μέτρησης του χρόνου ή οποιοδήποτε από τα νευρολογικά και ορμονικά συστήματα που βασίζονται σε αυτόν. «Η δουλειά τους στηρίζει [αυτό] ανθρώπων σαν εμένα που ενδιαφέρονται να εφαρμόσουν τις κιρκαδικές αρχές στην ανθρώπινη υγεία», είπε.

Η μελέτη των κιρκάδιων ρυθμών χρονολογείται τουλάχιστον από τον 18ο αιώνα, όταν οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι ορισμένα φυτά άνοιγαν τα φύλλα τους με την ανατολή του ηλίου και τα έκλειναν κατά τη δύση του ηλίου, ακόμη και αν δεν υπήρχαν ενδείξεις φωτισμού. Αργότερα στοιχεία έδειξαν ότι ουσιαστικά όλοι οι οργανισμοί είχαν κάποιο εσωτερικό βιολογικό ρολόι που τους επέτρεπε να ταιριάξουν τη φυσιολογία τους με τον κύκλο ημέρας-νύχτας. Εργασίες στη δεκαετία του 1970 από τους Ronald Konopka και Seymour Benzer έδειξε ότι αυτό το ρολόι ήταν υπό γενετικό έλεγχο, επειδή οι μεταλλάξεις θα μπορούσαν να το διαταράξουν. Το όνομα περίοδος δόθηκε σε αυτό το γονίδιο αλλά λίγα άλλα ήταν γνωστά γι' αυτό. Πράγματι, το πώς ένα γονίδιο θα μπορούσε να επιτρέψει στα κύτταρα να διατηρούν τον χρόνο παρέμεινε ένα μυστήριο.

Οι απαντήσεις άρχισαν να εμφανίζονται το 1984, όταν ο Hall και ο Rosbash που εργάζονταν στο Brandeis και ο Young στο Rockefeller απομόνωσαν ανεξάρτητα την περίοδο γονίδιο στις μύγες των φρούτων. Οι Hall και Rosbash έδειξαν ότι οι κυτταρικές συγκεντρώσεις της πρωτεΐνης γίνονται κατά περίοδο , PER, ήταν υψηλά κατά τη διάρκεια της ημέρας και στη συνέχεια έπεφταν τη νύχτα, όπως αρμόζει σε ένα γονίδιο χρονομέτρησης 24 ωρών.

Οι ερευνητές του Brandeis υπέθεσαν ότι ένας βρόχος ανάδρασης μπορεί να διέπει αυτό το σύστημα γονιδίου-πρωτεΐνης:Όταν οι συγκεντρώσεις του PER ανέβηκαν αρκετά ψηλά, έκλεισαν τη δραστηριότητα της περιόδου . Όταν το PER υποβαθμίζεται, περίοδος θα μπορούσε να ξεκινήσει ξανά. Το PER θα μπορούσε έτσι να αναστείλει τη δική του σύνθεση. Το πρόβλημα σε αυτό το σχήμα ήταν ότι για να λειτουργήσει, κάτι έπρεπε να μεταφέρει το PER από το κυτταρόπλασμα του κυττάρου, όπου δημιουργήθηκε, στον πυρήνα όπου η περίοδος κατοίκησε. Ο Hall και ο Rosbash έδειξαν ότι το PER έμπαινε στον πυρήνα, αλλά δεν ήταν σαφές πώς μέχρι το 1994, όταν ο Young ανακάλυψε το διαχρονικό γονίδιο, το οποίο ήταν επίσης απαραίτητο για τους σωστούς κιρκάδιους ρυθμούς. Η πρωτεΐνη που παράγεται από το timeless , TIM, ασφαλίζει στο κυτταροπλασματικό PER και το συνοδεύει στον πυρήνα για να αναστείλει την περίοδο . Ο Young αργότερα αναγνώρισε ένα τρίτο γονίδιο, το doubletime , που καθυστερεί επίσης τη συσσώρευση του PER στα κύτταρα για να βελτιώσει περαιτέρω τη σύνδεση αυτού του κιρκάδιου μηχανισμού με την ώρα της ημέρας.

Ο Andrew Millar, πρόεδρος της βιολογίας συστημάτων στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και ειδικός στους κιρκαδικούς ρυθμούς των φυτών, σημείωσε ότι ο ακριβής μηχανισμός γενετικού ρολογιού που εντόπισαν οι Hall, Rosbash και Young ήταν συγκεκριμένος για τα ζώα, αλλά ότι εννοιολογικά παρόμοιοι μηχανισμοί που χτίστηκαν γύρω από ανάλογα γονίδια ήταν σύντομα εντοπίστηκε σε φυτά, μύκητες, βακτήρια και άλλους οργανισμούς από άλλους ερευνητές. "Είναι το εύρος της εφαρμογής της έρευνας βιολογικού ρυθμού που την κάνει τόσο συναρπαστική", είπε.

Η χρονοβιολογία είναι επομένως ένας τομέας στις πρώτες μέρες της. Οι ερευνητές εξακολουθούν να προσπαθούν να κατανοήσουν πλήρως τη σύνδεση μεταξύ του κιρκάδιου ρυθμού μέσα στα κύτταρα και της ανάγκης των ζώων για ύπνο. Όχι μόνο διαφορετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν διάφορους μηχανισμούς για να διατηρήσουν τους κιρκάδιους ρυθμούς και άλλους χρονικούς κύκλους, ορισμένα κύτταρα του σώματος μπορεί να χρησιμοποιούν εξειδικευμένα συστήματα μέτρησης χρόνου για εξειδικευμένες λειτουργίες. Νέοι βιολογικοί ρυθμοί — και η επιρροή τους στους οργανισμούς — συνεχίζουν να ανακαλύπτονται. Ωστόσο, η ανατομή αυτού του κιρκάδιου συστήματος χρονομέτρησης από αυτούς τους επιστήμονες αποτελεί ήδη ένα επίτευγμα ορόσημο.

Αυτή η ανάρτηση ενημερώθηκε στις 2 Οκτωβρίου με επιπλέον σχόλια από ειδικούς της χρονοβιολογίας.