Nobelova cena za medicínu 2017 za dešifrovanie mechanizmov biologických hodín ľudského tela
Po 30 rokoch nepretržitého výskumu v chronobiológii získali Jeffrey Hall, Michael Rosbash a Michael Young Nobelovu cenu za „objav molekulárnych mechanizmov, ktoré riadia cirkadiánne rytmy“. Ukázali, ako interakcia medzi rôznymi génmi a proteínmi, ktoré kódujú, spôsobuje molekulárne oscilácie v každej bunke.
Cirkadiánny rytmus je biologický model, ktorý vysvetľuje, ako sa môže fyziológia a správanie organizmu prispôsobiť vonkajšiemu prostrediu, pričom sa predpokladá denný/nočný cyklus.
Mená nositeľov Nobelovej ceny za medicínu boli zverejnené na tlačovej konferencii vo švédskom Štokholme 2. októbra 2017. Zdroj fotografií - REUTERS
Na začiatku 80. rokov sa v laboratóriu profesora Younga na Rockefellerovej univerzite v New Yorku a v laboratóriách profesorov Jeffreyho Halla a Michaela Rosbasha z Brandeis University v Bostone uskutočňovali štúdie, aby sa dešifroval mechanizmus, ktorý stojí za cirkadiánnym rytmom.
použitím octový komár (Drosophila Melanogaster) ako modelový organizmus laureáti Nobelovej ceny izolovali gén, ktorý riadi tento biologický rytmus. Gén kóduje proteín, ktorý dokáže potlačiť svoju vlastnú transkripciu, hromadí sa v bunkách počas noci a potom sa cez deň odbúrava. Postupne bolo objavených niekoľko zložiek tohto mechanizmu a model bol extrapolovaný na ďalšie mnohobunkové organizmy vrátane človeka.
Riasy a biologické hodiny
Do 1970, Seymour Benzer, genetik a biológ z Kalifornského technologického inštitútu, a jeho študent Ronald Konopka preukázali, že mutácie v géne, ktorý neskôr nazvali perióda (PER), narušujú cirkadiánny rytmus octu.
Následne v 1984, Jeffrey Hall a Michael Rosbash, kolegovia z Bradeis University, izolovali gén a zistili, že hladiny proteínu PER kolísali v priebehu 24-hodinového cyklu, synchronizované s cirkadiánnym rytmom. Hypotéza týchto dvoch bola, že existuje proces negatívnej spätnej väzby, proteín PER môže inhibovať svoju vlastnú syntézu, a tak môže vysvetliť reguláciu hladiny proteínu v cyklickom rytme.
Keď gen pravidelne je aktívna, vytvára sa mediátorová RNA, ktorá sa transportuje do cytoplazmy bunky, kde určuje syntézu proteínov PER. Proteíny sa potom hromadia v jadre, kde určujú genetickú inhibíciu. V tom čase ešte nebolo známe, ako sa tieto molekuly dostali do bunkového jadra v cytoplazme.
Bolo potrebné objaviť nový gén - nadčasový, Dr. Michael Young v 1994. Gén zodpovedá proteínu TIM, ktorý po naviazaní na PER vytvára proteínový komplex schopný preniknúť do jadra a blokovať periódový gén. Mechanizmus vysvetľujúci frekvenciu týchto kmitov proteínov PER však nebol vyvolaný. Dr. Young tiež identifikoval gén - doubletime, zodpovedný za produkciu proteínu DBT, ktorý odďaľuje akumuláciu PER.
Výskum pokračoval objavením súboru génov, ktoré zahŕňajú per (obdobie), tim (nadčasové), dbt (dvojnásobné, kazeínkináza 1), clk (hodiny), cyc (cyklus), sgg (chlpaté), Pdp1 (PAR doménový proteín 1), vri (twist), cry (kryptochróm) a ck2 (kazeínkináza 2). Interakcie medzi týmito génmi, ktoré sú založené na spätnoväzbovej slučke, na ktorej sa zúčastňujú PER a TIM, viedli k vzniku modelu tzv. Smyčka spätnej väzby prepisu a prekladu (TTFL).
Aký je cirkadiánny rytmus a ako ovplyvňuje naše zdravie?
Cirkadiánny rytmus označuje akýkoľvek biologický proces, ktorý registruje oscilácie do 24 hodín. Endogénne mechanizmy živých organizmov im umožňujú prispôsobiť sa prostrediu, čo predstavuje stupeň vývoja. „Cirkadiánsky“ znamená asi deň v latinčine (zhruba - deň, deň úmrtia). Okrem 24-hodinového denného rytmu existujú aj týždenné, mesačné, ročné biologické cykly, ktoré sú predmetom štúdia cronobiologiei.
Medzi prvými štúdiami o biologických „hodinách“ boli štúdie zamerané na skúmanie správania rastlín. Napríklad listy mimosa pudica (mimoza) cez noc sa zatvárajú a cez deň otvárajú. Jean Jacques d’Ortous de Mairan, V 18. storočí pozoroval tento jav a premýšľal, čo by sa stalo s rastlinou, keby bola umiestnená do tmy. Zistil, že bez ohľadu na vystavenie svetlu rastlina každý deň pokračuje v zatváracích/otváracích osciláciách. Takéto fluktuácie špecifické pre telo počas dňa boli zistené aj u zvierat a ľudí.
U ľudí sa cirkadiánny rytmus podieľa na regulácii procesov ako napr spánok, strava, krvný tlak, telesná teplota alebo uvoľňovanie hormónov. Štúdie preukázali, že osvojením si životného štýlu, ktorý nezodpovedá rytmu diktovanému biologickými hodinami, hrozí ľuďom vysoké riziko vzniku závažných chorôb - rakoviny, neurodegeneratívnych chorôb, metabolických chorôb atď. Niektoré z biomarkerov, ktoré hodnotia cirkadiánny rytmus, sú: melatonín, hormón zodpovedný za reguláciu cyklu spánok-bdenie, telesná teplota a plazmatické hladiny kortizol, stresový hormón.
spať je to nevyhnutné pre normálne fungovanie mozgu a nedostatok fungovania cirkadiánneho rytmu spôsobuje poruchy spánku aj ďalšie neuropsychiatrické poruchy, ako sú bipolárna porucha, poruchy pamäti, depresia. Porucha v ľudskom náprotivku génu pravidelne (od Drosophila) preukázateľne spôsobuje poruchy spánku - FASPS (Familial Advanced Sleep).
Najnovší výskum sa zameriava na nové prístupy vo vzťahu chronobiológie a farmakológie k identifikácii spôsobov modulácie amplitúdy, periód, fáz biologických rytmov s dopadom na zdravie.