Νόμπελ Ιατρικής για τον μοριακό μηχανισμό που ελέγχει τον κιρκαδιανό ρυθμό. Nobel in physiology, medicine awarded to three Americans for discovery of ‘clock genes’

Jeffrey C Hall, Michael Rosbash and Michael W Young, who have been awarded the 2017 Nobel prize in Physiology or Medicine for ‘their discoveries of molecular mechanisms controlling the circadian rhythm’. Photograph: Chinese University Of Hong Kong Handout/EPA

Το εφετινό Βραβείο Νομπέλ Ιατρικής και Φυσιολογίας μοιράζονται τρεις αμερικανοί: ο Τζέφρι Χωλ (Jeffrey C. Hall) του Πανεπιστημίου του Μέιν, ο Μάικλ Ρόσμπαχ (Michael Rosbach) του Πανεπιστημίου Brandeis και ο Μάικλ Γιάνγκ (Michael W. Young) του Πανεπιστημίου Ροκφέλερ για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με τους μηχανισμούς που ελέγχουν τους κιρκαρδικούς ρυθμούς. Με άλλα λόγια, οι τρεις εφετινοί τιμώμενοι ανακάλυψαν πώς δουλεύει το εσωτερικό βιολογικό μας ρολόι.

Όλοι οι οργανισμοί που κατοικούν τον πλανήτη μας έχουν εξελιχθεί έτσι ώστε να συγχρονίζονται με την 24ωρη περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της. Και βεβαίως το ανθρώπινο είδος δεν αποτελεί εξαίρεση. Το γνωρίζει αυτό καλά όποιος έχει πάθει τζετ λαγκ! Δεν είναι όμως μόνο ο κύκλος του ύπνου και της εγρήγορσης που ρυθμίζεται από το βιολογικό μας ρολόι. Από αυτό εξαρτάται ο μεταβολισμός μας, η έκκριση ορμονών, η θερμοκρασία του σώματός μας, ακόμη και η συμπεριφορά μας.

Εξελικτική προσαρμογή

The circadian clock anticipates and adapts our physiology to the different phases of the day. Our biological clock helps to regulate sleep patterns, feeding behavior, hormone release, blood pressure, and body temperature. (The Nobel Assembly at Karolinska Institutet)

Η προσαρμογή των ζωντανών οργανισμών στον κύκλο της Γης είχε γίνει αντικείμενο παρατήρησης από τον 18ο αιώνα. Όσο όμως και αν οι επιστήμονες υποπτεύονταν την ύπαρξη ενός εσωτερικού ρολογιού, ο εντοπισμός του δεν ήταν εύκολη υπόθεση. Μόλις το 1970 διαπιστώθηκε η ύπαρξη γονιδίων που ήλεγχαν τους κιρκαρδικούς ρυθμούς στη δροσόφιλα (Drosophila melanogaster, μύγα του ξυδιού), ένα κλασικό πειραματόζωο ιδανικό για γενετικές μελέτες. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι μεταλλάξεις ενός συγκεκριμένου γονιδίου είχαν σαν αποτέλεσμα να διαταράσσεται ο κιρκαρδικός ρυθμός των πειραματοζώων. Δεν γνώριζαν όμως ποιο ήταν και τι ακριβώς έκανε αυτό το γονίδιο το οποίο για προφανείς λόγους ονόμασαν period (περιοδικότητα).

A simplified illustration of the feedback regulation of the period gene. The figure shows the sequence of events during a 24h oscillation. When the period gene is active, period mRNA is made. The mRNA is transported to the cell's cytoplasm and serves as template for the production of PER protein. The PER protein accumulates in the cell's nucleus, where the period gene activity is blocked. This gives rise to the inhibitory feedback mechanism that underlies a circadian rhythm. (The Nobel Assembly at Karolinska Institutet)

Το 1984, οι Χωλ και Ρόσμπαχ που εργαζόταν στο ίδιο εργαστήριο συνεργάστηκαν με τον Γιανγκ και απομόνωσαν το γονίδιο αυτό, ενώ λίγο αργότερα πέτυχαν να δείξουν ότι η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονίδιο period (η οποία ονομάζεται PER) παράγεται κατά την διάρκεια της νύχτας και αποικοδομείται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτή η κυκλική αυξομείωση της παραγωγής - αποικοδόμησης της πρωτεΐνης PER αποτελεί κομβικό «γρανάζι» του εσωτερικού ρολογιού των μυγών, αλλά και των ανθρώπων.

Αυτοσυντηρούμενος μηχανισμός

Michael Young, co-winner of the 2017 Nobel prize in medicine, speaking about his work on the circadian rhythm at the 2012 Canada Gairdner International Award.

Όπως συμβαίνει συχνά στην επιστήμη, η επίλυση ενός γρίφου γεννά ακόμη περισσότερα ερωτηματικά και το ίδιο έγινε και στην περίπτωση των τριών φετινών βραβευθέντων. Αμέσως μετά τον εντοπισμό και τη διαλεύκανση του ρόλου της πρωτεΐνης PER, το μεγάλο ερώτημα που έχριζε απάντησης ήταν: τι αναστέλλει την παραγωγή της πρωτεΐνης κατά τη διάρκεια της ημέρας; Την απάντηση έδωσε ο Γιάνγκ ο οποίος ανακάλυψε ένα ακόμη γονίδιο (το ονόμασε timeless και την πρωτεΐνη που κωδικοποιεί TIM) και κατέδειξε ότι η πρωτεΐνη TIM προσδένεται στην PER και μαζί εισέρχονται στον πυρήνα του κυττάρου όπου και ρυθμίζουν την έκφραση του γονιδίου period. Με άλλα λόγια, ο μηχανισμός ήταν αυτοσυντηρούμενος, αφού παρήγαγε τα ίδια του τα «γρανάζια»!

Όσο για τον συγχρονισμό του εσωτερικού μας ρολογιού, η εναλλαγή του φωτός και του σκοταδιού παίζουν κεντρικό ρόλο σε αυτό, όπως αποκαλύφθηκε χάρη στις εργασίες άλλων επιστημόνων στη συνέχεια.

Πηγές: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=904748