7 listopada 2017

Nobel za zegar biologiczny

Zbigniew Wojtasiński

Jaki był pierwszy zegar? Z pewnością związany z naturą – zegar słoneczny czy księżycowy (odmierzający ruch Słońca lub Księżyca) albo zegar wodny (przepływ wody). Dopiero później pojawiły się: klepsydra (zegar piaskowy), zegary ogniowe (na świece), a potem oliwne.

Zegar, a raczej wiele zegarów, ma również nasz organizm, ale to odkryto znacznie później, kiedy od dawna używano już wszelkiego rodzaju zegarów mechanicznych. Najpierw jednak w XVIII w. Karol Linneusz w Uppsali opracował zegar kwiatowy, odmierzający czas otwierania się i zamykania w określonym rytmie kwiatów i liści, np. mimozy. Taki zegar „chodził” z dokładnością do kilku minut!

Stworzenie zegara kwiatowego zapoczątkowało badania, które doprowadziły do odkrycia molekularnych mechanizmów zegarów biologicznych, za które w 2017 r. Komitet Noblowski przyznał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Otrzymali ją trzej badacze amerykańscy: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young. Nobel za to odkrycie był oczekiwany od co najmniej 10 lat. Dotyczy ono niemal wszystkich organizmów, ale ściśle związane jest również z tym, czym się zajmują lekarze – z chorobami.

Liście mimozy rozwijają się za dnia, a zamykają o zmierzchu, są zatem dostosowane do rytmów natury. Przełomowe było odkrycie, że kwiat ten umieszczony w ciemnościach zachowuje się tak samo, w tym samym rytmie. A zatem zegar tego kwiatu musi mieć mechanizm wewnętrzny, który powstał w reakcji na cykliczne zjawiska przyrody nieożywionej. I może działać niezależnie od nich, przynajmniej przez pewien czas (zanim powstanie nowe przystosowanie ewolucyjne).

W latach 70. XX w. Seymour Benzer i jego student Ronald J. Konopka postanowili sprawdzić, czy wewnętrzny mechanizm zegara biologicznego nie jest sterowany przez geny, i to był strzał w dziesiątkę. Do eksperymentów wybrali muszkę owocową i znaleźli mutację genu, która zakłócała jej rytm dobowy. Gen otrzymał nazwę „period”.

Obaj badacze zostali pominięci przez Komitet Noblowski. Amerykanin Benzer zmarł w 2007 r., był postacią wyjątkową w nauce. Poza biologią molekularną interesował się fizyką, w latach 40. uczestniczył w badaniach nad radarem, w genetyce odkrył m.in. mutacje nonsensowne. Powstała o nim książka, wydana także w Polsce:  „Czas, miłość, pamięć. Wielki biolog i jego poszukiwania genezy zachowań”.

Ronald J. Konopka, również Amerykanin, zmarł w 2015 r. To on odkrył gen „period” i chyba miał szansę na Nobla, chociaż Komitet Noblowski ma z przyznawaniem nagrody coraz większe problemy, bo jedno odkrycie coraz częściej ma wielu autorów, często ściśle ze sobą współpracujących. Nic dziwnego, że co jakiś czas któryś z badaczy się obraża, że go nie wyróżniono, i salon „pominiętych noblistów” z roku na rok się powiększa.

Zasługi tegorocznych noblistów w dziedzinie medycyny i fizjologii są jednak niepodważalne. Jeffrey C. Hall i Michael Rosbash, ściśle współpracując ze sobą i z Michaelem W. Youngiem, w latach 80. XX w. wyizolowali gen „period”, który koduje białko o nazwie PER.

Białko to gromadzi się w jądrze komórkowym w nocy, a rozkładane jest w dzień. Mechanizm ów może jednak działać w rytmie dobowym niezależnie od pory. Kiedy w jądrze komórkowym jest za dużo białka PER, samo zaczyna hamować swą produkcję. Tę zależność wyjaśnił Young w latach 90. XX w. Opisał drugie białko zegara biologicznego, o nazwie TIM, dzięki któremu może ono przeniknąć do jądra komórkowego (po przyłączeniu się do niego). Uczony wyizolował jeszcze trzecie białko DBT (doubletime) opóźniające gromadzenie się PER.

Te trzy geny nie wyczerpują jeszcze całej chronobiologii, bo składa się na nią wiele innych substancji i hormonów, np. kortyzol i melatonina. Tworzą one orkiestrę symfoniczną różnych genów i białek występujących w komórkach, tkankach wielu narządów wewnętrznych, którymi steruje dyrygent, czyli naczelny zegar. Znajduje się on w mózgu – w jądrach nadskrzyżowaniowych.

Dla medycyny chronobiologia ma ogromne znaczenie, ponieważ geny zegara biologicznego w komórce mają wysoką rangę i regulują również aktywność innych genów. Wpływają m.in. na funkcjonowanie protoonkogenów sprzyjających transformacji nowotworowej. Wyjaśnia to, dlaczego zaburzenia zegara biologicznego sprzyjają wielu chorobom, choćby nowotworom.

Nasz organizm różnie funkcjonuje w ciągu doby, ma okresy większej aktywności oraz „rozleniwienia”. Do zawałów serca częściej dochodzi wcześnie rano. Nawet operacje lepiej się udają w określonych porach dnia.

Człowiek nie jest już tak podporządkowany rytmom dobowym jak dawniej. Może pracować w nocy, błyskawicznie zmieniać strefy czasowe. Ale nasz organizm wciąż jest dostosowany do dnia i nocy, do pewnych rytmów. Być może to się kiedyś zmieni, na skutek nowego przystosowania ewolucyjnego. Nadal jednak pozostaniemy niewolnikami rytmów biologicznych, obojętnie, gdzie będziemy żyć: na Ziemi, na Marsie czy gdziekolwiek indziej w kosmosie. 

Forum dyskusyjne - napisz komentarz

Musisz się zalogować, aby móc dodać komentarz.

Archiwum

Okręgowa Izba Lekarska w Warszawie im. prof. Jana Nielubowicza