Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan - 2017 • Elena Naimark • Berita Sains mengenai "Unsur" • Hadiah Nobel, Genetik, irama Circadian

Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan – 2017

Pemenang Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan 2017. Dari kiri ke kanan: Jeffrey Hall, Michael Rosbash dan Michael Young. Gambar dari washington.edu, brandeis.edu dan rockefeller.edu

Hadiah Nobel 2017 dianugerahkan untuk penemuan dan kajian mekanisme molekul yang mengawal irama sirkadian – jam dalaman yang berfungsi dalam organisma hidup, menyesuaikan aktiviti penting untuk penggantian siang dan malam. Sebahagian besar proses fisiologi dikaitkan dengan irama sirkadian. Tiga saintis Amerika, Jeffrey Hall, Michael Rosbash dan Michael Young, menjadi pemenang. Dalam karya-karya kumpulan saintifik mereka, yang telah berlangsung lebih dari satu dekad sejak tahun 1970-an, sains baru dicipta secara praktikal dari awal, yang menjadi asas yang boleh dipercayai untuk penyelidikan selanjutnya.

Pada tahun 2017, Hadiah Nobel dalam Fisiologi dan Perubatan dianugerahkan kepada tiga saintis Amerika, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash dan Michael W. Young, yang membentuk pandangan moden kita mengenai irama circadian yang mendedahkan sifat mereka dan sedikit – mekanisme kerja mereka. Irama sirkadian adalah jam dalaman yang berfungsi untuk mana-mana organisma hidup, menyesuaikan mata pencahariannya untuk penggantian siang dan malam. Sebaik sahaja saya sendiri perlu yakin tentang keberkesanannya.Begitu juga, setelah pergi musim panas pada kenaikan dua minggu melalui utara Rusia, rakan sekerja saya dan saya terlupa jam. Ia adalah malam-malam putih, jadi mustahil untuk menentukan masa dengan cara biasa, matahari bersinar sepanjang masa. Ia tetap berharap untuk jam dalaman mereka, yang, sebagai peraturan, ditetapkan untuk kitaran harian. Memang, dalam masa dua minggu mereka "tertinggal" hanya dengan dua atau tiga jam, sehingga kami berada pada waktunya untuk melepaskan kereta api. Bagaimanapun, dalam semua organisma hidup, jam dalaman mengawal kitaran fisiologi rehat dan terjaga, suhu, aktiviti otot pada haiwan, perhatian, dan sebagainya.

Hall, Rosbash dan Young memulakan kerja pembuatan zaman mereka pada awal tahun 70-an, dan untuk memahami pentingnya penemuan mereka, anda perlu kembali ke penghujung tahun 60-an, dan melihat apa yang ahli-ahli irama harian tertarik apabila penyelidikan semasa dimulakan. Pemenang Hadiah Nobel. Pada tahun 1729, ahli astronomi Perancis, Jean-Jacques de Meran melihat perubahan di mimosa pada waktu pagi: tertinggal dalam kegelapan, dia menutup dan membuka daun, tidak kira cahaya, mengikut tetapan dalaman mereka untuk irama 24-jam. Dari ini bermula sains sirkadian atau circadian irama (dari lat. kira-kira – bulatan mati – hari). Dua setengah abad kemudian, di Simposium Pelabuhan Cold Spring pada tahun 1960 dengan mengatakan "Rhythm harian" merumuskan pencapaian di kawasan ini dan isu-isu semasa utama (lihat Jürgen Aschoff, 1960. Komponen Eksogen dan Endogen di Circadian Rhythms): "Kami masih tidak tahu apa-apa mengenai jenis jam harian yang tetap menjadi persoalan terbuka sama ada jam-jam ini terus berjalan atau berhenti dan berhenti selepas menjalani kitaran 24 jam, dan kemudian mereka perlu dimulakan semula. kita tidak menganggap bahawa dail itu harus terdiri daripada 24 bahagian. Jam harus mengukur masa, dan organisma yang berbeza mengukur tempoh masa yang sesuai untuk tujuan mereka. Anda boleh mengharapkan beberapa jam untuk bekerja dengan panggilan yang sama sekali berbeda dalam satu organisme atau yang lain. tidak perlu pergi n Pada masa ini, irama sirkadian dikaji dengan mengukur pelbagai fungsi organisma, tetapi tidak ada yang boleh mengatakan dengan yakin bagaimana perubahan yang diamati berkaitan dengan jam dalaman dan, dengan itu, yang mana fungsi terbaik mewakili ini jam. Ia akan sangat berguna jika kita dapat menunjukkan bahawa fungsi apa saja yang kita ambil – eosinofil, atau pergerakan, atau sesuatu yang lain – hasil eksperimen sirkadian akan selalu sama … "

Seperti yang dapat dilihat, sifat irama sirkadian pada tahun 1970-an benar-benar tidak diketahui, dan ia tidak begitu jelas dari sisi mana untuk mendekati soalan ini. Pada awal 1970-an, Seymour Benzer dan Ronald J. Konopka melancarkan kajian mengenai lalat buah, mengenal pasti satu gen – mereka memanggilnya tempoh (per) – dikaitkan dengan irama sirkadian. Beliau berada di kromosom X: dia dapat memetakan, mengehadkannya pada kedua belah pihak oleh mutasi yang diketahui.

Pemetaan gen perterhad kepada mutasi dalam gen putih, zeste dan scute. Mutasi di kawasan kromosom X Drosophila ini (bahagian tengah bahu kiri) membawa kepada penampilan lalat dengan jam tidak aktif (mutasi aperiodic per0), dengan dipendekkan (pers) dan dengan lanjutan (perl) irama harian. Gambar dari artikel R. J. Konopka, S. Benzer, 1971. Jam Mutants of Drosophila melanogaster

Gen per adalah pembawa bahan pertama yang dikenal pasti dalam irama circadian dalaman: sesuatu yang melekat secara eksklusif dalam tubuh, bukan persekitaran, dikaitkan dengan sifat kitaran manifestasi fisiologi.Mutasi dalam gen ini mengganggu irama sirkadian di kedua-dua larva dan pada orang dewasa, jadi gen yang mengendalikan fisiologi setiap hari di semua peringkat pembangunan, gen tindakan umum, pengatur peringkat tinggi. Oleh itu, sekitar lokus per kerja aktif dibuka, di mana Jeffrey Hall dan Michael Rosbash bergabung.

Dengan menggunakan teknologi canggih pengklonan segmen DNA dalam bakteria, mereka dapat membuktikan sambungan langsung tempoh dengan irama sirkadian. Bersama-sama dengan Ronald Konopka dan rakan-rakan dari University of Massachusetts dan New York, mereka pertama kali mengkaji struktur lokus itu sendiri dengan ketepatan yang lebih tinggi, mengasingkan bahagian fungsinya, mengklonkannya dalam bakteria, dan kemudian menggunakan vektor plasmid memperkenalkan kawasan normal ke dalam mutan lalat dalam gen per (W. A. ​​Zehring et al., 1984). Transformasi P-unsur dengan tempoh locus DNA mengembalikan rhythmicity kepada mutant, arrhythmic Drosophila melanogaster). Hari ini, kerja sedemikian seolah-olah menjadi teliti, tetapi agak rutin, dan pada awal tahun 80-an ia merupakan kelebihan sains paling maju. Hasilnya, dalam lalat mutan dengan aktiviti motor aperiodik dan gangguan lain yang bersifat cyclicity (khususnya, dalam lagu pacaran lelaki), irama sirkadian telah dipulihkan. Kemudian mereka mengenal pasti beberapa transkrip dari lokus ini dan mendapati satu dengan sifat yang menarik.Pertama, ia sama ada tidak ada atau tidak dapat diabaikan dalam mutan, kedua, dalam lalat normal bilangannya berubah secara dramatik pada siang hari: pada siang hari itu banyak dan pada waktu malam ia kecil (P. Reddy et al., 1984). Molekul analisis tempoh lokus di Drosophila melanogaster irama biologi). Adalah jelas bahawa produk protein, yang diambil dari mRNA yang menarik ini, secara langsung terlibat dalam peraturan irama diurnal. Dalam erti kata lain, ia adalah calon untuk peranan pacemaker utama jam fisiologi. Mereka pergi terus dan tidak memerlukan loji harian.

Pada masa yang sama, kerja yang sama dengan keputusan yang sama di Rockefeller University di New York dilakukan oleh pasukan Michael Young, menerbitkan hasilnya tepat pada masa yang sama, pada tahun 1984 (T. A. Bargiello et al, 1984. Pemulihan perilaku circadian Drosophila). Sudah jelas bahawa kerja ini didahului dengan kajian yang sama secara teliti mengenai struktur lokus. per dan transkripnya dilakukan oleh Young dan rakan-rakannya.

Skim kerja pada tahun 1984, yang dikemukakan oleh M. Young dengan rakan – rakan di Malaysia Alam dan D. Hall dan M. Rosbash di Sel: takrif penghapusan, pengklonan tapak yang hilang dalam vektor bakteria, penyisipan tapak yang hilang ke dalam genom lalat mutan. Gambar dari T. A. Bargiello et al., 1984. Pemulihan irama tarian sirkadian dengan pemindahan gen dalam Drosophila

Satu pasukan telah menunjukkan bahawa per dinyatakan dalam hampir semua tisu badan (J.C Hall, M.Rosbash, 1987. Analisis genetik dan molekul mengenai irama biologi), terutamanya di mata dan di dalam otak, dan satu lagi pasukan (M. K. Baylies et al., 1987). Drosophila jam) mendapati bahawa tempoh kitaran bergantung kepada bilangan produk per. Kedua-dua pihak dan yang lain membawa penyelidik lebih dekat kepada persoalan mekanisme untuk mengawal irama harian.

Corak komunikasi irama harian dan aktiviti gen per. Dengan gen per mRNA ditranskripsikan, dengan mana protein Tempoh diterjemahkan. Selanjutnya, hasil biokimia X menghalang ekspresi per secara langsung (1) atau melalui langkah-langkah pertengahan Y (2) atau membawa kepada kelakuan Z, yang sendiri mengawal ungkapan itu per. Inhibisi dan peraturan boleh menjejaskan kedua-dua gen itu sendiri. perdan mRNA. Tanda soalan bermakna mekanisme molekul yang tidak diketahui. Gambar dari P. E. Hardin et al., 1990. Maklum balas terhadap Drosophila Tahap RNA ILLA

Sesungguhnya, tidak lama lagi oleh Hall dan Rosbash (P. E. Hardin et al, 1990. Maklum balas terhadap Drosophila Model asas bagi peraturan irama sirkadian telah dicadangkan. Ia didasarkan pada idea maklum balas antara protein PER dan keamatan ungkapan gen yang sepadan: pengumpulan protein menghalang sintesisnya, dan dengan pengurangan jumlah protein, sintesis diaktifkan. Dalam model ini, sebagai tambahan kepada konsep,Soalan telah ditanya (secara harfiah): dengan mengorbankan mekanisme molekul apakah gelung ini berfungsi? Apakah protein dan alat genetik untuk pelaksanaan skim ini? Bagaimanakah tingkah laku mempengaruhi irama harian? di mana peraturan molekul berlaku – dalam nukleus (ungkapan setiap) atau sitoplasma (aktiviti mRNA)? Dengan kata lain, satu program penyelidikan masa depan disediakan.

Setelah terlibat dalam eksperimen immunocytochemical, Rosbash dan Hall pada tahun 1992 menentukan dimana protein PER tertumpu di dalam sel (X. Liu et al., 1992). tempoh nuklear merangkumi protein yang kebanyakannya nuklear pada orang dewasa Drosophila). Ternyata di dalam teras. Para saintis menyimpulkan bahawa PER bertindak sebagai faktor transkripsi yang mengawal gennya sendiri per. Bagaimanakah protein ini memasuki nukleus, kerana ia disintesis dalam sitoplasma?

Young dapat menjawab soalan ini, yang pada masa ini memutuskan untuk mencari gen lain yang mempengaruhi irama harian aktiviti Drosophila. Untuk itu, beliau dan rakan-rakannya menganalisis kira-kira 7,000 mutasi, mengenal pasti satu yang memenuhi keperluan berkala (A. Sehgal et al., 1994. Kehilangan irama tingkah laku sirkadian dan Drosophila mutan abadi). Mutasi ini telah dinamakan tiada masa (dengan protein TIM). Dalam mutan bagi gen ini, irama sirkadian telah dilanggar. Dalam satu siri eksperimen, pasukan Young dapat menunjukkannya tempoh dan tiada masa kerja bersama, dan ia adalah protein TIM yang baru ditemui yang menyampaikan PER ke nukleus. Di sana, mereka menyekat faktor transkripsi yang mencetuskan sintesis mereka sendiri. Mutant perl dengan irama lanjutan, protein PER diubahsuai mengikat lebih teruk kepada TIM, dan kemungkinan penyerahan dan pengumpulan ligamen perut PER / TIM ke dalam nukleus ditangguhkan kerana ini. Kemudian ia juga membuktikan bahawa bilangan TIM dalam sel berbeza dengan intensiti cahaya. Oleh itu, irama penting tubuh menyesuaikan diri dengan perubahan siang dan malam.

Bacaan gen tempoh dan tiada masa dalam nukleus, dari mana mRNA yang sepadan diangkut ke dalam sitoplasma, masing-masing dengan fasa hariannya sendiri. Produk protein mereka, apabila digabungkan, boleh masuk ke dalam nukleus dan dalam bentuk ini perlahan sintesis mereka sendiri. Untuk melakukan ini, mereka menyekat faktor transkripsi mereka sendiri CLOCK dan CYC (BMAL1). Gambar dari what-when-how.com

Selepas beberapa lama, Young menemui dan menyiasat gen lain yang terlibat dalam peraturan irama sirkadian. Untuk melakukan ini, diperlukan 15,000 kromosom untuk dibaca (kromosom kedua dan ketiga dipilih) dari lalat yang terdedah kepada mutagen kimia. Akibatnya, dua baris diasingkan dengan mutasi baru dalam gen doubletime (dbt) dengan protein yang sesuai.Salah satunya – yang pertama ditemui – memendekkan tempoh irama secara mendadak: bukan kitaran 24 jam, kitaran aktiviti 18 jam diperolehi. Dan yang lain, sebaliknya, meningkatkan tempoh kitaran hingga 26-27 jam.

Dengan cacat dbt PER bebas terkumpul di sitoplasma, dan irama harian terganggu. Gambar dari artikel oleh J. L. Price et al., 1998. dua kali Adakah novel Drosophila Jam Gen yang Mengawal PENGENDALIAN PERIODE Protein

Peranan gen ini (lebih tepatnya, proteinnya), seperti yang ternyata, adalah untuk memusnahkan lebihan PER (disebabkan oleh fosforilasi), yang terkumpul dalam sitoplasma. Apabila TIM memasuki sitoplasma, mereka mengikat PER dan dihantar ke nukleus, sisa PER mesti dikeluarkan dari sitoplasma untuk memulakan kitaran seterusnya. Inilah yang DBT lakukan. Dan jika dengan pencahayaan berterusan atau kekurangannya, sifat iklik balas penerimaan TIM dalam sitoplasma terganggu, maka DBT dapat mengekalkan kitaran mereka tanpa perubahan dalam pencahayaan. Sebab itulah mutan dbt gangguan kitaran harian direkodkan hanya dalam eksperimen dalam kegelapan, dan semasa perubahan biasa fasa cahaya dan gelap, irama harian mereka tidak terganggu – peraturan TIM dicetuskan. Jadi DBT memastikan kestabilan irama diurnal semasa kegagalan fasa gelap dan cahaya.

Oleh itu,sejak dimulakan pada tahun 70-an untuk menyelidik dalam disiplin, yang terdiri daripada beberapa soalan, pada permulaan abad baru, ketiga-tiga saintis, yang menjadi pemenang Hadiah Nobel tahun ini, sebenarnya mencipta semula sains irama sirkadian. Mereka membina asas substantif untuk penyelidikan dan penyelidikan yang sangat berguna dan akademik. Lagipun, kebanyakan proses fisiologi dalam organisma hidup terikat pada irama sirkadian, dan setiap proses dikaitkan dengan mereka dengan cara biokimia sendiri (lihat, contohnya, sel-sel Stem berita kulit dan otot mengubah bioritma secara berbeza semasa penuaan, Elemen, 07.09.2017).

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: